Các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố một thành tựu đáng chú ý trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng: tại ra loại pin hạt nhân đầu tiên của nước này dựa trên carbon, có khả năng hoạt động lên đến 100 năm mà không cần sạc lại. Phát triển này mở ra triển vọng mới cho các ứng dụng đòi hỏi nguồn năng lượng bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt.
Theo thông báo từ Đại học Sư phạm Tây Bắc tại tỉnh Cam Túc, loại pin này được thiết kế với tuổi thọ 50 năm, nhưng có thể kéo dài hơn 100 năm trong điều kiện khắc nghiệt. Điều này vượt xa tuổi thọ của các loại pin thông thường hiện nay.
Đặc biệt, Zhang Guanghui, trưởng nhóm kỹ thuật của dự án, còn đưa ra một triển vọng đáng kinh ngạc hơn: “Về mặt lý thuyết, pin có thể tồn tại hàng nghìn năm nhờ vào chu kỳ bán rã dài của carbon-14 là 5.730 năm”. Chu kỳ bán rã này chỉ thời gian cần thiết để một đồng vị phóng xạ giảm xuống còn một nửa giá trị ban đầu của nó.
Các nhà nghiên cứu đang cầm trên tay bảng đèn LED được nạp điện bằng pin hạt nhân
Về nguyên lý hoạt động, pin hạt nhân này dựa trên carbon-14, một đồng vị phóng xạ yếu của carbon, còn được gọi là phóng xạ carbon. Công nghệ của pin khai thác quá trình phân rã phóng xạ của carbon-14 để tạo ra điện năng, với cấu trúc được xây dựng từ chất bán dẫn kép gồm silicon và carbon.
Nhờ vào thiết kế độc đáo này, pin có công suất đầu ra tối đa đạt 433 nanowatt và một trong những đặc điểm nổi bật nhất là khả năng chịu nhiệt độ cực kỳ khắc nghiệt, từ âm 100 độ C đến dương 200 độ C. Ngoài ra, pin còn có mật độ năng lượng cực cao và tỷ lệ suy giảm hiệu suất dưới 5% trong suốt vòng đời thiết kế.
Để chứng minh độ bền của pin, đại học cho biết một đèn LED được cấp nguồn bởi loại pin này đã hoạt động liên tục trong gần bốn tháng, phát ra hơn 35.000 xung sáng. Con số này là minh chứng rõ ràng cho tiềm năng ứng dụng thực tế của công nghệ mới.
Giáo sư Su Maogen, nhà nghiên cứu chính và Phó Giám đốc Khoa Vật lý và Kỹ thuật Điện tử của trường đại học, nhấn mạnh rằng pin có thể cung cấp năng lượng vĩnh viễn cho các thiết bị y tế cấy ghép như máy tạo nhịp tim – hiện chỉ hoạt động được tối đa 15 năm – và giao diện não-máy tính.
Không chỉ dừng lại ở đó, ông còn chỉ ra rằng: “Đối với Internet of Things (IoT), pin có thể hỗ trợ mạng lưới cảm biến quy mô lớn. Trong môi trường khắc nghiệt như đáy biển sâu, hai cực, mặt trăng và sao Hỏa, nó có thể được sử dụng làm nguồn cung cấp điện liên tục mà không cần bảo trì.” Hơn thế nữa, ông khẳng định trong lĩnh vực thám hiểm không gian sâu, pin có thể cấp nguồn cho tàu thăm dò vũ trụ hoạt động không ngừng nghỉ.
Mặc dù thông báo không đề cập trực tiếp đến ứng dụng trong xe điện, nhưng đại học cho biết đặc tính xanh và ít carbon của pin có thể “thúc đẩy việc nâng cấp chuỗi công nghiệp năng lượng mới của Trung Quốc.” Điều này gợi ý về tiềm năng rộng lớn hơn của công nghệ trong tương lai.
Đáng chú ý, pin này là kết quả hợp tác giữa Đại học Sư phạm Tây Bắc và công ty Beita Pharmatech, đơn vị chuyên phát triển các hợp chất liên quan đến carbon-14 – một đồng vị được sử dụng rộng rãi trong khoa học và y học, chẳng hạn như để phát hiện nhiễm khuẩn. Nhằm tiến xa hơn trong lĩnh vực này, đại học đã công bố kế hoạch phát triển thiết bị phát hiện nhanh đồng vị carbon-13 tự động và máy tách đồng vị điện từ. Họ nhận định đây là “một bước quan trọng hướng tới việc thiết lập hệ thống công nghiệp” để thu được đồng vị carbon-14.
Để hiểu rõ hơn về độ hiếm của nguyên liệu này, theo Đại học Quốc gia Australia, trong số ba đồng vị carbon có trong tự nhiên, carbon-12 chiếm khoảng 99,8% tổng số nguyên tử carbon, carbon-13 chiếm khoảng 1%, và carbon-14 hiếm nhất với tỷ lệ chỉ một trên mỗi 1 tỷ nguyên tử carbon. Chính vì vậy, việc sản xuất và thu được carbon-14 là một thách thức lớn.
Trước tình hình đó, năm ngoái, Trung Quốc đã bắt đầu sản xuất hàng loạt carbon-14 tại một lò phản ứng hạt nhân thương mại ở tỉnh Chiết Giang, báo hiệu sự chuyển dịch khỏi sự phụ thuộc gần như hoàn toàn vào nhập khẩu từ Canada, Nam Phi, Australia và Nga. Động thái này không chỉ giúp đảm bảo nguồn cung cho các dự án trong nước mà còn thể hiện sự tiến bộ trong năng lực khoa học công nghệ của Trung Quốc.
Cần phải nói thêm rằng, sự phát triển công nghệ pin hạt nhân không chỉ diễn ra ở Trung Quốc. Vào tháng 12 năm ngoái, các nhà khoa học tại Đại học Bristol và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh đã tuyên bố đã tạo ra pin kim cương carbon-14 đầu tiên trên thế giới. Pin đó thu giữ các electron di chuyển nhanh từ bên trong cấu trúc kim cương, có thể “bao bọc an toàn một lượng nhỏ carbon-14”. Theo đại học, pin là nguồn năng lượng bền lâu có thể được sử dụng trong thiết bị y tế, thiết bị an ninh và môi trường khắc nghiệt như vũ trụ.
Năm ngoái, các nhà khoa học Trung Quốc cũng thông báo việc tạo ra một loại pin hạt nhân tương tự dựa trên nguyên lý từ chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ. Tuy nhiên, loại pin này sử dụng đồng vị phóng xạ của Nickel, thay vì Carbon như nghiên cứu của Zhang Guanghui.
