Sumber Kuasa yang Dibina untuk Mengatasi Ketahanan Tamadun
Bayangkan sebuah peranti yang tidak pernah perlu dicas. Sepanjang hayat anda, tidak sekali pun. Begitu juga sepanjang hayat anak-anak, cucu-cucu, malah cicit-cicit anda. Gambaran ini beralih daripada fiksyen sains kepada realiti makmal pada Disember 2024, apabila penyelidik di Universiti Bristol dan Pihak Berkuasa Tenaga Atom UK memperkenalkan prototaip yang mencabar segala tanggapan kita tentang penyimpanan tenaga.
Kandungan
Bateri berlian karbon-14 menjana elektrik melalui pereputan radioaktif dengan separuh hayat 5,700 tahun. Ini bermakna peranti itu masih mengekalkan separuh daripada output kuasa asalnya selepas hampir enam alaf, cukup lama untuk merapatkan jurang antara tamadun purba dengan teknologi moden. Tidak seperti bateri litium-ion yang merosot dalam tempoh beberapa tahun, atau panel solar yang memerlukan cahaya matahari, sumber kuasa ini beroperasi secara berterusan, terkurung dalam bahan semula jadi paling keras yang diketahui di Bumi.
Profesor Tom Scott, Profesor Bahan di Universiti Bristol, mengetuai pasukan di sebalik inovasi ini. Kumpulan penyelidiknya telah bertahun-tahun membangunkan kaedah untuk menukarkan bahan radioaktif menjadi sumber tenaga berguna, sehingga menghasilkan peranti bukti konsep ini yang berpotensi mengubah cara kita memikirkan bekalan kuasa di persekitaran yang sukar diakses. Pengumuman ini menandakan pencapaian penting dalam penyelidikan bahan nuklear, dengan menunjukkan bahawa bahan buangan daripada reaktor pembelahan nuklear boleh menjadi aset dan bukannya beban.
Jangka hayat bateri ini mencabar pemahaman konvensional tentang penyimpanan tenaga. Bateri boleh dicas semula moden lazimnya bertahan antara 500 hingga 1,000 kitaran pengecasan sebelum merosot dengan ketara, tetapi peranti berasaskan berlian ini masih mampu membekalkan kuasa berguna apabila rekod sejarah zaman ini sudah lenyap dan menjadi tinggalan arkeologi. Fizik asas pereputan karbon-14 menyediakan kebolehpercayaan seperti kerja jam yang tidak dapat ditandingi oleh bateri kimia.
Kestabilan ini menjadikan teknologi tersebut amat bernilai untuk aplikasi yang tidak boleh gagal dan mustahil diselenggara. Prototaip ini bukan sekadar peningkatan kecil dalam kimia bateri, tetapi satu penilaian semula asas tentang cara kita boleh membekalkan kuasa kepada peranti dalam jangka masa berabad-abad, bukan berjam-jam.
Bagaimana Pereputan Radioaktif Menjadi Elektrik
Untuk memahami cara bateri ini berfungsi, fikirkan prinsip di sebalik panel solar. Sel fotovolta tradisional menangkap tenaga daripada zarah cahaya yang dipanggil foton lalu menukarkannya kepada elektrik. Bateri berlian beroperasi berdasarkan prinsip serupa yang dipanggil beta-voltaik, tetapi bukannya memanfaatkan cahaya matahari, ia menangkap elektron yang bergerak pantas dan dibebaskan oleh atom karbon-14 yang mereput.
Karbon-14 ialah isotop radioaktif yang terkenal dalam bidang arkeologi, apabila saintis menggunakan kadar pereputannya yang boleh dijangka untuk menentukan usia bahan organik purba. Isotop ini memancarkan sinaran beta jarak pendek apabila mereput, lalu membebaskan elektron berenergi tinggi. Dalam bateri berlian, karbon-14 disematkan dalam lapisan berlian yang ditumbuhkan secara sintetik. Apabila isotop itu mereput, ia memancarkan zarah beta yang ditukarkan kepada arus elektrik oleh sifat semikonduktor berlian.
