Nguồn năng lượng được tạo ra để tồn tại lâu hơn nền văn minh
Hãy hình dung một thiết bị không bao giờ cần sạc. Suốt đời bạn cũng không phải sạc dù chỉ một lần. Con cái, cháu chắt, thậm chí chắt chít của bạn cũng vậy. Tầm nhìn này đã chuyển từ khoa học viễn tưởng thành hiện thực trong phòng thí nghiệm vào tháng 12 năm 2024, khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Bristol và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh (UKAEA) công bố một nguyên mẫu thách thức mọi giả định của chúng ta về lưu trữ năng lượng.
Nội dung
Pin kim cương carbon-14 tạo ra điện nhờ phân rã phóng xạ, với chu kỳ bán rã 5.700 năm. Điều đó có nghĩa là thiết bị vẫn giữ được một nửa công suất ban đầu sau gần sáu thiên niên kỷ, đủ lâu để bắc cầu giữa các nền văn minh cổ đại và công nghệ hiện đại. Khác với pin lithium-ion xuống cấp chỉ sau vài năm, hay thậm chí các tấm pin mặt trời cần ánh sáng, nguồn năng lượng này hoạt động liên tục, được niêm kín bên trong vật liệu tự nhiên cứng nhất được biết đến trên Trái Đất.
Giáo sư Tom Scott, Giáo sư ngành Vật liệu tại Đại học Bristol, dẫn dắt nhóm nghiên cứu đứng sau đổi mới này. Nhóm của ông đã dành nhiều năm phát triển các phương pháp biến vật liệu phóng xạ thành nguồn năng lượng hữu ích, và công trình đó culminates bằng thiết bị chứng minh khái niệm này, có thể định hình lại cách chúng ta nghĩ về việc cấp điện cho các thiết bị ở những môi trường khó tiếp cận. Thông báo này đánh dấu một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu vật liệu hạt nhân, cho thấy chất thải từ lò phản ứng phân hạch có thể trở thành tài sản thay vì gánh nặng.
Tuổi thọ của pin vượt xa quan niệm thông thường về lưu trữ năng lượng. Trong khi pin sạc hiện đại thường chỉ chịu được từ 500 đến 1.000 chu kỳ sạc trước khi xuống cấp đáng kể, thiết bị làm từ kim cương này vẫn có thể cung cấp năng lượng hữu ích khi những ghi chép lịch sử ngày nay đã phai mờ, chỉ còn là những điều kỳ thú khảo cổ. Vật lý nền tảng của quá trình phân rã carbon-14 mang lại độ tin cậy như đồng hồ, điều mà pin hóa học không thể sánh được.
Độ ổn định này khiến công nghệ đặc biệt có giá trị trong những ứng dụng không thể để xảy ra sự cố và cũng không thể bảo trì. Nguyên mẫu không chỉ là cải tiến từng bước trong hóa học pin, mà còn là cách hình dung lại căn bản về việc cấp điện cho thiết bị trong những khoảng thời gian tính bằng thế kỷ thay vì giờ.
Biến phân rã phóng xạ thành điện năng như thế nào
Để hiểu cách pin này hoạt động, hãy xem xét các nguyên lý đằng sau tấm pin mặt trời. Các tế bào quang điện truyền thống thu năng lượng từ những hạt ánh sáng gọi là photon rồi chuyển đổi thành điện năng. Pin kim cương hoạt động theo nguyên lý tương tự, gọi là hiệu ứng beta-voltaic, nhưng thay vì thu ánh sáng mặt trời, pin thu các electron chuyển động nhanh được giải phóng khi nguyên tử carbon-14 phân rã.
Carbon-14 là đồng vị phóng xạ nổi tiếng trong ngành khảo cổ học, nơi các nhà khoa học dựa vào tốc độ phân rã có thể dự đoán của nó để định tuổi các vật liệu hữu cơ cổ đại. Khi phân rã, đồng vị này phát ra bức xạ beta tầm ngắn, giải phóng các electron năng lượng cao. Trong pin kim cương, carbon-14 được nhúng trong các lớp kim cương tổng hợp. Khi đồng vị phân rã, nó phát ra các hạt beta mà đặc tính bán dẫn của kim cương chuyển thành dòng điện.
