آیا باتری های الماس رادیواکتیو چاره مشکل ضایعات هسته ای هستند؟

پژوهشگران درحال توسعه‌ی باتری جدیدی هستند که از ضایعات هسته‌ای انرژی می‌گیرد و هزاران سال دوام خواهد آورد.

در تابستان سال ۲۰۱۸، هواپیمای بدون سرنشین سرگرمی بسته‌ی کوچکی را نزدیک لبه‌ی آتشفشان استرومبولی انداخت. آتش‌فشان مذکور که در نزدیکی سواحل سیسیل قرار دارد، در طول قرن گذشته تقریبا به‌طور مداوم درحال فوران بوده است. استرومبولی، به‌عنوان یکی از فعال‌ترین آتش‌فشان‌های روی زمین به‌شدت مورد توجه زمین‌شناسان قرار دارد؛ اما جمع‌آوری داده از نزدیکی خروجی متلاطم آن پرخطر است. بنابراین گروهی از پژوهشگران دانشگاه بریستول ربات آتش‌فشان‌شناسی را ساختند و از یک هواپیمای بدون سرنشین برای عبور آن از روی آتش‌فشان استفاده کردند. ربات در آنجا می‌توانست هرگونه ارتعاش و لرزه‌ را مورد نظارت قرار دهد تا زمانی‌که به‌ناگزیر به‌وسیله‌ی فوران تخریب شود. این ربات، کپسول حسگر کوچکی بود که از مقادیر اندکی انرژی هسته‌ای حاصل‌از یک باتری رادیواکتیو کوچک نیرو می‌گرفت. پژوهشگران اختراع خود را تخم اژدها نامیدند.

تخم اژدها به دانشمندان کمک می‌کند تا فرایندهای طبیعی شدید را با جزئیات بی‌سابقه‌ای مطالعه کنند. اما برای تام اسکات، دانشمند علم مواد دانشگاه بریستول، آتش‌فشان‌ها شروع کار بودند. اسکات و گروه کوچکی از همکارانش چند سال گذشته را مشغول توسعه‌ی نسخه‌ی کارآمدتری از باتری تخم اژدها بوده‌اند که بتواند بدون نیاز به شارژ مجدد‌ یا تعویض برای هزاران سال دوام آورد. برخلاف باتری‌های موجود در بیشتر وسایل الکترونیکی مدرن که از واکنش‌های شیمیایی برق تولید می‌کنند، باتری بریستول ذراتی را جمع می‌کند که به‌وسیله‌ی الماس‌های رادیواکتیوی منتشر می‌شوند که می‌توانند از ضایعات هسته‌ای اصلاح‌شده ساخته شوند.

اوایل ماه جاری اسکات و همکارش نیل فاکس، شرکتی به‌نام آرکنلایت (Arkenlight) را تأسیس کردند تا باتری الماس هسته‌ای خود را تجاری‌سازی کنند. اگرچه این باتری که اندازه‌ی آن درحد ناخن دست است، هنوز در مرحله‌ی نمونه‌سازی قرار دارد، در‌مقایسه‌با باتری‌های هسته‌ای موجود پیشرفت‌هایی را در بازده و چگالی انرژی نشان می‌دهد. این شرکت قصد دارد اولین باتری‌های هسته‌ای تجاری خود را تا سال ۲۰۲۴ به بازار برساند.

_{نمونه اولیه‌ای از باتری بتاولتائیک الماس کربن ۱۴ شرکت آرکنلایت}

باتری‌های شیمیایی معمولی یا گالوانی مانند سلول‌های لیتیوم‌یون موجود در تلفن‌های هوشمند یا باتری‌های آلکالاین موجود در ریموت‌ها در فراهم کردن مقدار زیادی انرژی برای مدت زمان کوتاه عالی هستند. باتری لیتیوم‌یون فقط برای چند ساعت می‌تواند بدون شارژ مجدد کار کند و پس از چند سال بخش قابل‌توجهی از ظرفیت شارژ خود را از دست می‌دهد. درمقابل، عمل باتری‌های هسته‌ای یا سلول‌های بتاولتائیک (اشاره به ذرات بتا ساطع شده ناشی از واپاشی هسته‌ای) مبتنی‌بر تولید مقادیر کمی انرژی برای مدت زمان طولانی است. آن‌ها انرژی کافی برای تأمین انرژی یک تلفن هوشمند را فراهم نمی‌کنند؛ اما بسته به مواد هسته‌ای که در آن‌ها استفاده می‌شود، می‌توانند برای هزاران سال به‌طور مداوم اندکی انرژی برای دستگاه‌های کوچک فراهم کنند.