Struktur berlian mempunyai dua fungsi: menjana kuasa sambil bertindak sebagai perisai sinaran yang tidak dapat ditembusi. Oleh sebab karbon-14 hanya memancarkan sinaran jarak pendek, selongsong berlian menyerap semua pelepasan yang berpotensi berbahaya di dalamnya. Tiada sinaran terlepas daripada peranti semasa operasi biasa, menjadikannya selamat untuk implan perubatan dan aplikasi pengguna.
Sarah Clark, Pengarah Kitaran Bahan Api Tritium di UKAEA, menjelaskan mekanisme keselamatan di sebalik teknologi ini.
Bateri berlian menawarkan cara yang selamat dan mampan untuk membekalkan kuasa berterusan pada tahap mikrowatt. Teknologi baharu ini menggunakan berlian buatan untuk mengurung sejumlah kecil karbon-14 dengan selamat.
Prototaip bateri ini berukuran kira-kira 10 milimeter kali 10 milimeter dengan ketebalan sehingga 0.5 milimeter. Bentuknya yang kompak membekalkan kuasa berterusan pada tahap mikrowatt, mencukupi untuk peranti berkuasa rendah tetapi jauh di bawah keperluan telefon pintar atau kenderaan elektrik.
Menukarkan Sisa Nuklear Menjadi Tenaga
Aspek paling menarik teknologi ini mungkin terletak pada bahan sumbernya. Karbon-14 yang digunakan dalam bateri ini diperoleh daripada blok grafit yang dikeluarkan daripada reaktor pembelahan nuklear. Jika tidak digunakan, bahan ini memerlukan penyimpanan jangka panjang yang mahal sebagai sisa radioaktif. United Kingdom sahaja menyimpan kira-kira 95,000 tan blok grafit ini, sekali gus menimbulkan cabaran penyimpanan dan menawarkan sumber yang belum dimanfaatkan.
Dengan mengekstrak karbon-14 daripada grafit reaktor, saintis mengurangkan jumlah sisa nuklear sambil menghasilkan aset tenaga yang bernilai. Proses ini melibatkan penempatan bahan radioaktif di dalam berlian sintetik yang ditumbuhkan melalui pemendapan wap kimia dipertingkat plasma. Jurutera di Kampus Culham UKAEA membina rig pemendapan plasma khusus untuk menghasilkan lapisan berlian ini dengan tepat, mengunci bahan radioaktif dengan selamat di tempatnya sambil memaksimumkan penangkapan tenaga.
Teknik pembuatan ini memanfaatkan secara langsung penyelidikan tenaga pelakuran. Kepakaran UKAEA dalam pengendalian bahan radioaktif, pemendapan plasma dan pembuatan semikonduktor khusus, yang pada asalnya dibangunkan untuk reaktor tokamak, telah digunakan dalam projek bateri berlian. Kerjasama ini menunjukkan bagaimana pelaburan dalam penyelidikan fizik asas boleh menghasilkan aplikasi praktikal yang tidak dijangka.
Profesor Neil Fox, Profesor Bahan untuk Tenaga di Universiti Bristol, menekankan sifat perlindungan selongsong berlian.
Berlian ialah bahan paling keras yang diketahui manusia; secara harfiah, tiada apa-apa yang boleh kami gunakan yang mampu memberikan perlindungan lebih baik.
Apabila bateri ini akhirnya mencapai penghujung hayat fungsinya, ia boleh dipulangkan kepada pengeluar untuk dikitar semula atau dilupuskan secara terkawal. Karbon-14 kekal terkurung dengan selamat sepanjang kitar hayatnya, sekali gus menangani keperluan tenaga dan kebimbangan alam sekitar. Satu gram karbon-14 boleh membekalkan 15 joule elektrik sehari, dan bertahan berabad-abad lebih lama daripada bateri konvensional.
Aplikasi yang Mengutamakan Ketahanan Berbanding Kuasa
Bateri berlian membekalkan kuasa pada tahap mikrowatt, jauh di bawah keperluan telefon pintar atau kenderaan elektrik. Namun, batasan ini menjadi kelebihan dalam keadaan tertentu apabila ketahanan dan kebolehpercayaan lebih penting daripada output semata-mata. Teknologi ini sesuai untuk persekitaran yang menjadikan penggantian bateri berbahaya, mahal atau mustahil.