Cấu trúc kim cương có hai công dụng: vừa tạo ra điện năng, vừa đóng vai trò lá chắn bức xạ không thể xuyên qua. Vì carbon-14 chỉ phát ra bức xạ tầm ngắn, lớp vỏ kim cương hấp thụ toàn bộ lượng phát xạ có thể gây hại ngay bên trong. Trong điều kiện hoạt động bình thường, thiết bị không để bức xạ thoát ra ngoài, nên an toàn cho các thiết bị cấy ghép y tế và ứng dụng tiêu dùng.
Sarah Clark, Giám đốc Chu trình nhiên liệu tritium tại UKAEA, giải thích cơ chế an toàn của công nghệ này.
Pin kim cương là giải pháp an toàn, bền vững để cung cấp điện liên tục ở mức microwatt. Đây là công nghệ mới nổi, sử dụng kim cương nhân tạo để bao bọc an toàn một lượng nhỏ carbon-14.
Nguyên mẫu pin có kích thước khoảng 10 mm x 10 mm, dày tối đa 0,5 mm. Kiểu dáng nhỏ gọn này cung cấp điện liên tục ở mức microwatt, đủ cho các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng nhưng thấp hơn nhiều so với nhu cầu của điện thoại thông minh hay xe điện.
Biến chất thải hạt nhân thành năng lượng
Có lẽ khía cạnh hấp dẫn nhất của công nghệ này nằm ở nguyên liệu đầu vào. Carbon-14 dùng trong pin được thu hồi từ các khối graphite lấy ra khỏi lò phản ứng phân hạch hạt nhân; nếu không, vật liệu này sẽ phải được lưu trữ lâu dài với chi phí cao dưới dạng chất thải phóng xạ. Chỉ riêng Vương quốc Anh đã có khoảng 95.000 tấn khối graphite như vậy, vừa là thách thức về lưu trữ, vừa là nguồn tài nguyên chưa được khai thác.
Bằng cách tách carbon-14 khỏi graphite trong lò phản ứng, các nhà khoa học đồng thời giảm lượng chất thải hạt nhân và tạo ra một nguồn năng lượng có giá trị. Quy trình này đưa vật liệu phóng xạ vào bên trong kim cương tổng hợp được tạo ra bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma. Các kỹ sư tại cơ sở Culham của UKAEA đã chế tạo một hệ thống lắng đọng plasma chuyên dụng để tạo chính xác các lớp kim cương này, cố định an toàn vật liệu phóng xạ bên trong đồng thời tối đa hóa khả năng thu năng lượng.
Kỹ thuật chế tạo này bắt nguồn trực tiếp từ nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch. Chuyên môn của UKAEA về xử lý vật liệu phóng xạ, lắng đọng plasma và chế tạo chất bán dẫn chuyên dụng, vốn được phát triển cho các lò phản ứng tokamak, đã được ứng dụng vào dự án pin kim cương. Sự hợp tác này cho thấy đầu tư vào nghiên cứu vật lý cơ bản có thể mang lại những ứng dụng thực tiễn không ngờ.
Giáo sư Neil Fox, Giáo sư ngành Vật liệu cho Năng lượng tại Đại học Bristol, nhấn mạnh khả năng bảo vệ của lớp vỏ kim cương.
Kim cương là chất cứng nhất mà con người biết đến; theo đúng nghĩa đen, không có vật liệu nào khác có thể bảo vệ tốt hơn.
Khi pin cuối cùng hết thời gian sử dụng, nhà sản xuất có thể tiếp nhận để tái chế hoặc thải bỏ có kiểm soát. Carbon-14 vẫn được bọc kín an toàn trong suốt vòng đời của pin, đáp ứng cả nhu cầu năng lượng lẫn các mối quan ngại về môi trường. Một gram carbon-14 có thể cung cấp 15 joule điện mỗi ngày, tồn tại lâu hơn pin thông thường hàng thế kỷ.
Ứng dụng coi trọng tuổi thọ hơn công suất
Pin kim cương cung cấp điện ở mức microwatt, thấp hơn nhiều so với nhu cầu của điện thoại thông minh hay xe điện. Tuy nhiên, hạn chế này lại trở thành lợi thế trong một số bối cảnh cụ thể, nơi tuổi thọ và độ tin cậy quan trọng hơn công suất thô. Công nghệ phát huy hiệu quả ở những môi trường mà việc thay pin nguy hiểm, tốn kém hoặc bất khả thi.
