Pin kim cương hứa hẹn cung cấp năng lượng cho tàu thăm dò không gian trong 100 năm

Pin kim cương có khả năng sản sinh ra điện trong vòng 100 năm đang được xem xét sử dụng trong các tàu thăm dò vũ trụ và trong các thiết bị khai thác mỏ.

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

"Đây là một tinh thể tuyệt đẹp. Chúng ta có thể khai thác tiềm năng của những viên kim cương", Satoshi Koizumi, người đứng đầu Wide Bandgap Semiconductor Group tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia của Nhật Bản (NIMS) nắm trong tay một nguyên mẫu pin có màu của một viên kim cương thô, cho biết.

Là vật chất cứng nhất trên thế giới, kim cương được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp và thậm chí có thể chuyển đổi thành chất bán dẫn. Các nhà nghiên cứu đã sản xuất một diode tiếp giáp PN, một trong những thiết bị bán dẫn đơn giản nhất bằng cách gắn một màng kim cương mỏng vào đế kim cương để tạo ra điện.

Những viên pin này có thể tạo ra điện khi đặt trong môi trường phóng xạ.

Pin kim cương hay pin betavoltaic, sẽ tạo ra điện miễn là chúng nằm trong trường phóng xạ, nơi chúng có thể nhận các tia beta từ các đồng vị như carbon-14 và niken-63. Những viên pin này có tuổi thọ cao như vậy là nhờ cacbon-14 và niken-63 phân rã một nửa trong khoảng thời gian tuần tự tương ứng là 5.700 năm và 100 năm.

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

Pin kim cương do NIMS sản xuất là thành quả của công nghệ và bí quyết mà viện nghiên cứu và phát triển quốc gia 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, mặc dù ở cấp độ nguyên tố.

Nhóm nghiên cứu tại NIMS đã sử dụng electron, thông qua các thiết bị như kính hiển vi điện tử, thay vì tia beta để sản xuất điện nhưng đã có kế hoạch sử dụng niken-63 kể 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 hiệu quả hơn bằng cách tăng cường sản lượng điện. Hiện tại, những viên pin này chỉ tạo ra điện năng ở mức micro-watt (một micro-watt bằng một phần triệu watt).

Mặc dù vậy, tiềm năng sử dụng của loại pin này là rất rõ ràng. Vào năm 2020, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh và Đại học Bristol cho biết họ đang nghiên cứu việc sử dụng carbon-14 tồn tại nhiều trên bề mặt than chì được sử dụng trong sản xuất điện hạt nhân, thứ có thể thu được khi các nhà máy bị tháo dỡ.

Nước Anh được cho là đang xem xét sản xuất nhiều pin kim cương từ việc tháo dỡ các nhà máy hạt nhân. Mặc dù không có thông tin chi tiết về các kế hoạch của quốc gia này, nhưng nếu thành công, họ sẽ có thể tạo ra điện trong hàng nghìn năm.

Pin hạt nhân bao gồm một thành phần sử dụng nhiệt từ plutonium. Những loại pin như vậy được lắp đặt trong các tàu thăm dò không gian và mặc dù chúng tạo ra một lượng điện tương đối lớn nhưng lại rất khó xử lý plutonium. Ngược lại, pin kim cương có khả năng chịu nhiệt cao và có cấu tạo đơn giản hơn.

"Chúng có thể hoạt động ngay cả ở nhiệt độ cao và việc sử dụng chúng trong các thiết bị vũ trụ, máy thăm dò khoáng sản, và những thiết bị khác là hoàn toàn có thể", Koizumi của NIMS cho biết.