Các nhà nghiên cứu đang cân nhắc sử dụng carbon phóng xạ như một nguồn nhiêu liệu cho pin hạt nhân nhỏ an toàn và giá rẻ có thể tồn tại hàng thập kỷ hoặc lâu hơn mà không cần sạc. Su-il In, giáo sư ở Viện Khoa học & Công nghệ Daegu Gyeongbuk, trình bày kết quả nghiên cứu tại cuộc họp mùa xuân của Hiệp hội Hóa học Mỹ (ACS) diễn ra từ ngày 23 đến 27/3, theo Phys.org.

Đôi khi, điện thoại di động cạn pin nhanh hơn dự kiến hoặc xe điện không sạc đủ để chạy tới điểm đến. Pin lithium-ion (Li-ion) sạc nhiều lần ở những thiết bị này thường chỉ duy trì vài giờ hoặc vài ngày giữa mỗi lần sạc. Tuy nhiên, sau khi nhiều lần sử dụng, pin xuống cấp và cần sạc lại thường xuyên hơn. Điều này hạn chế sự hữu dụng của những công nghệ sử dụng pin Li-ion để cung cấp điện như drone và thiết bị cảm biến từ xa. Loại pin này cũng có hại cho môi trường. Khai thác lithium tiêu tốn nhiều năng lượng và pin Li-ion thải ra có thể làm ô nhiễm hệ sinh thái.

Với sự phổ biến ngày càng tăng của các phương tiện kết nối, trung tâm dữ liệu và nhiều công nghệ máy tính khác, nhu cầu đối với pin tồn tại lâu cũng lớn hơn. Theo In, chuyên gia nghiên cứu công nghệ năng lượng tương lai, hiệu suất của pin Li-ion cũng gần như bão hòa. Vì vậy, In và đồng nghiệp đang phát triển pin hạt nhân như một giải pháp thay thế pin lithium.

Pin hạt nhân tạo ra điện bằng cách khai thác hạt năng lượng cao phát ra bởi vật liệu phóng xạ. Không phải mọi nguyên tố phóng xạ đều phát ra phóng xạ gây hại cho tổ chức sống, một số phóng xạ có thể ngăn chặn bằng vật liệu. Ví dụ, hạt beta (hay tia beta) có thể bị chắn bởi tấm nhôm mỏng, biến pin betavoltaic thành lựa chọn an toàn cho pin hạt nhân.

Nhóm nghiên cứu tạo ra một nguyên mẫu pin betavoltaic với carbon-14, một dạng phóng xạ kém ổn định của carbon, gọi là carbon phóng xạ. In quyết định sử dụng đồng vị phóng xạ của carbon bởi nó chỉ tạo ra tia beta. Ngoài ra, là phụ phẩm của nhà máy điện hạt nhân, carbon phóng xạ không đắt đỏ, có sẵn và dễ tái chế. Do carbon phóng xạ phân rã rất chậm, về lý thuyết, pin hoạt động bằng carbon phóng xạ có thể tồn tại cả thiên niên kỷ.

Trong pin betavoltaic thông thường, electron va đập vào chất bán dẫn, tạo ra điện. Chất bán dẫn là bộ phận chủ chốt trong pin betavoltaic, bởi chúng chịu trách nhiệm cơ bản cho biến đổi năng lượng. Do đó, các nhà khoa học khám phá những vật liệu bán dẫn cao cấp để đạt hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn, thước đo một loại pin có thể biến đổi electron thành điện khả dụng hiệu quả tới mức nào.

Để cải thiện đáng kể hiệu suất biến đổi năng lượng của thiết kế mới, In và đồng nghiệp sử dụng chất bán dẫn dựa trên titan dioxide, một vật liệu sử dụng phổ biến trong pin quang điện, cực nhạy với thuốc nhuộm ruthenium. Họ củng cố liên kết giữa titan dioxide và thuốc nhuộm thông qua xử lý bằng axit citric. Khi tia beta từ carbon phóng xạ va chạm với thuốc nhuộm ruthenium đã xử lý, một loạt phản ứng chuyển đổi electron diễn ra, gọi là thác điện tử. Thác điện tử di chuyển qua thuốc nhuộm và titan dioxide thu thập hiệu quả electron tạo ra.

Loại pin mới cũng chứa carbon phóng xạ ở cực dương nhạy cảm với thuốc nhuộm và cực âm. Bằng cách xử lý cả hai điện cực với đồng vị phóng xạ, nhóm nghiên cứu tăng lượng tia beta tạo ra và giảm thất thoát năng lượng bức xạ beta liên quan tới khoảng cách giữa hai cấu trúc.

Trong khi thử nghiệm nguyên mẫu pin, nhóm nghiên cứu nhận thấy tia beta giải phóng từ carbon phóng xạ ở cả hai điện cực kích thích thuốc nhuộm ruthenium ở cực dương sản sinh thác điện tử, được thu thập bởi lớp titan dioxide và truyền qua mạch ngoài, cung cấp điện khả dụng.

So sánh với thiết kế trước đây chỉ chứa carbon phóng xạ ở cực âm, loại pin mới có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn nhiều, tăng từ 0,48% lên 2,86%. Loại pin hạt nhân tồn tại lâu bền này có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng, ví dụ máy tạo nhịp tim hoạt động cả đời, loại bỏ nhu cầu phẫu thuật thay thế. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tối ưu hóa phát sinh và hấp thụ tia beta, qua đó tăng cường hiệu suất của pin.

Theo vnexpress.net