Implan perubatan merupakan antara bidang yang paling menjanjikan. Alat perentak jantung, alat bantu pendengaran dan peranti okular masa kini bergantung pada bateri tradisional yang perlu diganti melalui pembedahan setiap lima hingga sepuluh tahun. Setiap prosedur penggantian membawa risiko jangkitan, komplikasi dan tempoh pemulihan. Bateri berlian boleh membekalkan kuasa kepada peranti ini sepanjang hayat pesakit, sekali gus menghapuskan keperluan pembedahan berulang dan mengurangkan kos penjagaan kesihatan. Bagi pesakit di kawasan terpencil yang mempunyai akses terhad kepada kemudahan perubatan, ketahanan ini boleh mengubah kehidupan mereka.
Penerokaan angkasa lepas juga sesuai untuk teknologi ini. Prob angkasa lepas dan satelit akhirnya terputus hubungan apabila panel solar tidak lagi menangkap cahaya matahari yang mencukupi atau bateri konvensional kehabisan tenaga. Voyager 1, objek buatan manusia yang paling jauh dari Bumi, bergantung pada bateri nuklear tradisional dengan jangka hayat terhad. Sumber kuasa karbon-14 boleh memastikan instrumen dan sistem komunikasi terus berfungsi selama beberapa dekad atau abad, sekali gus membolehkan misi melangkaui had teknologi masa kini.
Tag frekuensi radio pada kapal angkasa atau muatan boleh terus dijejaki selama ribuan tahun, mengurangkan kos operasi sambil memanjangkan tempoh misi. Bateri ini beroperasi dengan berkesan dalam suhu ekstrem, daripada minus 60 darjah Celsius hingga plus 120 darjah Celsius, tanpa nyahcas kendiri, menjadikannya sesuai untuk persekitaran yang keras.
Aplikasi terpencil di Bumi termasuk stesen pemantauan Artik, sensor bawah laut untuk infrastruktur minyak dan gas, serta peranti keselamatan di lokasi yang sukar diakses. Sebarang sistem yang memerlukan operasi tanpa pengawasan selama beberapa dekad boleh menggunakan teknologi ini. Tag frekuensi radio aktif boleh mengenal pasti dan menjejaki peranti sama ada di Bumi atau di angkasa selama beberapa dekad, sekali gus mengurangkan kos dan memanjangkan jangka hayat operasi.
Persaingan Global untuk Menghasilkan Bateri Atom
Walaupun Bristol dan UKAEA mencuri perhatian dengan prototaip karbon-14 yang pertama, mereka bukan satu-satunya pihak yang membangunkan bateri nuklear. Teknologi ini mencetuskan persaingan antarabangsa, dengan pasukan penyelidik di China, Amerika Syarikat dan Eropah berlumba-lumba mengkomersialkan peranti serupa yang menggunakan isotop radioaktif berbeza.
Beijing Betavolt New Energy Technology di China mengumumkan reka bentuk pesaing yang menggunakan nikel-63 dan bukannya karbon-14. Bateri BV100 mereka yang diperkenalkan pada awal 2024 berukuran 15 milimeter kali 15 milimeter kali 5 milimeter dan menjana 100 mikrowatt pada 3 volt. Walaupun pendekatan nikel-63 ini menawarkan jangka hayat 50 tahun, jauh lebih pendek berbanding karbon-14, Betavolt merancang melancarkan versi satu watt pada penghujung tahun ini yang berpotensi membekalkan kuasa kepada elektronik pengguna melalui sambungan bersiri.
Infinity Power yang berpangkalan di California turut menyertai persaingan pada 2024 dengan membangunkan sel butang nikel-63 yang serupa dengan pendekatan Betavolt. Sementara itu, penyelidik di Institut Sains dan Teknologi Daegu Gyeongbuk di Korea Selatan telah menguji sel beta-voltaik menggunakan pelbagai radioisotop, termasuk isotop karbon dan hidrogen.
Pasukan Bristol mempunyai kelebihan tersendiri dari segi jangka hayat untuk aplikasi tertentu. Bateri nikel-63 menawarkan perkhidmatan selama beberapa dekad yang sesuai untuk elektronik pengguna, tetapi separuh hayat karbon-14 selama 5,700 tahun memberikan nilai yang berbeza secara asas untuk aplikasi ultrajangka panjang yang mustahil diselenggara. Profesor Scott menubuhkan Arkenlight, sebuah usaha komersial, untuk membangunkan kerjasama industri dan menilai peluang pasaran bagi teknologi karbon-14.
