بطاريات الألماس النانووي Nano Diamond Batteries NDBs
الصورة تعبيرية – لمصدر جامعة بريستول
.
فكرة العمل
بطاريات الألماس النانووي Nano Diamond Batteries NDBs يطلق عليها أحيانا بطارية ألماس Diamond battery فقط وهو اسم لمفهوم البطارية النووية Nuclear Battery الذي اقترحه معهد جامعة بريستول كابوت University of Bristol Cabot Institute خلال محاضرتهم السنوية التي عقدت في 25 نوفمبر 2016 م، في مبنى ويلز التذكاري Wills Memorial Building .
يُقترح أن تعمل هذه البطارية على النشاط الإشعاعي لكتل نفايات الجرافيت Waste Graphite Blocks (التي سبق استخدامها كمواد وسيطة للنيوترونات Neutron Moderator Material في مفاعلات الجرافيت المعتدلة Graphite-Moderated Reactors) وستولد كميات صغيرة من الكهرباء لآلاف السنين. م(1)
.
| فكرة العمل تشبه فكرة عمل الخلايا الشمسية التي يسقط عليها الضوء وتحوله إلي طاقة كهربية، لكن هنا تسقط أشعة بيتا ويتم تحويلها إلي طاقة كهربية. |
.
البطارية عبارة عن خلية بيتافولتية Betavoltaic Cell تستخدم الكربون Carbon-14 (يعرف اختصارا بــ 14C) في شكل كربون يشبه ألماس Diamond-Like Carbon (DLC) كمصدر لأشعة بيتا Beta Radiation ، وتستخدم أيضا كربون يشبه ألماس DLC ذو كربون عادي Normal-Carbon للتوصيل الضروري بين أشباه الموصلات وتغليف الكربون Carbon-14 . م(1)
.
أسئلة متكررة حول بطارية الماس Diamond Battery
فيما يلي نستعرض بعض الأسئلة المتكررة حول بطارية الألماس Diamond Battery والتي أجابت عنها جامعة بريستول University of Bristol في ملف نشرته علي موقعها م(2):
ما الجهد الكهربي الذي ينتجه الألماس؟
أنتج الإصدار Ni63 ما يقرب من 1.9 فولت.
من المتوقع أن يحقق الإصدار C14 ما يصل إلي 2 فولت على الأقل.
.
ما هي قدرة بطارية الألماس Diamond Battery مقابل البطارية العادية؟
تم تصميم البطاريات القلوية القياسية من الحجم AA للتفريغ خلال إطار زمني القصير: بطارية واحدة تزن حوالي 20 جرامًا لها معدل تخزين طاقة يبلغ 700 جول/جم. إذا تم تشغيلها بشكل مستمر ، فسوف تنفد تلك الطاقة في غضون 24 ساعة.
وبالمقارنة ، سيتم تصميم بطارية بيتا الماسية Diamond Beta-Battery لتدوم لفترة أطول. لم يتم بعد تحديد المقدار الفعلي لـلكربون C14 في كل بطارية ، ولكن كدليل تقريبي ، فإن بطارية واحدة تحتوي على 1 جرام من الكربون C14 ستوفر 15 جول J يوميًا (بناءً على الحسابات المستمدة من النموذج الأولي لبطارية Ni63). في ضوء ذلك، يكون هذا المقدار أقل من بطارية AA ، ومع ذلك ، ستستمر في إنتاج هذا القدر من الطاقة لمدة 5730 عامًا ، لذا فإن تصنيف تخزين الطاقة الإجمالي Total Energy Storage Rating لتلك البطارية مرتفع جدًا (2.7 تيرا جول TeraJ ويعرف أيضًا باسم مليون مليون جول).
.
ما هو الحجم التقريبي للبطارية؟
الحجم التقريبي لنماذج البطاريات الماسية التي نعمل عليها هي 10 مم × 10 مم وبسمك يصل إلى 0.5 مم. هذا هو حجم العنصر “النشط Active” ولا يشمل ذلك أطراف التوصيل المعدنية والأسلاك المطلوبة لإكمال الدائرة.
.
ما هو المعدل للتيار مقابل الحرارة؟
نتوقع أن يكون معدل التيار قريبًا مستمر من درجة الحرارة. نحن نعلم بالفعل أنه بصفته مادة الكاشف Detector Material ، لا يتطلب الماس تسخينًا للعمل ونعلم أيضًا أنه يتمتع بثبات جيد يصل إلى عدة مئات من الدرجات. لقد قمنا بإجراء دورات تسخين لهياكل من الألماس إلى 750 درجة مئوية لتقييم ثبات المواد ولكننا لم نختبر بعد خرج طاقتها تحت درجات حرارة محيطة مرتفعة.
.
هل تقنية البطارية قابلة لزيادة قدرتها؟
باختصار ، نعم! تشبه إلى حد كبير البطارية العادية التي تتكون من خلايا متعددة ، يمكننا أيضًا جمع التيارات الكهربية من خلايا متعددة لزيادة إنتاج الطاقة.
.