Thiết bị cấy ghép y tế là một trong những lĩnh vực triển vọng nhất. Máy tạo nhịp tim, máy trợ thính và thiết bị cấy ghép mắt hiện nay phụ thuộc vào pin truyền thống, cần được thay bằng phẫu thuật sau mỗi 5 đến 10 năm. Mỗi ca phẫu thuật thay pin đều tiềm ẩn nguy cơ nhiễm trùng, biến chứng và cần thời gian hồi phục. Pin kim cương có thể cấp điện cho các thiết bị này suốt đời bệnh nhân, loại bỏ các ca phẫu thuật lặp lại và giảm chi phí y tế. Với bệnh nhân ở vùng sâu vùng xa, nơi khó tiếp cận cơ sở y tế, tuổi thọ pin như vậy có thể thay đổi cuộc sống.
Khám phá không gian là một lĩnh vực phù hợp khác. Các tàu thăm dò không gian sâu và vệ tinh cuối cùng sẽ mất liên lạc khi tấm pin mặt trời không còn thu đủ ánh sáng hoặc pin thông thường cạn năng lượng. Voyager 1, vật thể do con người chế tạo ở xa Trái Đất nhất, dựa vào pin hạt nhân truyền thống có tuổi thọ hạn chế. Nguồn năng lượng carbon-14 có thể duy trì các thiết bị đo đạc và hệ thống liên lạc trong nhiều thập kỷ hoặc thế kỷ, mở ra khả năng thực hiện các sứ mệnh vượt xa giới hạn công nghệ hiện nay.
Các thẻ tần số vô tuyến trên tàu vũ trụ hoặc tải trọng có thể được theo dõi trong hàng nghìn năm, giúp giảm chi phí vận hành đồng thời kéo dài thời gian hoạt động của sứ mệnh. Pin hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ khắc nghiệt từ âm 60 đến dương 120 độ C mà không tự phóng điện, nên rất phù hợp với môi trường khắc nghiệt.
Các ứng dụng ở vùng sâu vùng xa trên Trái Đất gồm trạm quan trắc Bắc Cực, cảm biến dưới biển phục vụ hạ tầng dầu khí và thiết bị an ninh tại những nơi khó tiếp cận. Bất kỳ hệ thống nào cần hoạt động liên tục hàng chục năm mà không có người giám sát đều có thể ứng dụng công nghệ này. Các thẻ tần số vô tuyến chủ động có thể nhận diện và theo dõi thiết bị trên Trái Đất hoặc trong không gian suốt nhiều thập kỷ, qua đó giảm chi phí và kéo dài thời gian hoạt động.
Cuộc đua toàn cầu phát triển pin nguyên tử
Đại học Bristol và UKAEA thu hút sự chú ý với nguyên mẫu carbon-14 đầu tiên, nhưng họ không phải là những đơn vị duy nhất theo đuổi pin hạt nhân. Công nghệ này đã châm ngòi cho cuộc cạnh tranh quốc tế, khi các nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc, Mỹ và châu Âu chạy đua thương mại hóa những thiết bị tương tự, sử dụng các đồng vị phóng xạ khác nhau.
Beijing Betavolt New Energy Technology của Trung Quốc công bố thiết kế cạnh tranh sử dụng nickel-63 thay vì carbon-14. Pin BV100 của công ty, ra mắt đầu năm 2024, có kích thước 15 mm x 15 mm x 5 mm, tạo ra công suất 100 microwatt ở điện áp 3 volt. Cách tiếp cận dùng nickel-63 này có tuổi thọ 50 năm, ngắn hơn đáng kể so với carbon-14, nhưng Betavolt dự định ra mắt phiên bản công suất một watt vào cuối năm nay. Phiên bản này có thể cấp điện cho thiết bị điện tử tiêu dùng thông qua kết nối nối tiếp.
Công ty Infinity Power có trụ sở tại California cũng tham gia cuộc đua vào năm 2024, phát triển pin cúc áo nickel-63 theo hướng tương tự Betavolt. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk ở Hàn Quốc đã thử nghiệm các tế bào beta-voltaic sử dụng nhiều đồng vị phóng xạ khác nhau, trong đó có đồng vị carbon và hydro.
Nhóm Bristol giữ lợi thế riêng về tuổi thọ cho một số ứng dụng nhất định. Pin nickel-63 có thể hoạt động hàng chục năm, phù hợp với thiết bị điện tử tiêu dùng, còn chu kỳ bán rã 5.700 năm của carbon-14 mang lại giá trị khác biệt về căn bản cho các ứng dụng kéo dài cực lâu, không thể bảo trì. Giáo sư Scott thành lập Arkenlight, một doanh nghiệp thương mại, để phát triển quan hệ đối tác công nghiệp và đánh giá cơ hội thị trường cho công nghệ carbon-14.
