علوم

بطاريات الألماس المشع هل هي الحل للنفايات النووية؟

هذه البطاريات مصنوعة من النفايات النووية ويمكن أن تدوم لآلاف السنين.

المصدر: جامعة بريستول

بطاريات الألماس المشع، خطوة نحو مستقبل أفضل. تعتبر الطاقة النووية مصدر للطاقة النظيفة لأنها لا تولد أي انبعاثات لثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، في الوقت نفسه، تنتج كميات هائلة من النفايات المشعة الخطرة التي تتراكم مع بناء المزيد والمزيد من المفاعلات حول العالم.

اقترح الخبراء حلولًا مختلفة لهذه المشكلة من أجل رعاية البيئة وصحة الناس بشكل أفضل. مع عدم كفاية مساحة التخزين الآمنة للتخلص من النفايات النووية، فإن النقطة المحورية لهذه الأفكار هي إعادة استخدام المواد.

تم تطوير بطاريات الألماس المشع لأول مرة في عام 2016. وتمت الإشادة بها على الفور لأنها وعدت بطريقة جديدة وفعالة من حيث التكلفة لإعادة تدوير النفايات النووية. في هذا السياق، لا مفر من مناقشة ما إذا كانت تمثل الحل النهائي لهذه المخلفات السامة والقاتلة.

مقالة ذات صلة: خط المرآة، مشروع سعودي طموح لناطحة سحاب تمتد لمسافة 75 ميلا

ما هي بطاريات الألماس المشع؟

تم تطوير بطاريات الأماس المشع لأول مرة من قبل فريق من الفيزيائيين والكيميائيين من معهد كابوت للبيئة في جامعة بريستول. تم تقديم الاختراع كجهاز بيتافولتية، مما يعني أنه يتم تشغيله بواسطة تحلل بيتا للنفايات النووية.

اضمحلال بيتا هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي الذي يحدث عندما تحتوي نواة الذرة على فائض من الجسيمات وتطلق بعضها للحصول على نسبة أكثر ثباتًا من البروتونات إلى النيوترونات. ينتج عن هذا نوع من الإشعاع المؤين يسمى إشعاع بيتا، والذي يتضمن الكثير من الإلكترونات عالية السرعة وعالية الطاقة أو البوزيترونات المعروفة باسم جسيمات بيتا.

مقالة ذات صلة: أكبر حفارات التعدين في العالم

على ماذا تحتوي جسيمات بيتا؟

تحتوي جسيمات بيتا على طاقة نووية يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية من خلال أشباه الموصلات.

تتكون الخلية بيتافولتية النموذجية من طبقات رقيقة من المواد المشعة موضوعة بين أشباه الموصلات. عندما تتحلل المادة النووية ، تنبعث منها جسيمات بيتا التي تفكك الإلكترونات في أشباه الموصلات ، مما ينتج عنه تيار كهربائي.

ومع ذلك ، فإن كثافة قدرة المصدر المشع تكون أقل كلما ابتعدت عن أشباه الموصلات. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن جسيمات بيتا تنبعث عشوائيًا في جميع الاتجاهات ، فإن عددًا صغيرًا منها فقط سيصطدم بأشباه الموصلات ، وسيتم تحويل عدد قليل منها إلى كهرباء. هذا يعني أن البطاريات النووية أقل كفاءة بكثير من أنواع البطاريات الأخرى. هذا هو المكان الذي يأتي فيه الماس متعدد الكريستالات (PCD).

المصدر: ويكميديا

مقالة ذات صلة: الطائرات لا تحلق فوق القطب الجنوبي، إليكم السبب

كيف يتم تصنيع بطاريات الألماس المشع

يتم تصنيع بطاريات الألماس المشع باستخدام عملية تسمى ترسيب البخار الكيميائي، والتي تستخدم على نطاق واسع لتصنيع الماس الاصطناعي. تستخدم مزيجًا من الهيدروجين وبلازما الميثان لتنمية أغشية الألماس في درجات حرارة عالية جدًا. قام الباحثون بتعديل عملية CVD لزراعة الماس المشع باستخدام غاز الميثان المشع الذي يحتوي على النظير المشع Carbon-14، الموجود في كتل الجرافيت في المفاعل المشع.

