Các loại pin thông thường hiện nay cung cấp năng lượng cho đồng hồ, đèn chiếu sáng, đồ chơi và các thiết bị điện khác dựa trên phản ứng hóa học oxi hóa khử trong đó các electron (hay điện tử) được chuyển từ điện cực này sang điện cực khác thông qua chất điện phân. Các electron di chuyển để cân bằng điện thế sẽ tạo ra dòng điện. Các loại Pin hóa học đó được đặc trưng bởi mật độ năng lượng cao, tức là tỷ lệ giữa công suất của dòng điện được tạo ra và thể tích của pin. Tuy nhiên, phản ứng hóa học sinh điện trong thời gian tương đối ngắn đã hạn chế khả năng ứng dụng của pin trong các thiết bị tự động; đặc biệt là việc thay thế pin trong quá trình sử dụng. Điều này có thể gây nguy hiểm trong nhiều trường hợp như đối với máy điều hòa nhịp tim hay thiết bị cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ.
Năm 1913, Henry Moseley phát minh ra máy phát điện đầu tiên dựa trên sự phân rã phóng xạ. Pin hạt nhân của ông bao gồm một quả cầu thủy tinh được mạ bạc ở bên trong với một bộ phát radi gắn ở giữa trên một điện cực được cách ly. Các electron sinh ra từ sự phân rã beta của radi đã gây ra sự chênh lệch điện thế giữa màng bạc và điện cực trung tâm. Tuy nhiên, điện áp không tải của thiết bị ở mức quá cao (lên tới hàng chục kilovolt) và dòng điện lại quá thấp cho các ứng dụng trong thực tế. Năm 1953, Paul Rappaport đề xuất sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển năng lượng của phân rã beta thành điện năng. Các hạt beta (electron và positron) được phát ra bởi nguồn phóng xạ làm ion hóa các nguyên tử của chất bán dẫn, tạo ra các hạt mang điện không bù. Khi có trường tĩnh của cấu trúc p-n, các điện tích chạy theo một hướng, tạo ra dòng điện. Pin được cấp nguồn bằng phân rã beta được gọi là betavoltaics. Ưu điểm chính của betavoltaic so với các dạng sinh điện thông thường là tuổi thọ của chúng. Đồng vị phóng xạ được sử dụng trong pin hạt nhân có chu kỳ bán rã từ hàng chục đến hàng trăm năm, do đó công suất phát của chúng gần như không đổi trong một thời gian rất dài. Và từ những năm 1970, Betavoltaic đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy điều hòa nhịp tim, trước khi bị loại bỏ dần bởi pin lithium-ion rẻ hơn (dù loại pin này có tuổi thọ ngắn hơn).
Không nên nhầm lẫn nguồn năng lượng betavoltaic với máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ, hay RTG (pin hạt nhân), nhưng hoạt động theo nguyên tắc khác. Tế bào nhiệt điện chuyển đổi nhiệt lượng tỏa ra do phân rã phóng xạ thành điện năng bằng cách sử dụng cặp nhiệt điện. Hiệu suất của RTG chỉ vài phần trăm và phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhưng nhờ tuổi thọ cao và thiết kế tương đối đơn giản, các nguồn năng lượng nhiệt điện được sử dụng rộng rãi để cung cấp năng lượng cho các tàu vũ trụ như tàu thăm dò New Horizons và tàu thám hiểm sao Hỏa Curiosity. RTG trước đây được sử dụng trên các trạm từ xa không người vận hành như ngọn hải đăng và trạm thời tiết tự động. Tuy nhiên, ứng dụng này đã bị loại bỏ vì nhiên liệu phóng xạ đã qua sử dụng khó tái chế và có thể rò rỉ ra môi trường.
Nhóm nghiên cứu do Vladimir Blank, Viện trưởng Viện Công nghệ Vật liệu Carbon siêu cứng (TISNCM) và Trưởng Khoa Vật lý và Hóa học cấu trúc nano tại Viện Vật lý và Công nghệ (MIPT) dẫn đầu, đã nghĩ ra cách tăng mật độ năng lượng của pin hạt nhân lên gần gấp 10 lần. Các nhà vật lý đã phát triển và sản xuất pin betavoltaic sử dụng niken-63 làm nguồn bức xạ và điốt kim cương dựa trên rào chắn Schottky để chuyển đổi năng lượng. Pin nguyên mẫu đạt được công suất đầu ra khoảng 1 microwatt, trong khi mật độ năng lượng trên mỗi cm khối là 10 microwatt, đủ cho một máy điều hòa nhịp tim nhân tạo hiện đại. Niken-63 có chu kỳ bán rã 100 năm, do đó pin cung cấp năng lượng khoảng 3.300 miliwatt giờ trên 1 gram, gấp 10 lần so với pin điện hóa.
Nguyên mẫu pin hạt nhân bao gồm 200 bộ chuyển đổi kim cương được phủ niken-63 và các lớp lá niken ổn định. Lượng điện năng do bộ chuyển đổi tạo ra phụ thuộc vào độ dày của lá niken và bản thân bộ chuyển đổi, vì cả hai đều ảnh hưởng đến lượng hạt beta được hấp thụ. Các nguyên mẫu pin hạt nhân hiện có được tối ưu hóa kém vì chúng có dung lượng quá lớn. Nếu nguồn bức xạ beta quá dày, các electron mà nó phát ra không thể thoát khỏi nó. Hiệu ứng này được gọi là sự tự hấp thụ. Tuy nhiên, khi nguồn được làm mỏng hơn, số lượng nguyên tử trải qua quá trình phân rã beta trên một đơn vị thời gian sẽ giảm đi tương ứng. Nguyên lý tương tự áp dụng cho độ dày của bộ chuyển đổi. Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là tối đa hóa mật độ năng lượng của pin niken-63. Để làm được điều này, họ đã mô phỏng bằng số sự di chuyển của các electron qua nguồn beta và các bộ chuyển đổi. Hóa ra nguồn niken-63 hoạt động hiệu quả nhất khi dày 2 micromet và độ dày tối ưu của bộ chuyển đổi dựa trên điốt kim cương rào cản Schottky là khoảng 10 micromet.