Cách tiếp cận của Trung Quốc tập trung vào thương mại hóa trong ngắn hạn cho ngành hàng không vũ trụ, thiết bị trí tuệ nhân tạo và robot siêu nhỏ, trong khi nhóm của Anh chú trọng thiết bị y tế và ứng dụng không gian sâu cần tuổi thọ cực cao. Cả hai đều hướng đến mục tiêu loại bỏ việc bảo trì và thay pin trong các hệ thống trọng yếu.
Thách thức trên con đường thương mại hóa
Vẫn còn nhiều trở ngại đáng kể trước khi pin kim cương xuất hiện trong thiết bị y tế hay tàu vũ trụ. Nguyên liệu khí để tạo kim cương carbon-14 tinh khiết có giá khoảng 46.000 USD mỗi lít, khiến việc mở rộng quy mô trở thành bài toán kinh tế khó khăn. Quy trình sản xuất cần các lò phản ứng lắng đọng hơi hóa học dòng tĩnh chuyên dụng, được lắp đặt trong cơ sở xử lý vật liệu phóng xạ, qua đó hạn chế năng lực sản xuất.
Quy trình phê duyệt cũng là một rào cản phức tạp khác. Dù lớp vỏ kim cương tự khép kín giúp chứng nhận an toàn đơn giản hơn so với các công nghệ hạt nhân khác, mọi thiết bị chứa vật liệu phóng xạ đều cần trải qua quá trình kiểm tra và giám sát nghiêm ngặt. Ứng dụng y tế phải đáp ứng những yêu cầu đặc biệt khắt khe để bảo đảm an toàn cho bệnh nhân trong nhiều thập kỷ cấy ghép.
Nhận thức của công chúng cũng ảnh hưởng đến triển vọng ứng dụng. Dù carbon-14 được bọc kín an toàn về mặt kỹ thuật, từ "phóng xạ" vẫn mang định kiến có thể cản trở sự chấp nhận trên thị trường tiêu dùng. Việc truyền đạt minh bạch về cơ chế ngăn phát xạ và độ an toàn bức xạ sẽ rất cần thiết để công nghệ được ứng dụng rộng rãi.
Giáo sư Scott vẫn lạc quan rằng có thể vượt qua những thách thức này nhờ tiếp tục nghiên cứu. Ông phác thảo lộ trình phát triển trong thập kỷ tới.
Công nghệ vi năng lượng của chúng tôi có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng quan trọng, từ công nghệ không gian và thiết bị an ninh đến thiết bị cấy ghép y tế. Chúng tôi rất hào hứng được khám phá tất cả những khả năng này trong vài năm tới, cùng với các đối tác trong ngành và lĩnh vực nghiên cứu. Chúng tôi muốn dùng công nghệ này để thúc đẩy sự tiến bộ của nhân loại.
Thập kỷ tới sẽ tập trung vào việc mở rộng sản xuất và cải thiện công suất. Nếu mở rộng quy trình sản xuất thành công, chi phí có thể giảm và công nghệ sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn, vượt ra ngoài các lĩnh vực chuyên biệt như y tế và hàng không vũ trụ.
Những điểm chính
- Tháng 12 năm 2024, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bristol và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh tạo ra pin kim cương carbon-14 đầu tiên trên thế giới
- Pin khai thác quá trình phân rã phóng xạ của carbon-14, với chu kỳ bán rã 5.700 năm, để cung cấp điện liên tục ở mức microwatt trong hàng thiên niên kỷ
- Carbon-14 được thu hồi từ các khối graphite trong lò phản ứng hạt nhân, biến chất thải phóng xạ thành nguồn năng lượng được niêm kín
- Kim cương tổng hợp vừa là chất bán dẫn, vừa là lá chắn bức xạ, hấp thụ toàn bộ hạt phát ra trong khi tạo điện
- Các ứng dụng gồm thiết bị cấy ghép y tế (máy tạo nhịp tim, máy trợ thính), tàu thăm dò không gian sâu, cảm biến ở vùng xa và thẻ theo dõi bằng tần số vô tuyến
- Các công nghệ cạnh tranh của Trung Quốc (Betavolt) và Mỹ sử dụng nickel-63, có tuổi thọ ngắn hơn nhưng tiến gần thương mại hóa hơn
- Đưa sản phẩm ra thị trường cần mở rộng quy trình sản xuất và được cơ quan quản lý phê duyệt; hiện chi phí nguyên liệu khí đầu vào là 46.000 USD mỗi lít
