Pháp sư Trung Hoa phát triển pin hạt nhân carbon-14 hoạt động trong hàng nghìn năm
Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc vừa giới thiệu mẫu pin hạt nhân carbon-14 thế hệ mới, có kích thước nhỏ hơn nhưng cho công suất cao hơn bản tiền nhiệm.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Tây Bắc Trung Quốc, phối hợp với công ty công nghệ Gansu Zhulong Technology, đã công bố mẫu pin hạt nhân carbon-14 cùng bộ chuyển đổi silicon carbide, viết tắt là SiC. Nhóm phát triển cho biết thiết bị không sử dụng công nghệ hay linh kiện nước ngoài.
Mẫu pin mới có tên Qianjiyuan Tianshu, được xem là bước nâng cấp lớn so với nguyên mẫu Candle Dragon-I, còn gọi là Zhulong-1, từng được giới thiệu vào tháng 11/2024.
So với bản tiền nhiệm, mẫu pin mới chỉ dùng 22% lượng vật liệu phóng xạ, nhưng dòng ngắn mạch tăng 2,5 lần và công suất tối đa tăng 2,6 lần. Điện áp và độ ổn định vẫn được duy trì.
Thông tin từ Thể tích hiệu dụng của thiết bị cũng giảm xuống còn 17% so với trước, giúp mật độ công suất theo thể tích tăng khoảng 15,5 lần.
Pin hạt nhân carbon-14 hướng đến các ứng dụng cần nguồn điện siêu bền như thiết bị y tế cấy ghép, thám hiểm không gian, vùng biển sâu hoặc môi trường cực địa.
Pin hạt nhân carbon-14 hoạt động thế nào?
Loại pin hạt nhân này khác với lò phản ứng trong nhà máy điện hạt nhân. Thiết bị không tạo năng lượng bằng phản ứng phân hạch dây chuyền, mà khai thác năng lượng từ quá trình phân rã phóng xạ tự nhiên của các đồng vị như carbon-14 hoặc plutonium-238.
Carbon-14 có chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Về lý thuyết, điều này giúp pin có thể duy trì hoạt động trong thời gian rất dài, lên đến hàng nghìn năm.
Một số loại pin hạt nhân truyền thống dùng vật liệu nhiệt điện để biến nhiệt sinh ra từ phân rã phóng xạ thành điện. Cách làm này thường khiến thiết bị cồng kềnh và cần vận hành ở nhiệt độ cao.
Mẫu pin carbon-14 mới đi theo hướng khác. Khi carbon-14 phân rã, nó phát ra các hạt beta, thực chất là các electron tốc độ cao.
Những hạt này được dẫn vào chất bán dẫn silicon carbide, kích thích electron bên trong vật liệu và tạo ra dòng điện. Có thể hình dung thiết bị này giống một tấm pin mặt trời, nhưng thay vì dùng ánh sáng, nó dùng bức xạ để tạo điện.
Mẫu pin mới cải thiện công suất nhưng dùng ít vật liệu phóng xạ hơn
Qianjiyuan Tianshu có 5 nâng cấp chính so với nguyên mẫu trước đó. Thiết bị sử dụng hệ nguồn phóng xạ được tối ưu hơn, bộ chuyển đổi silicon carbide sản xuất trong nước, thiết kế xếp chồng ba chiều để tiết kiệm không gian, hệ thống quản lý vi năng thông minh, cùng cảm biến và truyền dữ liệu không dây để hỗ trợ vận hành tự cấp nguồn.
Mẫu pin có thể tích 16,8 cm³, sử dụng 129 millicurie carbon-14. Thiết bị tạo dòng ngắn mạch 0,713 microampere, điện áp hở mạch 2,06V, hệ số lấp đầy 0,77 và công suất đầu ra tối đa 1,13 microwatt.
Dù công suất ở mức rất nhỏ, đây là cột mốc quan trọng với những thiết bị cần nguồn điện bền, ổn định và khó thay pin trong thời gian dài.
Thông tin từ South China Morning Post, Nhóm phát triển cho biết pin có thể hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ từ âm 100°C đến 200°C, phù hợp với các môi trường khắc nghiệt như biển sâu, vùng cực, không gian, thiết bị quốc phòng hoặc thiết bị y tế cấy ghép.
Nguồn năng lượng bền bỉ trong lĩnh vực không gian, y tế và môi trường khắc nghiệt
Với công suất chỉ ở mức microwatt, loại pin này không được thiết kế để sạc điện thoại, máy tính hay các thiết bị tiêu dùng cần năng lượng lớn.
Giá trị của nó nằm ở khả năng cung cấp điện lâu dài cho các hệ thống tiêu thụ điện cực thấp, nơi việc thay pin gần như không khả thi hoặc rất tốn kém.
Hiện nay, pin hạt nhân chủ yếu được dùng trong các nhiệm vụ không gian sâu (Deep Space Exploration).
Một số ví dụ nổi bật gồm tàu thăm dò Voyager của NASA phóng năm 1977, xe tự hành Curiosity trên sao Hỏa năm 2012, cũng như các sứ mệnh Hằng Nga 3 và Hằng Nga 4 của Trung Quốc trên Mặt Trăng.
Với mẫu pin carbon-14 mới, nhóm nghiên cứu Trung Quốc kỳ vọng có thể mở rộng ứng dụng của nguồn điện siêu bền sang nhiều lĩnh vực hơn, từ y tế, công nghiệp đặc biệt đến thám hiểm trong môi trường khắc nghiệt.