مورگان بوردمن مدیرعامل آرکنلایت می‌گوید: «آیا می‌توانیم انرژی مورد نیاز یک وسیله‌ی نقلیه‌ی برقی را تأمین کنیم؟ پاسخ منفی است. برای تأمین انرژی وسیله‌ای به این پرمصرفی، وزن باتری [هسته‌ای] به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از وزن خود وسیله‌ی نقلیه می‌شود.» درعوض، این شرکت به‌دنبال کاربردهایی است که در آن‌ها شارژ منظم باتری غیرممکن است؛ مانند حسگرهای موجود در مکان‌های دور یا خطرناک مثل مخازن پسماندهای هسته‌ای یا در ماهواره‌ها.

بوردمن به کاربردهای خانگی نیز فکر می‌کند: مانند استفاده از باتری‌های هسته‌ای برای ضربان‌سازها یا پوشیدنی‌ها. او آینده‌ای را متصور است که در آن مردم به‌جای روش کنونی، باتری‌ها را حفظ کرده و دستگاه‌های خود را عوض می‌کنند؛ درست برخلاف روش کنونی.

همان‌طور که انتظار می‌رود، شاید بسیاری از مردم تمایلی به نگه‌داری وسیله‌ای رادیواکتیو درکنار خود نداشته باشند. اما خطر سلامتی حاصل از بتاولتائیک‌ها با خطرات سلامتی تابلوهای «خروج» قابل مقایسه است که از ماده‌ی رادیواکتیوی به‌نام تریتیوم استفاده می‌کنند تا درخشش قرمز علامت خود را به‌دست آورند. برخلاف اشعه‌های گاما یا دیگر انواع خطرناک‌تر تابش، ذرات بتا را می‌توان با ایجاد مانعی به ضخامت چند میلی‌متر در مسیرشان متوقف کرد. لنس هوبارد دانشمند علم مواد می‌گوید: «معمولا فقط دیواره‌ی باتری برای توقف هرگونه انتشار کافی است. درون باتری، خیلی کم رادیواکتیو است که این امر موجب می‌شود آن‌ها برای انسان بی‌خطر باشند. علاوه‌بر‌این، وقتی باتری هسته‌ای خالی می‌شود، به‌حالت پایداری درمی‌آید که به‌معنای عدم پسماندهای هسته‌ای است.»

اولین بتاولتائیک‌ها در دهه‌ی ۱۹۷۰ به صحنه آمدند اما تا همین اواخر استفاده‌ی زیادی نداشتند. آن‌ها در ابتدا در ضربان‌سازها استفاده می‌شدند و درنهایت با انواع ارزان‌تر لیتیوم‌یون جایگزین شدند. امروزه رواج بالای وسایل الکترونیکی کم‌مصرف از دوران جدیدی برای باتری‌های هسته‌ای خبر می‌دهد. هوبارد می‌گوید: «این‌ها گزینه‌های انرژی عالی برای مقادیر بسیار کم انرژی هستند؛ ما درمورد میکرو وات یا حتی پیکو وات صحبت می‌کنیم. اینترنت اشیاء محرکی برای تجدید حیات این نوع منابع انرژی بود.»

یک سلول بتاولتائیک معمولی از لایه‌های نازک و ورقه‌مانندی از مواد رادیواکتیو تشکیل شده است که در میان نیمه‌رساناها پیچانده شده است. همان‌طور که مواد هسته‌ای به‌طور طبیعی تخریب می‌شوند، الکترون‌های پرانرژی یا پوزیترون‌ها که ذرات بتا نامیده می‌شوند، آزاد می‌شوند و موجب حرکت الکترون‌های آزاد ماده‌ی نیمه‌رسانا می‌شوند و جریان برق تولید می‌کنند. از‌این‌نظر، یک باتری هسته‌ای شبیه پنل خورشیدی است؛ با این تفاوت که نیمه‌رساناهای آن به‌جای فوتون، ذرات بتا را جذب می‌کنند.