الماس هو أحد أصعب المواد التي تعرفها البشرية – إنه أصعب من كربيد السيليكون. ويمكن أن يكون بمثابة مصدر إشعاعي وأشباه موصلات. عرّضه لإشعاع بيتا وستحصل على بطارية طويلة الأمد لا تحتاج إلى إعادة الشحن. تعمل النفايات النووية الموجودة في داخلها على تأجيجها مرارًا وتكرارًا، مما يسمح لها بالشحن الذاتي على مر العصور.

ومع ذلك، حذر فريق بريستول من أن بطاريات الماس المشعة لن تكون مناسبة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف الذكية، لأنها تحتوي على 1 جرام فقط من الكربون 14، مما يعني أنها توفر طاقة منخفضة جدًا – فقط بضعة ميكرووات، وهو أقل من المعتاد لبطارية AA. لذلك، يقتصر تطبيقها حتى الآن على الأجهزة الصغيرة التي يجب أن تظل غير مراقبة لفترة طويلة، مثل أجهزة الاستشعار وأجهزة تنظيم ضربات القلب.

مقالة ذات صلة: أول تجربة للتعديل الجيني في أمريكا فعالة بنسبة 100٪ تقريبًا

بطاريات الألماس المشع نانو

كما يمكن إرجاع أصول البطاريات النووية إلى عام 1913. أي عندما اكتشف الفيزيائي الإنجليزي هنري موزلي أن إشعاع الجسيمات يمكن أن يولد تيارًا كهربائيًا. بالإضافة إلى ذلك في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، كانت صناعة الطيران مهتمة جدًا باكتشاف موسلي، حيث يمكنها تشغيل المركبات الفضائية لمهام طويلة الأمد. كما بحثت مؤسسة RCA في تطبيق للبطاريات النووية في أجهزة الاستقبال اللاسلكية والمعينات السمعية.

لكن كانت هناك حاجة إلى تقنيات أخرى من أجل تطوير الاختراع والحفاظ عليه. في هذا الصدد، يُنظر إلى استخدام الماس الاصطناعي على أنه ثوري، لأنه يوفر الأمان والتوصيل للبطارية المشعة. مع إضافة تقنية النانو، قامت شركة أمريكية ببناء بطارية ماس نانو عالية الطاقة.

تأسست شركة NDB، التي يقع مقرها في سان فرانسيسكو، كاليفورنيا، في عام 2012 بهدف إنشاء بديل أكثر نظافة وصديقة للبيئة للبطاريات التقليدية. قدمت الشركة الناشئة نسختها من البطاريات القائمة على الماس في عام 2016 وأعلنت عن اختبارين لإثبات صحة المفهوم في عام 2020. إنها إحدى الشركات التي تحاول تسويق بطاريات الماس المشعة.

توصف بطاريات النانو الماسية من NDB بأنها بطاريات ألفا وبيتا وبطاريات نيوترونية فلطية ولديها العديد من الميزات الجديدة وفقًا لموقعها على الويب.

المصدر: ويكميديا

 مميزات هذه البطاريات الجديدة

لدى هذه البطاريات مميزات منها:

  • المتانة: تحسب الشركة أن البطاريات يمكن أن تدوم حتى 28000 عام. مما يعني أنها يمكن أن تزود المركبات الفضائية بالطاقة بشكل موثوق في مهمات طويلة الأمد، ومحطات فضائية، وأقمار صناعية. لن تحتاج الطائرات بدون طيار والسيارات الكهربائية والطائرات على الأرض إلى التوقف لإعادة شحنها.
  • الأمان: الماس ليس فقط من أصعب المواد، ولكنه أيضًا من أكثر المواد الموصلة للحرارة في العالم. مما يساعد على الحماية من الحرارة الناتجة عن النظائر المشعة التي تصنع بها البطارية، مما يحولها إلى تيار كهربائي بسرعة كبيرة.
  • صديقة للسوق: تسمح طبقات الأغشية الرقيقة من PCD للبطارية بأشكال وأشكال مختلفة. هذا هو السبب في أن بطاريات الماس النانو يمكن أن تكون متعددة الأغراض وتدخل أسواقًا مختلفة. من التطبيقات الفضائية المذكورة أعلاه إلى الإلكترونيات الاستهلاكية. نسخة المستهلك لن تستمر أكثر من عقد من الزمان.

من المقرر طرح بطاريات النانو الماسية في الأسواق في عام 2023.

تخطط Arkenlight، الشركة الإنجليزية التي تسوق لبطارية الماس المشعة في بريستول، لإطلاق أول منتج لها، وهو بطارية صغيرة، إلى السوق في الجزء الأخير من عام 2023.

