Các nhà khoa học đến từ Đại học Bristol và Cơ quan năng lượng nguyên tử Anh (UKAEA) phát triển thành công pin kim cương carbon-14 đầu tiên trên thế giới. Nguồn năng lượng cách mạng hóa này có khả năng cung cấp điện cho thiết bị trong hàng nghìn năm, mang đến giải pháp bền vững và hiệu quả cho một loạt ứng dụng đa dạng.

Pin kim cương carbon-14 tận dụng phân rã phóng xạ của carbon-14, đồng vị phóng xạ sử dụng phổ biến trong xác định niên đại hiện vật, để sản xuất điện. Được bao bọc trong kim cương, một trong những vật liệu cứng nhất hiện nay, mẫu pin mới sẽ thu thập phóng xạ an toàn nhằm tạo ra điện.

Pin được làm từ đồng vị phóng xạ carbon-14, được bọc trong một lớp kim cương tổng hợp mỏng. Khi carbon-14 phân rã, nó sẽ phát ra các electron. Kim cương hoạt động giống như chất bán dẫn, chuyển đổi các electron này thành điện năng. Vì carbon-14 có chu kỳ bán rã 5.700 năm nên các nhà khoa học hy vọng pin sẽ tồn tại được hàng thiên niên kỷ.

Carbon-14 phát ra phóng xạ tầm ngắn, được hấp thụ bởi vỏ bọc kim cương, bảo đảm an toàn trong khi sản xuất lượng điện thấp. Pin này hoạt động tương tự pin quang điện, nhưng thay vì biến đổi ánh sáng thành điện, nó sử dụng electron di chuyển nhanh từ phân rã phóng xạ. Kết quả là một nguồn điện lâu dài và đáng tin cậy với tuổi thọ ấn tượng. Do carbon-14 có chu kỳ bán rã 5.700 năm, pin vẫn giữ được một nửa lượng điện ngay cả sau hàng nghìn năm. Với tuổi thọ kéo dài như vậy, viên pin này có thể chấm dứt nhu cầu thay pin định kỳ trong các thiết bị như điện thoại, đồng hồ thông minh và laptop.

Sarah Clark, Giám đốc Chu kỳ nhiên liệu tritium ở UKAEA, nhấn mạnh độ bền vững và an toàn của phát minh. “Pin kim cương đem đến cách an toàn và bền vững để cung cấp điện liên tục ở cấp microwatt. Chúng là công nghệ mới nổi sử dụng kim cương nhân tạo để bao bọc lượng carbon-14 nhỏ”, Clark cho biết.

Một trong những đặc điểm hứa hẹn nhất của pin kim cương carbon-14 là tính linh hoạt. Loại pin này có thể sử dụng trong một loạt môi trường và thiết bị mà nguồn điện thông thường là bất khả thi. Pin kim cương tương thích sinh học có thể cách mạng hóa lĩnh vực y tế thông qua cung cấp điện cho thiết bị cấy ghép như máy điều hòa nhịp tim, máy trợ thính và thiết bị dùng cho mắt. Khác với pin truyền thống cần thay thế thường xuyên, pin kim cương có thể hoạt động hàng thập niên, giúp giảm bớt sự khó chịu và nguy cơ phẫu thuật cho bệnh nhân.

Ngoài ra, mẫu pin mới rất lý tưởng cho nhiệm vụ trong không gian và địa điểm xa xôi trên trái đất. Chúng có thể cung cấp điện cho tàu vũ trụ, vệ tinh, thậm chí thẻ theo dõi bằng tần số vô tuyến, giảm chi phí và kéo dài tuổi thọ hoạt động.

Carbon-14 sử dụng trong pin được khai thác từ khối than chì, phụ phẩm ở lò phản ứng phân hạch hạt nhân. Thông qua tận dụng vật liệu, công nghệ giúp giảm chất thải phóng xạ đồng thời tạo ra nguồn năng lượng hữu ích. Anh sở hữu gần 95.000 tấn khối than chì. Quá trình sản xuất bao gồm sử dụng một giàn kết bám plasma, thiết bị chuyên dụng do Đại học Bristol và UKAEA cộng tác phát triển để phát triển cấu trúc kim cương. Phương pháp không chỉ cung cấp khả năng sử dụng chất thải phóng xạ mà còn giảm bớt chi phí và thách thức đối với lưu trữ an toàn.

Pin làm từ kim cương carbon-14 có tuổi thọ kéo dài lên tới hàng nghìn năm

Nhà vật lý Tom Scott của Đại học Bristol cho rằng, thời điểm này là cơ hội tốt để xây dựng những nhà máy sản xuất pin kim cương ngay tại chỗ, nhằm tiếp nhận và xử lý các đồng vị phóng xạ carbon-14. Bởi vì, một viên pin thông thường nặng 20gr sẽ có năng lượng lưu trữ khoảng 700 watt, nếu hoạt động liên tục, nó sẽ hết trong vòng 34 giờ. Một viên pin kim cương thử nghiệm chứa một gram đồng vị carbon-14 cung cấp 15 watt/ngày, liên tục trong vòng 5.730 năm. Như vậy, tổng năng lượng thu được lên tới 2,7 terawatt. Việc này sẽ làm giảm thiểu đáng kể tính phóng xạ của những vật liệu còn lại, đồng thời giúp công tác quản lý trở nên thuận tiện và an toàn hơn. “Trong những năm qua, chúng tôi đã cố gắng phát triển các cảm biến cực nhạy để thu nguồn năng lượng (rất nhỏ) từ hiện tượng phân rã phóng xạ. Hiện tại, dự án mới chỉ đang ở giai đoạn tiên phong và chúng tôi đã bắt đầu thử nghiệm loại pin này ở những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt như đỉnh núi lửa”, Scott cho biết.

Hiện nay, ngoài việc thế giới đang phải chống chọi với vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu thì chất thải từ phóng xạ và từ pin năng lượng mặt trời cũng khiến cho các nhà lãnh đạo, nhà khoa học và thậm chí cả người dân lo ngại. Và một điều đáng buồn cho thực trạng hiện nay là các nhà khoa học hiện đã có rất nhiều kinh nghiệm để đối phó với chất thải phóng xạ từ các lò phản ứng hạt nhân, nhưng lại có rất ít kinh nghiệm đối phó với chất thải từ pin năng lượng mặt trời.

Giải pháp của các nhà khoa học Anh sẽ giúp kiểm soát chặt chẽ và xử lý được chất thải phóng xạ tốt hơn và hiệu quả hơn. Đây không chỉ là một thành tựu khoa học mà còn là một bước ngoặt trong hành trình hướng tới một tương lai bền vững. Với khả năng tái chế chất thải phóng xạ và cung cấp năng lượng dài hạn, công nghệ này mang lại hy vọng lớn cho việc giải quyết các thách thức toàn cầu về năng lượng và môi trường.

Trong thời gian tới, nếu được hoàn thiện và thương mại hóa, pin kim cương có thể trở thành biểu tượng của một thế hệ công nghệ năng lượng mới, nơi con người không còn phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên hữu hạn mà thay vào đó là những giải pháp thân thiện với hành tinh.

Theo PTT