Tiềm năng lớn từ pin kim cương, hứa hẹn có thể tạo ra nguồn điện đủ dùng cho cả 100 năm

Pin kim cương có khả năng tạo ra điện trong 100 năm đang được xem xét sử dụng trong các tàu thăm dò không gian và các thiết bị khai thác hầm lò.

Những viên pin này sử dụng kim cương nhân tạo để sản sinh ra điện khi đặt trong trường phóng xạ. Nếu có thể kiểm soát và ngăn chặn sự phóng xạ bằng cách bọc những viên pin này trong nhôm hoặc các tấm kim loại khác, chúng có thể đưa vào sử dụng thương mại một cách an toàn.

Satoshi Koizumi, người dẫn đầu nhomd Wide Bandgap Semiconductor tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản cho biết: “Đây là một tinh thể tuyệt đẹp. Chúng tôi có thể khai thác tiềm năng của kim cương”.

Là một trong những chất cứng nhất trên thế giới, kim cương được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và thậm chí có thể được biến đổi thành chất bán dẫn. Nhóm đã sản xuất một diode tiếp giáp P-N, 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.

Pin kim cương, hoặc pin betavoltaic tạo ra điện miễn là chúng ở trong trường phóng xạ, nơi chúng có thể nhận tia beta từ các đồng vị như carbon-14 và niken-63. Sở dĩ loại pin này có tuổi thọ cao như vậy vì carbon-14 và niken-63 chỉ phân hủy một nửa tương ứng trong khoảng 5.700 năm và 100 năm.

Bằng cách sử dụng silic cacbua (SiC), nhiều công ty Mỹ và các công ty khác đã đưa pin betavoltaic vào thực tế. Mặc dù kim cương có tỷ lệ trao đổi nhiệt và silic cacbua cao hơn nhưng việc sản xuất chất bán dẫn từ kim cương khó hơn nhiều.

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 Nhật Bản đã tích lũy từ những năm 1990. Tỷ lệ trao đổi nhiệt của vật liệu rơi vào 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 các electron trong các thiết bị như kính hiển vi điện tử thay vì tia beta để sản xuất điện nhưng họ có kế hoạch sẽ sử dụng niken-63 từ bây giờ.

Một vấn đề lớn mà các nhà phát triển vẫn chưa giải quyết được là tăng tính hiệu quả của pin bằng cách tăng sản lượng điện. Hiện tại, những viên pin này chỉ tạo ra điện năng ở ngưỡng microwatt (μW – 1μW bằng một phần triệu W).

Mặc dù vậy, tiềm năng của pin sử dụng chất liệu kim cương nhân tạo rất lớn. Vào năm 2020, Cơ quan năng lượng nguyên tử Vương quốc Anh và Đại học Bristol cho biết, họ đang nghiên cứu sử dụng carbon-14, đồng vị thường tồn tại rất nhiều trên bề mặt than chì trong quá trình sản xuất điện hạt nhân. Người ta có thể thu được chúng khi các nhà máy điện hạt nhân bị tháo dỡ.

Vương quốc Anh đang xem xét sản xuất pin kim cương từ việc tháo dỡ các nhà máy này. Mặc dù không có thông tin chi tiết về kế hoạch nhưng nếu thành công, nó sẽ có thể tạo ra điện trong hàng ngàn năm.

Pin hạt nhân bao gồm loại sử dụng nhiệt từ nguyên tố phóng xạ plutonium. Những loại pin như vậy thường được lắp đặt trong các tàu thăm dò không gian. Mặc dù chúng tạo ra một lượng điện tương đối lớn nhưng việc xử lý plutonium để tránh nguy cơ nhiễm độc rất khó.

Ngược lại, pin kim cương có khả năng chịu nhiệt cao, có cấu tạo đơn giản và an toàn hơn.

Nhà nghiên cứu Koizumi đến từ NIMS cho biết: “Chúng có thể hoạt động ngay cả ở nhiệt độ cao và việc sử dụng chúng trong các thiết bị vũ trụ và máy thăm dò khoáng sản và các thiết bị khác là điều có thể thực hiện được”.

Nghiên cứu về pin kim cương mở ra cơ hội lớn cho ngành công nghiệp năng lượng và vũ trụ trong tương lai.

Tham khảo Nikkei