Thách thức công nghệ chính là việc chế tạo một số lượng lớn các tế bào chuyển đổi kim cương có cấu trúc bên trong phức tạp. Mỗi bộ chuyển đổi chỉ dày khoảng hơn chục micromet. Các kỹ thuật cơ học và ion thông thường để làm mỏng kim cương không phù hợp với mục đích này. Các nhà nghiên cứu từ TISNCM và MIPT đã phát triển một công nghệ độc đáo để tổng hợp các tấm kim cương mỏng trên nền kim cương và tách chúng ra thành các bộ chuyển đổi siêu mỏng đưa vào sản xuất hàng loạt. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 20 tấm tinh thể kim cương dày pha tạp boron làm chất nền. Chúng được trồng bằng kỹ thuật gradient nhiệt độ dưới áp suất cao. Cấy ion được sử dụng để tạo ra một lớp dày 100 nanomet trong chất nền ở độ sâu khoảng 700 nanomet. Một màng kim cương pha tạp boron dày 15 micromet được đặt trên lớp này bằng cách lắng đọng hơi hóa học. Chất nền sau đó trải qua quá trình ủ ở nhiệt độ cao để tạo ra quá trình than chì hóa lớp khuyết tật bị chôn vùi và thu hồi lớp kim cương trên cùng. Khắc điện hóa được sử dụng để loại bỏ lớp bị hư hỏng. Sau khi tách lớp bị lỗi bằng cách khắc, bộ chuyển đổi bán thành phẩm được lắp các tiếp điểm ohmic và Schottky.
Khi các hoạt động được lặp lại, độ dày lớp nền bị mất đi không quá 1 micromet trong mỗi chu kỳ. Tổng cộng có 200 bộ chuyển đổi được trồng trên 20 chất nền. Công nghệ mới này rất quan trọng về mặt kinh tế, vì chất nền kim cương chất lượng cao rất đắt tiền và do đó việc sản xuất hàng loạt bộ chuyển đổi bằng cách làm mỏng chất nền là không khả thi. Tất cả các bộ chuyển đổi được kết nối song song thành một chồng. Công nghệ cán lá niken dày 2 micromet được phát triển tại Viện nghiên cứu và Hiệp hội khoa học công nghiệp LUCH. Pin được niêm phong bằng epoxy. Điện áp mạch hở và dòng điện ngắn mạch lần lượt là 1,02 volt và 1,27 microampe. Công suất đầu ra tối đa 0,93 microwatt đạt được ở mức 0,92 volt. Sản lượng điện này tương ứng với công suất riêng khoảng 3.300 milliwatt giờ/gram, gấp 10 lần so với pin hóa học thương mại hoặc pin hạt nhân niken-63 được thiết kế tại TISNCM trước đây.
Vào năm 2016, các nhà nghiên cứu Nga từ Đại học Khoa học và Công nghệ MISIS đã đưa ra một nguyên mẫu pin betavoltaic dựa trên niken-63. Một nguyên mẫu hoạt động khác, được tạo ra tại TISNCM và LUCH, đã được trình diễn tại Atomexpo 2017. Nó có thể tích hoạt động là 1,5 cm3. Trở ngại chính trong việc thương mại hóa pin hạt nhân ở Nga là thiếu cơ sở sản xuất và làm giàu niken-63. Tuy nhiên, có kế hoạch triển khai sản xuất niken-63 ở quy mô công nghiệp vào giữa những năm 2020. Có một đồng vị phóng xạ thay thế để sử dụng trong pin hạt nhân: Bộ chuyển đổi Dimond có thể được chế tạo bằng cách sử dụng carbon-14 phóng xạ, chất có chu kỳ bán rã cực kỳ dài 5.700 năm.
Ứng dụng này có triển vọng trong lĩnh vực y tế. Hầu hết các máy tạo nhịp tim hiện đại đều có kích thước trên 10 cm3 và cần khoảng 10 microwatt điện. Điều này có nghĩa là pin hạt nhân mới có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị này mà không có bất kỳ thay đổi đáng kể nào về thiết kế và kích thước của chúng. “Máy tạo nhịp tim vĩnh viễn” không cần thay pin hoặc bảo dưỡng sẽ cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân. Ngành công nghiệp vũ trụ cũng sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ pin hạt nhân nhỏ gọn. Đặc biệt, có nhu cầu về các cảm biến bên ngoài không dây tự động và chip nhớ có hệ thống cung cấp năng lượng tích hợp cho tàu vũ trụ. Kim cương là một trong những chất bán dẫn có khả năng chống bức xạ tốt nhất. Vì nó cũng có dải cấm lớn nên nó có thể hoạt động ở phạm vi nhiệt độ rộng, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho pin hạt nhân cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ.
Từ khóa: betavoltaic; hạt nhân; pin;
– CMD&DND –
