تصميم بطارية تعمل لمدة 100 عام

يقوم متخصصون من الجامعة الروسية الوطنية للأبحاث النووية ميفي بتصميم مصادر طاقة ذات نظائر مشعة على أساس مصادر الطاقة بيتا – فولت باستخدام شرائح نظائر مشعة من النيكل-63.

التصميم سيساعد على إنتاج بطاريات نووية آمنة تعمل لمدة 100 عام، تخدم مجالات عديدة، على وجه الخصوص أجهزة ضبط نبضات القلب وأجهزة مصغرة لقياس مستوى السكر أو الضغط الشرياني، وأنظمة القياس عن بعد للأجسام البعيدة والروبوتات الصغيرة، بالإضافة إلى الأجهزة التي تعمل بشكل مستقل لفترة طويلة، حسبما أفادت دائرة الصحافة الجامعية. ونشرت نتائج الدراسة في مجلة AppliedPhysicsLetters .

إن دراسة خصائص المواد النانوية اليوم تثير الاهتمام المتزايد بين الخبراء والمتخصصين بسبب الاتجاه الرائج نحو تصميم الأجهزة التقنية ذات الأحجام الصغيرة للغاية، وخصوصاً في مجال الإلكترونيات النانوية.

إن الانجازات الحديثة في مجال نظم كهرميكانيكية نانوية ومتناهية الصغر، والتي تجمع في جهاز واحد الإلكترونيات النانوية والعناصر الميكانيكية مثل المحولات والمضخات والمحركات، قد تكون واعدة لتصميم أجهزة الاستشعار الفيزيائية والبيولوجية أو الكيميائية المجهرية.

ومع ذلك، فإن غياب مصادر التغذية ذات الأحجام المصغرة التي توفر الطاقة للنظم الكهرميكانيكية الصغيرة والنانوية تعيق وتمنع تحقيق مسألة إدخال مثل هذه الأجهزة على نطاق واسع حالياً.

ويجري العلماء أبحاثاً عديدة حول إمكانية تصغير بطاريات الليثيوم الأيونية التقليدية والخلايا الشمسية وخلايا الوقود وأنواع مختلفة من المكثفات. ومع ذلك، فإن حجم مثل مصادر الطاقة هذه لا يزال كبيراً جداً لنتمكن من تصميم أنظمة دقيقة جداً ومتناهية الصغر.

بطاريات النظائر المشعة

وهناك نهج آخر لمشكلة توفير الطاقة للأنظمة الدقيقة جداً ومتناهية الصغر الحديثة والواعدة مرتبطة باستخدام بطاريات النظائر المشعة.

بطاريات النظائر المشعة، هي أيضاً النووية وهي كذلك البطاريات الذرية هي مصادر التيار التي يتم فيها تحويل طاقة الانشطار الإشعاعي للعناصر شبه المستقرة النوى الذرية إلى كهرباء. وتتميز هذه النوى بكثافة طاقة كبيرة لكل وحدة كتلة وحجم. وتختلف فترة إطلاق الطاقة المستقرة على نطاق واسع في اختيار النويدات. يمكن أن تعمل بطاريات النظائر المشعة لفترة طويلة وبشكل ثابت، ولا تحتاج إلى الصيانة، وهي لا تثير الضجة.

الخصائص الفريدة لعنصر النيكل 63 حالياً، يعتبر التحول الذي يطرأ على الطاقة الكهروضوئية أحد أقصر الطرق لتحويل الطاقة النووية إلى كهربائية، ومع ذلك، يجري العلماء أبحاثاً مكثفة على مصادر الطاقة البيتا-فولت، والتي تكتسب أهمية كبيرة في الاستخدام العملي.

والحقيقة هي أنه عند استخدام مصدر طاقة مصغر ذو نظير مشع، الذي ينبعث منه إشعاع بيتا الناعم، سوف يكون من السهل إنشاء نظام الحماية المادية للمستخدم والأجسام المحيطة من الإشعاع. لذلك، تعتبر هذه المصادر ذات آفاق واعدة للاستخدام المدني.

قام علماء جامعة «ميفي» بدراسة الخصائص الفيزيائية للتيار الكهربي لشريحة النيكل النانوية واختاروا المؤشرات التجريبية المثلى لتصميم محول طاقة فعال لتحلل بيتا لعنصر النيكل-63 إلى الطاقة الكهربائية.

النظائر المشعة لعنصر النيكل-63 هي واحدة من النويدات المشعة الواعدة في بيتا-فولتير، علماً إن مصدر إشعاع بيتا الناعم يتمتع بفترة عمر نصف 100.1 سنة. لذلك يعتبر النيكل 63 عنصراً فريداً، وهو مناسب لأنظمة الطاقة المستدامة التي لا تتطلب تكاليف طاقة عالية.

من وجهة النظر المادية، فإن النيكل هو أيضاً معدن جيد جداً ومرن وخامل نسبياً، ويمكن معالجته بسهولة. وأثناء التعامل معه لا يحتاج الأمر إلى حاوية للنقل والتخزين.

وبحسب رأي الباحثين، فإن تحسين كفاءة المحولات الحالية لطاقة تحلل بيتا النيكل-63 إلى الطاقة الكهربائية، وكذلك البحث عن النظم الفيزيائية البديلة، المهام الواعدة للغاية من العلم الحديث.

علماء جامعة «ميفي» يبتكرون أساليب جديدة، وقد أشار الدكتور بيوتر بوريسيوك الأستاذ في قسم القضايا الفيزيائية التقنية للمقاييس من معهد تقنيات الليزر والبلازما في جامعة «ميفي» إلى أن الباحثين صمموا منظومة مادية أصلية تسمح بتوليد إلكترونات ثانوية موجودة بشكل مباشر داخل شرائح النيكل ذات البنية النانومترية وتعمل على زيادة إشارة التيار بشكل كبير، الناجمة عن سلسلة من التصادمات غير المرنة المتعددة لجسيمات بيتا.

سبوتنيك