علماء يصممون بطارية جديدة تعمل بالنفايات الذرية

توصل باحثون إلى تطوير بطارية يمكنها تحويل الطاقة النووية إلى كهرباء عن طريق انبعاث الضوء، بحسب دراسة جديدة.

تنتج محطات الطاقة النووية، التي تولد نحو 20% من إجمالي الكهرباء المنتجة في الولايات المتحدة، انبعاثات قليلة جدًا من الغازات المسببة للاحتباس الحراري، ومع ذلك، فإن هذه الأنظمة تنتج نفايات مشعة، والتي يمكن أن تشكل خطرًا على صحة الإنسان والبيئة، وقد يكون التخلص الآمن من هذه النفايات أمرًا صعبًا.

وباستخدام مزيج من بلورات الومضات، وهي مواد عالية الكثافة تصدر الضوء عندما تمتص الإشعاع، والخلايا الشمسية، أثبت الفريق، الذي يقوده باحثون من جامعة ولاية أوهايو، أنه من الممكن حصاد الإشعاع غاما المحيط لإنتاج خرج كهربائي قوي بما يكفي لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الدقيقة، مثل الرقائق الدقيقة.

ونشرت الدراسة مؤخرا في مجلة Optical Materials: X .

اختبار البطارية

لاختبار هذه البطارية، وهي نموذج أولي صغير يبلغ حجمه حوالي 4 سنتيمترات مكعبة، استخدم الباحثون مصدرين مشعّين مختلفين، السيزيوم-137، والكوبالت-60، وهما من أهم نواتج الانشطار التي تأتي من الوقود النووي المستنفد.

تم اختبار البطارية في مختبر المفاعلات النووية في ولاية أوهايو. يدعم المختبر أبحاث الطلاب وأعضاء هيئة التدريس، وتعليم الطلاب، والخدمة للصناعة – فهو لا ينتج طاقة كهربائية .

وأظهرت نتائجهم أنه عند استخدام السيزيوم 137، تولدت البطارية 288 نانو وات.

ولكن باستخدام نظير الكوبالت 60 الأقوى بكثير، تولدت البطارية 1.5 ميكرو وات من الطاقة، وهو ما يكفي لتشغيل جهاز استشعار صغير.

وعلى الرغم من أن معظم مخرجات الطاقة للمنازل والإلكترونيات يتم قياسها بالكيلووات، فإن هذا يشير إلى أنه باستخدام مصدر الطاقة المناسب، يمكن توسيع نطاق هذه الأجهزة لاستهداف التطبيقات عند مستوى الواط أو ما بعده، كما قال ريموند كاو، المؤلف الرئيسي للدراسة وأستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية في ولاية أوهايو.

استخدام البطارية قرب أماكن إنتاج النفايات النووية

وقال الباحثون، إن هذه البطاريات يمكن استخدامها بالقرب من أماكن إنتاج النفايات النووية، مثل أحواض تخزين النفايات النووية أو الأنظمة النووية لاستكشاف الفضاء وأعماق البحار ــ وهي غير مصممة للاستخدام العام.

ولحسن الحظ، ورغم أن الإشعاع غاما المستخدم في هذا العمل أقوى بنحو مائة مرة من الأشعة السينية العادية أو التصوير المقطعي المحوسب، فإن البطارية نفسها لا تحتوي على مواد مشعة، مما يعني أنها لا تزال آمنة للمس.

وقال كاو، الذي يعمل أيضًا مديرًا لمختبر المفاعلات النووية في ولاية أوهايو: “نحن نحصد شيئًا يعتبر نفايات، وبحكم طبيعته نحاول تحويله إلى كنز”.

وبحسب الدراسة، ربما شهدت بطارية الفريق أيضًا زيادة في الطاقة بسبب تكوين بلورة الوميض النموذجية التي اختار الفريق استخدامها.

ووجدوا أن شكل وحجم البلورات يمكن أن يؤثر على الناتج الكهربائي النهائي، حيث يسمح الحجم الأكبر لها بامتصاص المزيد من الإشعاع وتحويل تلك الطاقة الزائدة إلى المزيد من الضوء.

كما تساعد مساحة السطح الأكبر الخلية الشمسية على توليد الطاقة.

توليد طاقة أكبر

وقال إبراهيم أوكسوز، المؤلف المشارك في الدراسة والباحث المشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية أوهايو: “هذه نتائج رائدة من حيث إنتاج الطاقة، لا تزال هذه العملية المكونة من خطوتين في مراحلها الأولية، لكن الخطوة التالية تتضمن توليد طاقة أكبر باستخدام هياكل قابلة للتوسع”.

وبما أن البطاريات من هذا النوع من المرجح أن تنتهي في بيئات حيث توجد مستويات عالية من الإشعاع بالفعل ولا يمكن للجمهور الوصول إليها بسهولة، فإن هذه الأجهزة طويلة الأمد لن تلوث محيطها.

والأمر الأكثر أهمية هو أنها يمكن أن تعمل أيضًا دون الحاجة إلى الصيانة الروتينية.

وقال كاو إن توسيع نطاق هذه التكنولوجيا سيكون مكلفًا ما لم يتم تصنيع هذه البطاريات بشكل موثوق.

وقال أوكسوز إن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتقييم فائدة البطاريات وحدودها، بما في ذلك المدة التي قد تستمر فيها بمجرد تنفيذها بأمان.

وقال “إن مفهوم البطارية النووية واعد للغاية. ولا يزال هناك مجال كبير للتحسين، ولكنني أعتقد أن هذا النهج سوف يحتل مكانة مهمة في المستقبل في صناعة إنتاج الطاقة وأجهزة الاستشعار”.