الكشف عن بطارية نووية تدوم 50 عامًا وبكفاءة أكبر من البطاريات التقليدية!

طور العلماء في الصين بطارية نووية يمكنها أن تعيش مدة نصف قرن مطلقةً طاقتها الإشعاعية، بل يمكنها أن تعطي لنا ثلاثة أمثال كفاءة الطاقة الموجودة بالتصميمات العادية.

حسن الفريق البحثي قدرة البطارية على الأداء في الظروف القاسية. البحث يقوده البروفيسور هايشنج سان، الحاصل على درجة الدكتوراه والأستاذ في جامعة شيامن، والبروفيسور شين لي الباحث في معهد الصين للطاقة الذرية.

وفقًا للعلماء فإن التصميمات التقليدية لأنظمة الطاقة خاصةً المستخدمة في الظروف القاسية مثل الفضاء أو البنى التحتية داخل قيعان البحار تكافح للوصول إلى حد كفاءة طويلة المدى يمكن الاعتماد عليها.

«إن مصادر الطاقة التقليدية -مثل البطاريات الكيميائية والخلايا التي تعمل بالوقود والخلايا الكهروضوئية- قد تفشل في الوصول إلى متطلبات التشغيل الصارمة للظروف البيئية القاسية، التشغيلية لأبعد مدى زمني، وإمكانية الصيانة بشكل اقتصادي وإمكانيات الاكتفاء الذاتي منها».

إن السعة المحدودة للبطاريات، وحساسيتها تجاه العوامل البيئية والحاجة إلى الصيانة الدورية، تجعل منها غير عملية مقارنةً بتحمل أعباء الطلب المستمر على الطاقة، المتزايد على المدى الطويل.

الآن، وفي محاولة لمعالجة هذه التحديات، طور الباحثون خلايا سترانشيوم-90 الكهروضوئية الإشعاعية (RPVCs)، المبنية على بنية تركيز الضوء بالموجه الموجي. 

تقنية الخلايا الكهروضوئية الإشعاعية المتقدمة

يتكامل التصميم المبتكر مع الطبقات المتعددة المتراصة المسماة غارنيت ألمنيوم غاليوم غادولينيوم المطعم بالسيزيوم (GAGG)، مع نظائر السترونشيوم -90 المشعة، مع دمج موجهات ضوئية متلألئة. (GAGG) فهو بلورة مفردة متلألئة معروفة بقدرتها الفائقة على تحديد الفوتون، وهي من ألمع البللورات المتوفرة إذ تشع بمقدار 520 نانومتر حدًا أقصى للإشعاع.

تعمل هذه المنظومة على تحويل الطاقة الإشعاعية إلى ضوء، ثم يُوجَه هذا الضوء نحو الخلايا الكهروضوئية التي تولد الكهرباء.

في التجارب العملية، حققت وحدة واحدة من خلايا RPVC كفاءة تحويل للطاقة بلغت 2.96%، وهي نسبة أعلى مقارنةً بتصاميم RPVC الحالية.

ذكر الفريق أن وحدة واحدة أنتجت قدرة بلغت48.9 ميكرووات، في حين وصلت النسخة متعددة الوحدات إلى 3.17 مللي واط، كما أظهر النموذج الأولي تيار دائرة قصيرة قدره 2.23 ملي أمبير، وجهد دائرة مفتوحة بلغ 2.14 فولت: « لقد صممنا وصنعنا خلية RPVC تحقق توازنًا بين الكفاءة والاستقرار».

حل طويل الأمد للطاقة

أوضح الفريق أنه عند محاكاة الاستخدام طويل الأمد بتعريض الخلايا الكهروضوئية الإشعاعية، لحزم من الإلكترونات تعادل خمسين عامًا من التعرض الإشعاعي لم يظهر انخفاض في أدائها البصري سوى بنسبة 13.8% فقط، وهو تراجع طفيف قياسًا بمدة الخدمة المفترضة، إن هيكل WLC حقق زيادة بمقدار ثلاثة أضعاف في كفاءة تحويل الطاقة مقارنة بالتصاميم التقليدية، وأظهر استقرارًا عاليًا حتى بعد محاكاة نصف قرن من الخدمة، إضافةً إلى إنتاج طاقة مرتفع بفضل توجيه الضوء الناتج من البللورة الوامضة مباشرةً نحو الخلايا الكهروضوئية، ما يقلل من فقدان الطاقة، دون الحاجة إلى أجزاء متحركة أو مصادر طاقة خارجية، ومع ذلك فإن الإنتاج واسع النطاق ما زال مقيدًا بعقبات مثل ارتفاع التكلفة وصعوبة إنتاج نظائر السترونشيوم–90 بكميات كبيرة.

خلص الباحثون إلى أن هذه التطورات تمثل قفزة نوعية نحو تطبيقات البطاريات النووية وتمهد لاستخدامات عملية في مجالات الفضاء والطب والأجهزة الدقيقة ذات عمر الخدمة الطويل.