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 để sử dụng trong các tàu thăm dò không gian và thiết bị khai thác ngầm.

Những loại pin này sử dụng kim cương tổng hợp để tạo ra điện khi đặt trong trường phóng xạ. Nếu bức xạ có thể được kiểm soát và chứa đựng bằng cách bọc những loại pin này trong nhôm hoặc các tấm kim loại khác, chúng có thể được đưa vào sử dụng thương mại một cách an toàn.

“Đây là một tinh thể tuyệt đẹp. Chúng ta có thể khai thác tiềm năng của kim cương”, Satoshi Koizumi, người đứng đầu nhóm Bán dẫn băng thông rộng tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản, cho biết.

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 biến thành chất bán dẫn. Nhóm nghiên cứu đã sản xuất ra một diode nối PN, một trong những thiết bị bán dẫn đơn giản nhất, bằng cách gắn một lớp kim cương mỏng vào một chất nền kim cương để tạo ra điện.

Pin kim cương, hay pin betavoltaic, tạo ra điện miễn là chúng ở trong trường phóng xạ nơi chúng có thể nhận được tia beta từ các đồng vị như carbon-14 và niken-63. Lý do những loại pin này tồn tại lâu như vậy là vì carbon-14 và niken-63 chỉ phân rã một nửa trong khoảng 5.700 năm và 100 năm.

Sử dụng silicon carbide (SiC), nhiều công ty Mỹ và các công ty khác đã đưa pin betavoltaic vào sử dụng thực tế. Mặc dù kim cương có tốc độ truyền nhiệt và silicon carbide cao hơn, nhưng việc sản xuất chất bán dẫn từ kim cương khó khăn hơn nhiều.

Pin kim cương do NIMS sản xuất là kết 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 truyền nhiệt của vật liệu là 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 electron trong các thiết bị như kính hiển vi điện tử thay vì tia beta để tạo ra điện, nhưng họ có kế hoạch sử dụng niken-63 từ bây giờ.

Một vấn đề lớn mà các nhà phát triển vẫn chưa giải quyết được là tăng hiệu suất của pin bằng cách tăng công suất đầu ra. Hiện tại, các loại pin này chỉ sản xuất điện trong phạm vi microwatt (μW – 1μW bằng một phần triệu watt).

Tuy nhiên, tiềm năng của pin sử dụng kim cương tổng hợp là rất lớn. Năm 2020, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh và Đại học Bristol cho biết họ đang nghiên cứu sử dụng carbon-14, một đồng vị có nhiều trên bề mặt than chì trong quá trình sản xuất điện hạt nhân và có thể thu được 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 thông tin chi tiết về kế hoạch còn ít, nhưng nếu thành công, nó có thể tạo ra điện trong hàng nghìn năm.

Pin hạt nhân bao gồm những loại pin 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 mà không có nguy cơ ô nhiễm là rất khó khăn.

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

Nhà nghiên cứu Koizumi của NIMS cho biết: “Chúng có thể hoạt động ngay cả ở nhiệt độ cao và có thể được sử dụng trong các tàu vũ trụ, máy thăm dò khoáng sản và các thiết bị khác”.

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

Tham khảo Nikkei