Węglowe ABeCadło B – jak bateria

Jak włączyć zagospodarowanie odpadów radioaktywnych do gospodarki o obiegu zamkniętym? Odpowiedź na to pytanie ogłosili w grudniu 2024 roku naukowcy z Uniwersytetu w Bristolu (prof. Neil Fox i dr James Smith), którym udało się stworzyć pierwszą na świecie baterię diamentową z izotopu węgla 14 (¹⁴C). Prototyp baterii diamentowej został po raz pierwszy zaprezentowany przez tych samych naukowców w 2016 roku i bazował na izotopie niklu 63 (⁶³Ni). W nowym projekcie zespół opracował baterię opartą na izotopie węgla 14, który został zamknięty w sztucznie wytworzonym diamencie. Badacze przeprowadzili eksperymenty z wykorzystaniem zużytych prętów grafitowych stosowanych w elektrowniach jądrowych. W temperaturze 3 915 K (3 642°C) węgiel z którego zbudowane są pręty sublimuje, co oznacza że przechodzi on w stan gazowy. Według naukowców w pierwszej kolejności sublimuje izotop węgla ¹⁴C zgromadzony na powierzchni prętów grafitowych. Zgromadzony w fazie gazowej ¹⁴C można wykorzystywać do produkcji diamentów syntetycznych w procesie znanym jako osadzanie chemiczne z fazy gazowej (Chemical Vapor Deposition). Powstały w tych warunkach diament stanowi cieniutką warstwę, a nie typowy diamentowy kryształ. Diament składający się z atomów radioaktywnego węgla ¹⁴C stanowi źródło promieniowania beta, natomiast jego umieszczenie pomiędzy nieradioaktywnymi warstwami diamentu syntetycznego wykonanymi z atomów węgla ¹²C, ma na celu umożliwić pochłanianie tego promieniowania i jego zamianę na prąd elektryczny, podobnie jak to się dzieje w ogniwach fotowoltaicznych. Warto w tym miejscu zauważyć, że emitowane przez atomy ¹⁴C promieniowanie jest w całości pochłaniane przez warstwy zewnętrzne baterii, przez co jest ona bezpieczna. Rzeczywista ilość węgla ¹⁴C w bateriach nie została jeszcze określona. Ustalono, że moc promieniowania 1 g izotopu ¹⁴C wynosi około 0,17 mW, co przekłada się na około 15 J energii dziennie. To niewielka moc w porównaniu do standardowej baterii alkalicznej typu AA, która może przez krótki czas oddawać moc rzędu 1-2 W, a jej całkowita pojemność energetyczna wynosi około 700 J/g. Należy jednak podkreślić, że tradycyjne baterie AA ulegają rozładowaniu w ciągu kilkudziesięciu godzin intensywnej pracy, podczas gdy bateria diamentowa bazująca na ¹⁴C zachowuje zdolność generowania energii przez tysiące lat, ze względu na okres połowicznego rozpadu izotopu wynoszący 5 730 lat.

Baterie diamentowe otwierają prawdopodobnie nowe perspektywy dla odbiorników/urządzeń wymagających niezawodnego i długotrwałego źródła energii, co pomimo naturalnie pojawiających się zastrzeżeń i wątpliwości, może okazać się szczególnie obiecującym, np. dla osób wymagających wszczepienia implantów medycznych (rozruszniki serca, aparaty słuchowe itp.).

Przełomowa technologia wpisująca się w ideę gospodarki o obiegu zamkniętym może zrewolucjonizować sposób zasilania w energię niewielkich urządzeń przez tysiące lat, eliminując konieczność wymiany baterii.

Badania nad innowacyjnymi technologiami odzysku i ponownego wykorzystania materiałów radioaktywnych wpisują się również w obszar zainteresowań Instytutu Technologii Paliw i Energii, który aktywnie rozwija rozwiązania zgodne z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym.

Opracował: Tomasz Radko

Zakład Gospodarki o Obiegu Zamkniętym

Kontakt: tradko@itpe.pl   tel. 32 6216 752