Pendekatan China menumpukan pada pengkomersialan dalam masa terdekat untuk sektor aeroangkasa, peralatan kecerdasan buatan dan robot mikro, manakala pasukan UK memberi tumpuan kepada peranti perubatan dan aplikasi angkasa lepas dalam yang memerlukan ketahanan luar biasa. Kedua-dua pendekatan berkongsi matlamat untuk menghapuskan keperluan menyelenggara dan menggantikan bateri dalam sistem kritikal.
Cabaran Sebelum Dipasarkan
Masih terdapat halangan besar sebelum bateri berlian digunakan dalam peranti perubatan atau kapal angkasa. Bahan suapan berbentuk gas untuk menghasilkan berlian karbon-14 tulen berharga kira-kira $46,000 seliter, menjadikan peluasan pengeluaran satu cabaran ekonomi. Pembuatan memerlukan reaktor pemendapan wap kimia aliran statik khusus yang dipasang di kemudahan pengendalian bahan aktif, sekali gus mengehadkan kapasiti pengeluaran.
Kelulusan kawal selia juga menjadi satu lagi halangan yang rumit. Walaupun sifat selongsong berlian yang menutup sepenuhnya bahan itu memudahkan pensijilan keselamatan berbanding teknologi nuklear lain, sebarang peranti yang mengandungi bahan radioaktif memerlukan ujian dan pemantauan yang menyeluruh. Aplikasi perubatan menghadapi syarat yang amat ketat bagi memastikan keselamatan pesakit sepanjang tempoh implan berdekad-dekad.
Tanggapan orang ramai turut mempengaruhi prospek penggunaan teknologi ini. Walaupun karbon-14 yang dikurung selamat, istilah "radioaktif" membawa stigma yang mungkin menyukarkan penerimaannya dalam pasaran pengguna. Komunikasi yang telus tentang mekanisme pembendungan dan keselamatan sinaran akan menjadi penting untuk penggunaan meluas.
Profesor Scott kekal optimistik bahawa cabaran ini dapat diatasi melalui penyelidikan berterusan. Beliau menggariskan garis masa pembangunan untuk dekad akan datang.
Teknologi kuasa mikro kami boleh menyokong pelbagai aplikasi penting, daripada teknologi angkasa lepas dan peranti keselamatan hingga implan perubatan. Kami teruja untuk meneroka semua kemungkinan ini bersama rakan industri dan penyelidikan dalam beberapa tahun akan datang. Kami mahu menggunakan teknologi ini untuk memajukan umat manusia.
Usaha sepanjang dekad akan datang akan tertumpu pada peningkatan skala pengeluaran dan penambahbaikan prestasi kuasa. Kejayaan memperluas pembuatan boleh mengurangkan kos dan membolehkan aplikasi yang lebih meluas, melangkaui sektor khusus perubatan dan aeroangkasa.
Perkara Utama
- Penyelidik di Universiti Bristol dan Pihak Berkuasa Tenaga Atom UK menghasilkan bateri berlian karbon-14 pertama di dunia pada Disember 2024
- Bateri ini menggunakan pereputan radioaktif karbon-14 dengan separuh hayat 5,700 tahun, membekalkan kuasa mikrowatt secara berterusan selama beralaf-alaf
- Karbon-14 diekstrak daripada blok grafit reaktor nuklear, sekali gus menggunakan semula sisa radioaktif sebagai sumber tenaga tertutup
- Berlian sintetik bertindak sebagai semikonduktor dan perisai sinaran, menyerap semua zarah yang dipancarkan sambil menjana elektrik
- Aplikasinya termasuk implan perubatan (alat perentak jantung, alat bantu pendengaran), prob angkasa lepas, sensor terpencil dan tag penjejakan frekuensi radio
- Teknologi pesaing dari China (Betavolt) dan AS menggunakan nikel-63 yang mempunyai jangka hayat lebih pendek tetapi berpotensi dikomersialkan lebih awal
- Pelancaran komersial memerlukan peluasan proses pembuatan dan kelulusan kawal selia, dengan kos pengeluaran bahan suapan gas kini mencecah $46,000 seliter
