Pin kim cương hạt nhân đầu tiên trên thế giới: Cung cấp năng lượng liên tục trong hàng nghìn năm mà không cần sạc lại

Pin kim cương này hoạt động bằng cách thu thập các electron chuyển động nhanh nhờ vào bức xạ, tương tự như cách các tấm pin mặt trời chuyển đổi photon thành điện năng thông qua các tế bào quang điện.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng pin hạt nhân đầu tiên trên thế giới, sử dụng đồng vị phóng xạ trong kim cương, có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ trong hàng ngàn năm.

Theo các nghiên cứu từ Đại học Bristol, Anh Quốc, loại pin hạt nhân này tự tạo ra điện nhờ phản ứng giữa kim cương và phóng xạ. Điều đặc biệt là không cần có bất kỳ chuyển động nào, từ tuyến tính cho đến xoay tròn, như các nguồn năng lượng truyền thống. Điều này có nghĩa là không cần phải di chuyển nam châm qua cuộn dây hay quay cánh tay trong từ trường để tạo ra điện.

Pin kim cương này thu thập các electron chuyển động nhanh được kích thích bởi bức xạ, giống như cách các tấm pin mặt trời sử dụng tế bào quang điện để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Vào năm 2017, các nhà khoa học tại cùng trường đại học đã trình diễn nguyên mẫu pin kim cương sử dụng niken-63 làm nguồn phóng xạ. Trong nghiên cứu mới này, nhóm nghiên cứu phát triển pin với đồng vị carbon-14 được nhúng trong kim cương nhân tạo.

Carbon-14 được lựa chọn vì bức xạ tầm ngắn mà nó phát ra, nhanh chóng bị hấp thụ bởi các vật liệu rắn, giúp ngăn chặn bức xạ thoát ra ngoài. Mặc dù carbon-14 có thể nguy hiểm khi ăn vào hoặc tiếp xúc trực tiếp, lớp kim cương bao quanh nó đã hoàn toàn ngăn cản bức xạ này.

“Kim cương là vật liệu cứng nhất mà con người biết đến; không có gì có thể bảo vệ tốt hơn thế,” Giáo sư Neil Fox, chuyên gia về vật liệu năng lượng tại Đại học Bristol, chia sẻ. Carbon-14 tồn tại trong tự nhiên nhưng chủ yếu được tạo ra với lượng lớn từ các khối than chì dùng trong các lò phản ứng hạt nhân. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng đồng vị này tập trung trên bề mặt của các khối than chì này.

Một viên pin kim cương hạt nhân chứa 1 gram carbon-14 (tương đương 0,04 ounce) có thể tạo ra 15 joule điện mỗi ngày. So với pin AA kiềm tiêu chuẩn nặng khoảng 20 gram (0,7 ounce) và có khả năng lưu trữ 700 joule/gram, mặc dù pin AA cung cấp nhiều năng lượng hơn trong thời gian ngắn nhưng nó sẽ hết trong vòng 24 giờ.

Chu kỳ bán rã của carbon-14 là 5.730 năm, nghĩa là pin sẽ mất thời gian tương ứng để giảm còn 50% năng lượng. Con số này tương đương với tuổi của các nền văn minh cổ xưa nhất trên thế giới. Ví dụ, nếu một tàu vũ trụ sử dụng pin kim cương carbon-14, nó sẽ có thể di chuyển đến Alpha Centauri – ngôi sao gần nhất với Trái Đất cách 4,4 năm ánh sáng – trước khi pin bị suy giảm đáng kể.

Các nhà khoa học cho biết, pin này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm thiết bị điện tử, y tế và du hành vũ trụ. Cụ thể, pin có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị X-quang, máy tạo nhịp tim yêu cầu hoạt động lâu dài nhưng chỉ tiêu thụ ít điện năng, hoặc các máy móc làm việc trong môi trường khắc nghiệt như dưới đáy biển trong ngành dầu khí. Pin cũng có thể được chế tạo nhỏ gọn để cung cấp năng lượng cho các thẻ RFID phục vụ việc theo dõi thiết bị cả trên Trái Đất lẫn ngoài không gian.

Pin được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng plasma gần Abingdon, Oxfordshire, bởi nhóm nghiên cứu từ Đại học Bristol và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh Quốc (UKAEA). Không có bộ phận chuyển động, pin này không cần bảo trì và hoàn toàn không phát thải carbon.