Μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Daegu Gyeongbuk (DGIST), με επικεφαλής τον καθηγητή Su-Il In, ανέπτυξε έναν νέο τύπο πυρηνικής μπαταρίας που ονομάζεται περοβσκιτικό βήταβολταϊκό κύτταρο (PBC), το οποίο θα μπορούσε να τροφοδοτεί μικρές συσκευές για δεκαετίες χωρίς την ανάγκη επαναφόρτισης. Η ομάδα χρησιμοποίησε άνθρακα-14 - μια ασταθή μορφή άνθρακα γνωστή ως ραδιενεργός άνθρακας - και τον συνδύασε με υλικά περοβσκίτη για να δημιουργήσει μια υβριδική μπαταρία με βελτιωμένη μετατροπή ενέργειας και μακροπρόθεσμη σταθερότητα.
Η νέα μπαταρία χρησιμοποιεί ραδιενεργά νανοσωματίδια άνθρακα-14 και κβαντικές κουκκίδες (14CNP/CQD) ως ηλεκτρόδια. Αυτά ενσωματώθηκαν στη συσκευή μαζί με μια μεμβράνη περοβσκίτη επεξεργασμένη με διπλά πρόσθετα με βάση το χλώριο: χλωριούχο μεθυλαμμώνιο (MACl) και χλωριούχο καίσιο (CsCl). Αυτά τα πρόσθετα βοήθησαν στην ενίσχυση της κρυσταλλικής δομής του περοβσκίτη, καθιστώντας τον πιο σταθερό και καλύτερο στη μετακίνηση ηλεκτρικών φορτίων. Σε σύγκριση με παλαιότερα σχέδια, η ομάδα κατέγραψε περίπου 56.000 φορές βελτίωση στην κινητικότητα των ηλεκτρονίων και μέγιστη συνεχή λειτουργία εννέα ωρών κατά τη διάρκεια των δοκιμών.
«Αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει την πρώτη επιτυχημένη ενσωμάτωση περοβσκίτη σε ένα βήταβολταϊκό κύτταρο, πρωτοπορώντας στα βήταβολταϊκά κύτταρα περοβσκίτη», δήλωσαν οι ερευνητές.
Τα βήταβολταϊκά κύτταρα λειτουργούν μετατρέποντας τα σωματίδια βήτα —που εκπέμπονται κατά τη ραδιενεργό διάσπαση— σε ηλεκτρισμό. Δεδομένου ότι οι ακτίνες βήτα δεν μπορούν να διαπεράσουν το ανθρώπινο δέρμα και μπορούν να μπλοκαριστούν από υλικά όπως το αλουμίνιο, η τεχνολογία θεωρείται βιολογικά ασφαλής. Ο καθηγητής Ιν εξήγησε: «Αποφάσισα να χρησιμοποιήσω ένα ραδιενεργό ισότοπο άνθρακα επειδή παράγει μόνο ακτίνες βήτα». Ο άνθρακας-14 είναι επίσης ένα υποπροϊόν των πυρηνικών αντιδραστήρων, γεγονός που τον καθιστά φθηνό, ευρέως διαθέσιμο και ανακυκλώσιμο. Επειδή διασπάται πολύ αργά, θα μπορούσε να τροφοδοτήσει συσκευές για εκατοντάδες ή και χιλιάδες χρόνια.
Για να αυξηθεί η απόδοση μετατροπής ενέργειας —το μέτρο του πόσο καλά μια μπαταρία μετατρέπει τα ηλεκτρόνια σε αξιοποιήσιμη ισχύ— η ομάδα στράφηκε σε έναν ημιαγωγό διοξειδίου του τιτανίου, που βρίσκεται συχνά σε ηλιακά κύτταρα, και τον ενίσχυσε με μια χρωστική ουσία με βάση το ρουθήνιο. Ο δεσμός μεταξύ της χρωστικής ουσίας και του διοξειδίου του τιτανίου έγινε ισχυρότερος μέσω επεξεργασίας με κιτρικό οξύ. Όταν οι ακτίνες βήτα από τον ραδιενεργό άνθρακα χτυπούσαν τη χρωστική ουσία, πυροδότησαν μια αλυσίδα αντιδράσεων ηλεκτρονίων γνωστή ως χιονοστιβάδα. Αυτά τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια συλλήφθηκαν από το διοξείδιο του τιτανίου και στάλθηκαν μέσω ενός κυκλώματος για να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Η μπαταρία σχεδιάστηκε επίσης με ραδιενεργό άνθρακα τόσο στην άνοδο όσο και στην κάθοδο, αυξάνοντας την ποσότητα της βήτα ακτινοβολίας και μειώνοντας την απώλεια ενέργειας σε σχέση με την απόσταση. Αυτή η προσέγγιση βοήθησε στην αύξηση της απόδοσης μετατροπής ενέργειας από 0,48% σε παλαιότερα μοντέλα σε 2,86%.
Παρόλα αυτά, το σύστημα μετατρέπει μόνο ένα μικρό μέρος της ραδιενεργού ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, πράγμα που σημαίνει ότι η απόδοσή του παραμένει χαμηλότερη από τις τυπικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ο καθηγητής Ιν προτείνει ότι η βελτίωση του σχήματος του εκπομπού βήτα και η εύρεση καλύτερων απορροφητών θα μπορούσαν να αυξήσουν περαιτέρω την ισχύ εξόδου.
«Αυτή η έρευνα σηματοδοτεί την πρώτη παγκοσμίως επίδειξη της πρακτικής βιωσιμότητας των βήταβολταϊκών κυψελών», δήλωσε ο Ιν. «Σχεδιάζουμε να επιταχύνουμε την εμπορευματοποίηση τεχνολογιών τροφοδοσίας επόμενης γενιάς για ακραία περιβάλλοντα και να επιδιώξουμε περαιτέρω σμίκρυνση και μεταφορά τεχνολογίας».
Ο διδακτορικός φοιτητής Junho Lee πρόσθεσε: «Παρόλο που αυτή η έρευνα περιλαμβάνει καθημερινές προκλήσεις που συχνά φαίνονται αδύνατες, μας καθοδηγεί ένα ισχυρό αίσθημα αποστολής, γνωρίζοντας ότι το μέλλον του έθνους μας είναι στενά συνδεδεμένο με την ενεργειακή ασφάλεια».
Η ομάδα πιστεύει ότι, με περαιτέρω ανάπτυξη, αυτές οι μπαταρίες που τροφοδοτούνται με ραδιενεργό άνθρακα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε τομείς που κυμαίνονται από βηματοδότες έως διαστημικούς ανιχνευτές και drones. Όπως το θέτει ο In, «Μπορούμε να εισάγουμε ασφαλή πυρηνική ενέργεια σε συσκευές στο μέγεθος ενός δακτύλου».
