Pin kim cương có thể cung cấp năng lượng đến 100 năm cho tàu vũ trụ

Những viên pin này sử dụng kim cương nhân tạo tạo ra điện khi đặt trong trường phóng xạ. Nếu phóng xạ có thể kiểm soát và ngăn chặn bằng cách bọc những viên pin này trong nhôm hoặc các tấm kim loại khác, chúng có thể được đưa vào sử dụng.

Satoshi Koizumi, người đứng đầu nhóm Wide Bandgap Semiconductor tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật (NIMS), cho biết: "Đây là một tinh thể tuyệt đẹp. Chúng tôi có thể khai thác tiềm năng của kim cương" khi cầm một viên pin nguyên mẫu, màu của viên kim cương thô, do nhóm sản xuất.

Là chất cứng nhất trên thế giới, kim cương được sử dụng rộng rãi như các công cụ công nghiệp và thậm chí có thể được biến đổi thành chất bán dẫn. Nhóm Wide Bandgap Semiconductor đã sản xuất PN junction diode (một trong những thiết bị bán dẫn đơn giản nhất, có đặc tính chỉ cho dòng điện đi qua một hướng) bằng cách gắn một màng kim cương mỏng vào đế kim cương để tạo ra điện.

Pin kim cương tạo ra điện miễn ở trong trường phóng xạ, nơi có thể nhận tia beta từ đồng vị như carbon-14 và niken-63. Loại pin này có tuổi thọ cao như vậy do cacbon-14 và niken-63 phân rã một nửa lần lượt trong khoảng 5.700 năm và 100 năm.

Sử dụng cacbua silicon, các công ty Mỹ và nước khác đã đưa pin kim cương vào sử dụng thực tế. Dù kim cương có tốc độ trao đổi nhiệt cao hơn cacbua silicon,nhưng việc sản xuất chất bán dẫn từ kim cương khó hơn.

Cacbua silicon (SiC) là vật liệu nhân tạo thường không phản ứng với axit, có độ cứng chỉ đứng sau kim cương với khả năng chống mài mòn cao.

Pin kim cương do NIMS sản xuất là thành quả của công nghệ và bí quyết mà Viện đã tích lũy từ những năm 1990 trong lĩnh vực này. Tỷ lệ trao đổi nhiệt của vật liệu được sử dụng là khoảng 28%, cao nhất thế giới và gần với giới hạn lý thuyết, dù ở cấp độ nguyên tố.

Nhóm nghiên cứu tại NIMS đã sử dụng các electron thay vì tia beta để sản xuất điện nhưng có kế hoạch sử dụng niken-63 từ bây giờ.

Một vấn đề lớn mà các nhà phát triển vẫn chưa giải quyết được là làm thế nào để làm cho pin kim cương hiệu quả hơn bằng cách tăng cường sản lượng điện. Hiện tại, những viên pin kim cương này chỉ tạo ra điện năng micro-watt (micro-watt bằng một phần triệu watt).

Dù vậy, tất cả đều có thể thấy được tiềm năng của pin kim cương. Vào năm 2020, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh và Đại học Bristol cho biết họ đang nghiên cứu việc dùng carbon-14 tồn tại rất nhiều trên bề mặt than chì, được sử dụng trong sản xuất điện hạt nhân, có thể thu về khi các nhà máy dạng này bị tháo dỡ.

Anh được cho là đang xem xét sản xuất nhiều pin kim cương từ việc tháo dỡ các nhà máy sản xuất điện hạt nhân. Dù không có thông tin chi tiết về các kế hoạch nhưng nếu thành công, nó sẽ có thể tạo ra điện trong hàng ngàn năm.

Pin hạt nhân có một loại sử dụng nhiệt từ plutonium. Những loại pin như vậy được lắp đặt trong các tàu thăm dò không gian và dù tạo ra một lượng điện tương đối lớn nhưng rất khó xử lý plutonium.

Plutonium là nguyên tố hóa học hiếm, có tính phóng xạ cao với ký hiệu hóa học Pu và số nguyên tử 94. Plutonium là kim loại thuộc nhóm actini với bề ngoài màu trắng bạc và bị xỉn khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp phủ mờ khi bị ôxi hóa.

Ngược lại, pin kim cương có khả năng chịu nhiệt cao và có cấu tạo đơn giản hơn.

"Pin kim cương có thể hoạt động ngay cả ở nhiệt độ cao và việc sử dụng chúng trong các thiết bị không gian và máy thăm dò khoáng sản là có thể tưởng tượng được", Satoshi Koizumi cho biết.

Theo 1thegioi