Şarj etmeye gerek bırakmayan nükleer batarya geliştirildi

Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden (DGIST) Profesör Su-Il In liderliğindeki bir araştırma grubu, şarj gerektirmeden onlarca yıl boyunca küçük cihazları çalıştırabilecek yeni bir nükleer batarya türü olan perovskit betavoltaik hücre (PBC) geliştirdi. Ekip, kararsız bir karbon formu olan karbon-14’ü (radyoaktif karbon) perovskit malzemelerle birleştirerek enerji dönüşümünü ve uzun vadeli stabiliteyi artıran hibrit bir batarya oluşturdu.

Yeni batarya, elektrotlar olarak radyoaktif karbon-14 nanoparçacıkları ve kuantum noktalarını (14CNP/CQD) kullanıyor. Bunlar, metilamonyum klorür (MACl) ve sezyum klorür (CsCl) olmak üzere çift klor bazlı katkı maddeleriyle işlenmiş bir perovskit filmle birlikte cihaza entegre edildi. Bu katkı maddeleri, perovskit kristal yapısını güçlendirerek onu daha kararlı hale getirdi ve elektrik yüklerini iletme yeteneğini artırdı. Önceki tasarımlara kıyasla, ekip yaklaşık 56.000 kat daha yüksek elektron hareketliliği kaydetti ve testlerde maksimum dokuz saat kesintisiz çalışmayı başardı.

Araştırmacılar, “Bu çalışma, perovskitin betavoltaik hücreye ilk kez başarıyla entegre edilmesini temsil ediyor ve perovskit betavoltaik hücrelerinin öncüsü konumunda.” dedi.

Betavoltaik hücreler, radyoaktif bozunma sırasında yayılan beta parçacıklarını elektriğe çevirerek çalışıyor. Beta ışınları insan derisini geçemediğinden ve alüminyum gibi malzemeler tarafından engellenebildiğinden bu teknoloji biyolojik açıdan güvenli kabul ediliyor. Profesör In, “Yalnızca beta ışınları yayan radyoaktif bir karbon izotopu kullanmaya karar verdim.” dedi.

Karbon-14 aynı zamanda nükleer reaktörlerin yan ürünü olduğundan ucuz, yaygın bulunabilir ve geri dönüştürülebilir. Çok yavaş bozunduğu için yüzlerce hatta binlerce yıl boyunca cihazlara enerji sağlayabiliyor.

Enerji dönüşüm verimliliğini artırmak için ekip, genellikle güneş pillerinde bulunan titanyum dioksit yarı iletkenini kullandı ve onu rutenyum bazlı bir boya ile geliştirdi. Boya ile titanyum dioksit arasındaki bağ, sitrik asit işlemiyle güçlendirildi. Radyoaktif karbonun beta ışınları boyaya çarptığında, elektron zincir reaksiyonlarını tetikleyen bir çığ etkisi oluşturdu. Bu elektronlar daha sonra titanyum dioksite yakalanarak bir devre aracılığıyla elektrik akımına dönüştürüldü.

Batarya ayrıca anot ve katotta da radyoaktif karbon kullanılarak tasarlandı; bu, beta radyasyonunu artırarak mesafe kaynaklı enerji kaybını azalttı. Bu yaklaşım sayesinde enerji dönüşüm verimliliği önceki modellerdeki %0,48 seviyesinden %2,86’ya yükseldi.

Yine de sistem, radyoaktif enerjiyi elektriğe yalnızca küçük bir oranda çevirdiğinden çıkış gücü standart lityum-iyon bataryalara kıyasla düşük kalıyor. Profesör In, beta yayıcının şeklini geliştirmek ve daha iyi emiciler bulmakla çıkış gücünün daha da artırılabileceğini belirtiyor.

Profesör In, “Bu araştırma, betavoltaik hücrelerin pratik olarak uygulanabilirliğinin dünyadaki ilk kanıtıdır. Aşırı koşullar için yeni nesil güç kaynaklarının ticarileştirilmesini hızlandırmayı ve daha fazla minyatürleştirmeyi, teknoloji transferini hedefliyoruz.” dedi.

Doktora öğrencisi Junho Lee ise şunları ekledi: “Bu araştırma günlük zorluklar barındırsa ve zaman zaman imkansız gibi görünse de, ülkemizin enerji güvenliğiyle doğrudan bağlantılı olduğunun bilinciyle güçlü bir görev duygusuyla çalışıyoruz.”

Ekip, bu radyoaktif karbonla çalışan bataryaların geliştirilmesiyle kalp pilleri, uzay sondaları ve insansız hava araçları gibi pek çok alanda kullanılabileceğini düşünüyor. In, “Güvenli nükleer enerjiyi parmak büyüklüğündeki cihazlara koyabiliriz.” ifadelerini kullandı.