مقالة ذات صلة: أفضل البنادق العسكرية حول العالم

مستقبل بطاريات الألماس المشع

أدت قابلية الأجهزة الإلكترونية الحديثة، وزيادة شعبية السيارات الكهربائية، وسباق القرن الحادي والعشرين لنقل البشرية في مهمات فضائية طويلة إلى المريخ، إلى زيادة الاهتمام بأبحاث تكنولوجيا البطاريات في السنوات القليلة الماضية.

بعض أنواع البطاريات أكثر ملاءمة لتطبيقات معينة وليست مفيدة للآخرين. يمكننا القول أن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية التي نعرفها لن يتم استبدالها ببطاريات الألماس المشع في أي وقت قريب.

تدوم البطاريات التقليدية وقتًا أقصر، لكنها أيضًا أرخص بكثير في التصنيع. ومع ذلك، في الوقت نفسه، فإن حقيقة أنها لا تدوم طويلاً (يبلغ عمرها حوالي خمس سنوات) تمثل مشكلة. لأنها تنتج أيضًا قدرًا كبيرًا من النفايات الإلكترونية، والتي ليس من السهل إعادة تدويرها.

مقالة ذات صلة: مدينة برج خليفة المعلقة مركز المدينة في السماء

ماذا إذاً عن بطاريات الألماس المشع؟

تعد بطاريات الألماس المشع أكثر ملاءمة، لأنها تتمتع بعمر أطول بكثير من البطاريات التقليدية. إذا كان من الممكن تطويرها إلى بطارية عالمية، كما تقترح شركة NDB ، فقد ينتهي بنا الأمر مع بطاريات الهاتف الذكي التي تدوم لفترة أطول بكثير من عمر الهاتف الذكي، ويمكننا ببساطة تغيير البطارية من هاتف إلى آخر، تمامًا مثل نقوم الآن بنقل بطاقة SIM.

ومع ذلك، فإن الخلايا الكهروضوئية للماس التي طورتها Arkenlight لن تذهب إلى هذا الحد. تعمل الشركة على تصميمات تكدس الكثير من بطارياتها الكربونية 14 بيتا في الخلايا. لتوفير تفريغ عالي الطاقة، يمكن أن تكون كل خلية مصحوبة بمكثف فائق صغير، والذي يمكن أن يوفر قدرة ممتازة على التفريغ السريع.

ومع ذلك ، فإن هذه المادة المشعة لها أيضًا عمر افتراضي يزيد عن 5000 عام. إذا تسرب هذا الإشعاع من الجهاز في شكل غازي، فقد يكون ذلك مشكلة. هذا هو المكان الذي يأتي فيه الماس. في تشكيل الماس، يكون C-14 صلبًا، لذلك لا يمكن استخراجه وامتصاصه بواسطة كائن حي.

مقالة ذات صلة: فتاة عبقرية أذكى من أينشتاين تبلغ من العمر 10 سنوات

ما هي الكمية التي يحتاجها بلد منا من بطاريات الألماس المشع وهل هي حل مستدام؟

حسبت هيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة أن 100 رطل (حوالي 45 كجم) من الكربون 14. يمكن أن يسمح بتصنيع ملايين البطاريات طويلة الأمد القائمة على الألماس المشع. يمكن أن تقلل هذه البطاريات أيضًا من تكاليف تخزين النفايات النووية.

قال البروفيسور توم سكوت، الباحث بجامعة بريستول ، لمجلة “إنسايدر إنسايدر”: “من خلال إزالة الكربون 14 من الجرافيت المشع مباشرة من المفاعل. فإن هذا سيجعل نفايات النفايات المتبقية أقل إشعاعًا وبالتالي يسهل إدارتها والتخلص منها. تقديرات التكلفة للتخلص من نفايات الجرافيت هي 60.000 دولار لكل متر مكعب من نفايات المستوى المتوسط. و 4000 دولار لكل متر مكعب للنفايات منخفضة المستوى. ”

ألا تجعلها كل هذه الميزات واحدة من أفضل الخيارات التي نحتاجها للمستقبل المستدام؟ سيتعين علينا الانتظار ومعرفة ما إذا كان بإمكان الشركات المصنعة إيجاد طريقة للتعامل مع تكاليف الإنتاج وانخفاض إنتاج الطاقة. والحصول على بطارياتها القائمة على الألماس في السوق بتكلفة معقولة ويمكن الوصول إليها.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى