البطاريات النووية

منذ الخمسينيات من القرن الماضي ، اعتبر العلماء أن الخلايا الكهروضوئية - وهي تقنية لاستخراج طاقة إشعاع بيتا - هي الأساس لإنشاء مصادر طاقة جديدة في المستقبل. اليوم ، هناك أسباب حقيقية للتأكيد بثقة على أن استخدام التفاعلات النووية الخاضعة للرقابة آمن بطبيعته. يتم استخدام العشرات من التقنيات النووية بالفعل من قبل الناس في الحياة اليومية ، مثل كاشفات الدخان بالنظائر المشعة.

لذلك ، في مارس 2014 ، قام العالمان جاي كوون وبيك كيم من جامعة ميسوري ، كولومبيا ، الولايات المتحدة الأمريكية بإعادة إنتاج أول نموذج أولي عامل في العالم لمصدر طاقة مضغوط يعتمد على السترونشيوم 90 والمياه. في هذه الحالة ، يكون دور الماء هو مصدر الطاقة ، والذي سيتم شرحه أدناه.

ستعمل البطارية النووية لسنوات دون صيانة وستكون قادرة على إنتاج الكهرباء بسبب انهيار جزيئات الماء لأنها تتفاعل مع جزيئات بيتا ومنتجات الاضمحلال الأخرى للسترونتيوم المشع 90.

يجب أن تكون قوة هذه البطارية كافية تمامًا لتشغيل المركبات الكهربائية وحتى سفن الفضاء.يكمن سر المنتج الجديد في الجمع بين الخلايا المولدة للكهرباء (betavoltaics) واتجاه الفيزياء الجديد إلى حد ما - رنانات الطحين.

تم استخدام البلازمونات بنشاط في السنوات القليلة الماضية في تطوير أجهزة بصرية محددة ، بما في ذلك الخلايا الشمسية فائقة الكفاءة ، والعدسات المسطحة تمامًا وحبر الطباعة الخاص بدقة أعلى بعدة مرات من حساسية أعيننا. الرنانات البلازمية هي هياكل خاصة قادرة على امتصاص وإصدار الطاقة في شكل موجات ضوئية وفي شكل أشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

اليوم ، توجد بالفعل مصادر طاقة للنظائر المشعة تقوم بتحويل طاقة اضمحلال الذرات إلى كهرباء ، لكن هذا لا يحدث بشكل مباشر ، ولكن من خلال سلسلة من التفاعلات الفيزيائية الوسيطة.

أولاً ، تقوم أقراص المواد المشعة بتسخين جسم الحاوية الموجودة فيه ، ثم يتم تحويل هذه الحرارة إلى كهرباء عن طريق المزدوجات الحرارية.

يتم فقدان كمية هائلة من الطاقة في كل مرحلة من مراحل التحويل ؛ من هذا ، فإن كفاءة بطاريات النظائر المشعة لا تتجاوز 7 ٪. لم يتم استخدام Betavoltica منذ فترة طويلة في الممارسة العملية بسبب التدمير السريع جدًا لأجزاء البطارية بواسطة الإشعاع.

في النهاية ، وجد العلماء طريقة لتحويل الطاقة المنبعثة مباشرة إلى جانب نواتج الاضمحلال للذرات غير المستقرة. اتضح أن جسيمات بيتا (الإلكترونات التي تكون سرعتها عالية بما يكفي أثناء تحلل الذرة) قادرة على تكسير جزيئات الماء إلى هيدروجين وجذر هيدروكسيل وأيونات أخرى.

أظهرت الأبحاث أن هذه الأجزاء المتحللة من جزيئات الماء يمكن استخدامها لاستخراج الطاقة التي تمتصها بشكل مباشر نتيجة الاصطدام بجزيئات بيتا.

لكي تعمل البطارية النووية المائية ، هناك حاجة إلى هيكل خاص من مئات الأعمدة المجهرية من أكسيد التيتانيوم المغطاة بغشاء بلاتيني ، يشبه المشط في الشكل. يوجد في أسنانه وعلى سطح قشرة البلاتين العديد من المسام الدقيقة التي يمكن من خلالها للمنتجات المشار إليها لتحلل الماء اختراق الجهاز. لذلك ، أثناء تشغيل البطارية ، يحدث عدد من التفاعلات الكيميائية في "المشط" - يحدث تحلل وتشكيل جزيئات الماء ، بينما تنشأ الإلكترونات الحرة ويتم التقاطها.

يتم امتصاص الطاقة المنبعثة خلال كل هذه التفاعلات بواسطة "الإبر" وتحويلها إلى كهرباء. نظرًا لأن البلازمونات التي تظهر على سطح الأعمدة ، لها خصائص فيزيائية خاصة ، فإن مثل هذه البطارية النووية المائية تصل إلى أقصى قدر من الكفاءة ، والتي يمكن أن تصل إلى 54 ٪ ، وهو ما يقرب من عشرة أضعاف مصادر النظائر المشعة الكلاسيكية الحالية.

من الصعب جدًا تجميد المحلول الأيوني المستخدم هنا حتى في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة بدرجة كافية ، مما يجعل من الممكن استخدام البطاريات المصنوعة باستخدام التكنولوجيا الجديدة لتشغيل المركبات الكهربائية ، وإذا تم تعبئتها بشكل صحيح ، في المركبات الفضائية أيضًا لأغراض مختلفة.

يبلغ عمر النصف من السترونتيوم -90 المشع حوالي 28 عامًا ، لذلك يمكن أن تعمل بطارية كوون وكيم النووية دون فقدان كبير للطاقة لعدة عقود ، مع انخفاض في الطاقة بنسبة 2 ٪ فقط سنويًا.يقول العلماء إن مثل هذه المعايير تفتح آفاقًا واضحة لوجود السيارات الكهربائية في كل مكان.