همچنین مانند پنل‌های خورشیدی محدودیت شدیدی درمورد میزان انرژی که می‌تواند در یک باتری هسته‌ای جا داده شود، وجود دارد. هرچه منبع رادیواکتیو از نیمه‌رسانا دورتر باشد، چگالی انرژی آن‌ کاهش بیشتری پیدا می‌کند. بنابراین اگر ضخامت لایه‌های باتری بیش از چند میکرون باشد، از قدرت سلول کاسته می‌شود. علاوه‌براین، ذرات بتا به‌طور تصادفی در تمامی جهات منتشر می‌شود که بدان معنا است که تنها بخشی از آن‌ها به نیمه‌رسانا برخورد خواهند کرد و تنها بخشی از آن‌ها به الکتریسیته تبدیل خواهند شد.

هوبارد می‌گوید ازنظر مقدار تابشی که یک باتری هسته‌ای می‌تواند آن را به برق تبدیل کند، حداکثر مقدار ممکن حدود ۷ درصد است. این مقدار از حداکثر بازده تئوریکی باتری‌های هسته‌ای که حدود ۳۷ درصد است، فاصله‌ی زیادی دارد. اما این جایی است که نوعی ایزوتوپ رادیواکتیو به‌نام کربن ۱۴ ممکن است سودمند باشد. کربن ۱۴ بیشتر به‌خاطر نقشی که در تاریخ‌گذاری رادیوکربن دارد، شناخته شده است. این ایزوتوپ که به باستان‌شناسان اجازه می‌دهد قدمت اشیاء باستانی را تخمین بزنند، به‌علت اینکه هم به‌عنوان یک منبع رادیواکتیو و هم به‌عنوان نیمه‌رسانا عمل می‌کند، می‌تواند موجب تقویت باتری‌های هسته‌ای شود. کربن ۱۴ همچنین دارای نیمه‌عمر ۵۷۰۰ سال است که بدین معنا است که باتری هسته‌ای کربن ۱۴ می‌تواند به‌مدت نامحدود انرژی یک دستگاه الکترونیکی را تأمین کند.

_{یکی از باتری‌های ولتایی شرکت آرکنلایت که بتالایت (Betalight) نام دارد، با یک پکیج حسگر ادغام شده است. برخلاف سلول‌های کربن ۱۴، بتالایت یک باتری هسته‌ای ساندویچ معمولی است که با تریتیوم ساخته می‌شود.}

اسکات و همکارانش با گذراندن متان از پلاسمای هیدروژنی در رآکتور مخصوص، الماس مصنوعی کربن ۱۴ را پرورش می‌دهند. با یونیزه شده گازها، متان تجزیه می‌شود و کربن ۱۴ روی بستری در رآکتور جمع می‌شود و درون یک شبکه‌ی الماس شروع به رشد می‌کند. اما پژوهشگران به‌جای استفاده از الماس رادیواکتیو در یک پیکربندی باتری ساندویچ معمولی که در آن منبع هسته‌ای و نیمه‌رسانا، به‌صورت لایه‌های جداگانه‌ای هستند، روشی را برای انفوزیون مستقیم کربن ۱۴ به درون الماس آزمایشگاهی ابداع کردند. نتیجه‌ی این کار، الماس کریستالی با ساختاری یکپارچه است که فاصله‌ای را که ذرات بتا باید آن را طی‌کنند، به حداقل می‌رساند و بازده باتری هسته‌ای را حداکثر می‌کند. بوردمن می‌گوید: «تاکنون، منبع رادیواکتیو همیشه از دیودی که آن را دریافت می‌کند و به برق تبدیل می‌کند، جدا بوده است.»

کربن ۱۴ به‌طور طبیعی زمانی تشکیل می‌شود که اشعه‌های کیهانی به اتم‌های نیتروژن موجود در اتمسفر برخورد می‌کند اما به‌عنوان محصول جانبی در بلوک‌های گرافیتی که حاوی میله‌های کنترل رآکتور هسته‌ای هستند، نیز تولید می‌شود. این بلوک‌ها سرانجام به ضایعات هسته‌ای تبدیل می‌شوند.

