Güney Koreli bilim insanları, onlarca yıl boyunca enerji sağlayabilecek ve küçük cihazlarda kullanılabilecek yeni bir betavoltaik pil tasarımı geliştirdi. Pilin, karbon-14 izotopu ve perovskit malzemelerle oluşturulan hibrit yapısıyla dikkat çektiği belirtiliyor.
Güney Kore’deki Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden (DGIST) Profesör Su-Il In ve ekibi, şarj gerektirmeden onlarca yıl boyunca küçük cihazlara enerji sağlayabilecek yeni nesil bir nükleer pil geliştirdi. “Perovskit betavoltaik hücre” adı verilen bu sistem, karbon-14 izotopu ile perovskit malzemelerin bir araya getirilmesiyle oluşturuldu.
Pil, radyoaktif bir karbon türü olan karbon-14’ün, elektrik iletkenliği yüksek perovskit malzemelerle birleştirilmesiyle çalışıyor. Bu tasarım, hem uzun ömürlü enerji sağlama potansiyeli sunuyor hem de sistemin genel verimliliğini artırıyor. Elde edilen sonuçlara göre, önceki benzer tasarımlara kıyasla elektron hareketliliğinde yaklaşık 56.000 katlık bir artış sağlandı. Testlerde cihazın dokuz saat boyunca kesintisiz çalıştığı belirtildi.
Bu yeni sistemde, karbon-14 nanoparçacıkları ile kuantum noktaları, özel katkı maddeleriyle işlenmiş perovskit filmlerle birlikte kullanılıyor. Katkı maddeleri arasında metilamonyum klorür ve sezyum klorür yer alıyor. Bu maddeler, kristal yapıların daha düzenli oluşmasını sağlayarak elektrik yüklerinin daha etkin taşınmasına yardımcı oluyor.
Güvenli ve uygun maliyetli enerji kaynağı
Betavoltaik hücreler, radyoaktif bozunma sırasında yayılan beta parçacıklarını elektriğe çeviriyor. Beta ışınları, insan vücuduna zarar verecek kadar derine nüfuz edemediği için bu tür piller biyolojik açıdan güvenli kabul ediliyor. Ayrıca karbon-14, nükleer reaktörlerde atık olarak ortaya çıktığı için görece ucuz, erişilebilir ve geri dönüştürülebilir bir kaynak.
Karbon-14’ün yavaş bozunması, bu pilin onlarca yıl boyunca enerji sağlayabilmesini mümkün kılıyor. Hatta teorik olarak, bu tür pillerin yüzlerce yıl dayanabilecek potansiyele sahip olduğu ifade ediliyor.
Araştırma ekibi, enerji verimliliğini artırmak için genellikle güneş pillerinde kullanılan titanyum dioksit yarı iletkenini kullandı. Bu malzeme, rutenyum bazlı özel bir boya ile desteklendi. Beta ışınları boya moleküllerine çarptığında, zincirleme bir elektron hareketi başlıyor. Bu “elektron çığı”, titanyum dioksit tarafından toplanarak elektrik üretmek üzere yönlendiriliyor.
Yeni tasarımda hem anot hem de katot bölümünde karbon-14 kullanılarak, radyasyonun etkisi artırıldı ve enerji kaybı azaltıldı. Bu sayede sistemin enerji dönüşüm verimliliği, önceki %0,48 seviyesinden %2,86’ya yükseldi.
Henüz Lityum-İyon seviyesinde değil
Her ne kadar bu gelişme umut verici olsa da, üretilen güç miktarı henüz geleneksel lityum-iyon pillerin seviyesine ulaşabilmiş değil. Ancak Profesör In, beta yayıcıların geliştirilmesi ve daha etkili emici malzemelerin kullanılmasıyla bu sınırın aşılabileceğini düşünüyor. “Bu çalışma, betavoltaik hücrelerin pratikte işe yaradığını gösteren ilk örnek” diyen In, bu teknolojinin uzun ömürlü, dayanıklı ve kompakt enerji çözümleri için önemli bir adım olduğunu vurguluyor.
Ekip, bu teknoloji geliştikçe kalp pilleri, uzay araştırmalarında kullanılan ekipmanlar, insansız hava araçları ve diğer küçük sistemler için uzun süreli enerji kaynağı olarak kullanılabileceğini düşünüyor. Gelecekte bu tür pillerin, özellikle şarj etmenin zor veya imkânsız olduğu ortamlarda önemli bir rol oynaması bekleniyor.