سازمان انرژی اتمی بریتانیا اخیرا تریتیوم را که ایزوتوپ رادیواکتیو دیگری است که در باتری‌های هسته‌ای استفاده می‌شود، از ۳۵ تن بلوک گرافیتی بازیابی کرده است و گروه آرکنلایت درحال کار با این آژانس برای توسعه‌ی فرایند مشابهی برای بازیابی کربن ۱۴ از قطعات گرافیتی است.

اگر آرکنلایت موفق شود، ذخیره‌ی بی‌پایانی از مواد خام برای ایجاد باتری‌های هسته‌ای فراهم خواهد شد. طبق برآوردهای سازمان انرژی اتمی بریتانیا کمتر از ۱۰۰ پوند کربن ۱۴ برای ساخت میلیون‌ها باتری هسته‌ای کافی است. علاوه‌بر‌این، با حذف کربن ۱۴ رادیواکتیو از بلوک‌های گرافیتی، این ضایعات از ضایعات هسته‌ای سطح بالا به ضایعات هسته‌ای سطح پایین تبدیل می‌شوند که موجب می‌شود خطر کمتری داشته باشند.

آرکنلایت هنوز با استفاده از ضایعات هسته‌ای اصلاح‌شده سلول بتاولتائیکی نساخته است و بوردمن می‌گوید باتری الماس هسته‌ای این شرکت قبل از عرضه باید چندین سال در آزمایشگاه مورد پالایش و اصلاح قرار گیرد. اما در‌حال‌حاضراین فناوری توجه صنایع فضایی و هسته‌ای را به خود جلب کرده است.

بوردمن می‌گوید آرکنلایت اخیرا برای توسعه‌ی باتری‌های الماس برای برچسب‌های RFID ماهواره قراردادی با آژانس فضایی اروپا بسته است. این برچسب‌ها سیگنال رادیویی ضعیفی را برای شناسایی ماهواره به‌مدت هزاران سال منتشر خواهد کرد. البته چشم‌انداز آن‌ها در حد باتری‌های هسته‌ای نیست. آرکنلایت همچنین به‌دنبال توسعه‌ی سلول‌های گاماولتائیک است که اشعه‌های گامای ساطع‌شده از مخازن ضایعات هسته‌ای را جذب کرده و از آن‌ها برای تولید برق استفاده می‌کنند.

_{نمونه اولیه از باتری گاماولتائیک آرکنلایت که اشعه‌های گامای حاصل‌از مخازن ضایعات هسته‌ای را به برق تبدیل می‌کند}

آرکنلایت تنها شرکتی نیست که روی باتری‌های هسته‌ای کار می‌کند. شرکت‌های آمریکایی City Lab و Widetronix نیز چندین دهه است که روی توسعه‌ی تجاری سلول‌های بتاولتائیک کار می‌کنند. این شرکت‌ها روی باتری‌های هسته‌ای لایه‌ای معمولی‌تری کار می‌کنند که به‌عنوان منبع انرژی به‌جای الماس‌های کربن ۱۴ از تریتیوم استفاده می‌کنند.

مایکل اسپنسر مهندس برق دانشگاه کورنل و هم‌بنیان‌گذار Widetronix می‌گوید انتخاب مواد رادیواکتیو باید باتوجه‌به کاربرد آن‌ها صورت گیرد. برای مثال، کربن ۱۴ نسبت‌به تریتیوم ذرات بتای کمتری از خود خارج می‌کند اما نیمه‌عمر آن ۵۰۰ برابر بیشتر است. اگر به چیزی نیاز داشته باشید که لازم باشد برای همیشه پایدار بماند، این گزینه‌ی عالی است اما باتری‌های هسته‌ای باید نسبت‌به باتری‌های تریتیوم بزرگ‌تر باشند تا بتوانند همان مقدار انرژی را تأمین کنند.

اگرچه زمانی باتری‌های هسته‌ای یک فناوری حاشیه‌ای بودند، به‌نظر می‌رسد که اکنون آماده‌ی وارد شدن به جریان اصلی باشند. ما لزوما نیازی نداریم یا نمی‌خواهیم تمام وسایل الکترونیکی ما برای هزاران سال دوام داشته باشند. اما وقتی این کار را انجام دهیم، باتری خواهیم داشت که برای همیشه کار خواهد کرد.