إلى أي مدى تبعد هذه العملية عن التطبيق العملي المحتمل؟
ما زلنا في TRL 2 في الوقت الحالي نسعى للحصول على تمويل للمضي قدمًا بهذا المفهوم من خلال سلسلة من النماذج الأولية الأكثر تعقيدًا والأكثر كفاءة. تتمثل إحدى الطرق في عمل طبقات من نظائر ماسات C-14 / C-12 في المختبر من غازات عالية النقاء. لهذا ، نحتاج إلى كميات أكبر بكثير من غاز الميثان C-14 methane مما هو متاح لدينا حاليًا. هناك طريقة أخرى محتملة تتمثل في عمل طبقات الماس المشبع بالنيتروجين Nitrogen-Doped Diamond في المختبر ثم تعريضه للإشعاع في مفاعل لتنمو في الكربون C-14 ثم ترسيب الماس “النظيف” في الخارج. هذا من شأنه أن يحقق نفس التأثير ولكن بدون نقاء نظائري كامل. نحن على وشك القيام بذلك في مفاعل الأبحاث في KURRI في اليابان.
.
هل هذه الماسات الصناعية مشابهة في مظهرها لتلك المستخدمة في المجوهرات غير التقليدية؟
لا ، يوجد الماس على شكل شطيرة مكونة من طبقات رقيقة تتكون كل منها من حبيبات كبيرة متعددة الكريستالات بدلاً من الماس أحادي البلورة الموجود في المجوهرات.
.
ماذا يحدث لـلكربون C-14 عندما يتعرض للاضمحلال الإشعاعي Radioactive Decay ؟
الكربون 14 يتحلل إلى النيتروجين 14 عن طريق انبعاث إشعاع بيتا Beta . جسيم بيتا هو في الأساس إلكترون ذو طاقة عالية (متوسط طاقة الاضمحلال 50 كيلو إلكترون فولت keV) وهذا يبدأ سلسلة من الإلكترونات منخفضة الطاقة في بطاريتنا والتي يتم جمعها بواسطة القطب الخارجي Outer Electrode . بمرور الوقت ، يؤدي هذا إلى تراكم النيتروجين ولكنه لا يدمر بنية الماس لأن النيتروجين قابل للذوبان بشكل مدهش. الماس له حد لقابلية الذوبان للنيتروجين البديل تقترب من 2*1018 سم-3 بوصة من الألماس المشكل CVD-Formed Diamond . سوف يستغرق هذا التحول مئات السنين حتى يصبح ملحوظًا ومؤثرا على أداء الجهاز ويرجع ذلك أساسًا إلى أن غالبية التيار يتولد في طبقات الألماس “النظيفة” المحيطة (والنقية نظريًا Isotopically Pure).
.
كيف يتم توليد التيار الكهربي وكيف يتدفق؟
كما هو موضح أعلاه ، يتحرك جسيم بيتا المنطلق من كل تحلل للكربون C-14 تجاه هيكل الماس المحيط ، مما يؤدي إلى إنشاء أزواج من الثقوب الإلكترونية Electron Hole المتتالية بسبب التصادمات غير المرنة Toinelastic Impacts مع ذرات الكربون الأخرى وتوليد سلسلة من الإلكترونات منخفضة الطاقة التي يتم جمعها بواسطة المعدن الملامس للماس. من حيث التوصيل الكهربي، الماس عبارة عن أشباه موصلات (مثل السيليكون) ويعمل مثل خلية الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون ، يتدفق التيار الكهربائي عندما يتم إعطاء إلكترونات التكافؤ valence electrons طاقة كافية ليتم ترقيتها إلى نطاق التوصيل Conduction Band .
.
ما نوع التكاليف التي ينطوي عليها معالجة النفايات النووية المتوفرة في شكل بطارية ألماس؟
التكاليف الدقيقة لمعالجة النفايات غير معروفة. ومع ذلك ، فإن تقديرات التكلفة للتخلص من نفايات الجرافيت هي 46 ألف جنيه إسترليني/متر مكعب لـ ILW و 3 آلاف جنيه إسترليني/متر مكعب لـ LLW. لذلك ، إذا تمت معالجة النفايات لإزالة الكربون C14 وإعادة تصنيف النفايات تبعا لـ LLW ، فإن أي تكلفة أقل من 43 ألف جنيه إسترليني / متر مكعب ستمثل توفيرًا لدافع الضرائب في المملكة المتحدة.
.
ما هو نوع المقياس المطلوب للجدوى التجارية؟
ما زلنا في الوقت الحالي في TRL 2 نسعى حاليًا للحصول على تمويل للمضي قدمًا بالمفهوم من خلال سلسلة من النماذج الأولية الأكثر تعقيدًا والأكثر كفاءة. الجدوى التجارية هي أحد الجوانب التي سيتم التأكد منها خلال المشروع ، بالشراكة مع فريق البحث والتطوير Research and Development (RED) في جامعة بريستول.
.
هل توجد كمية مثلى من الكربون 14 توفر أفضل نسبة طاقة إلى الوزن؟
باختصار ، نعم ، من المحتمل أن تكون تكلفة الكربون C14 هي الجزء الأكبر ، وبالتالي فإن زيادة الكربون C14 مقابل القليل من الزيادة في الطاقة لن تكون مجدية اقتصاديًا. ومع ذلك ، لا يزال يتعين تحديد الكمية الدقيقة وسيتم التحقيق فيها خلال العمل الجاري.
.
كيف يتم نقل الطاقة من ألماس إلى الجهاز الذي يشغل به؟
من غير المحتمل أن توفر بطارية الألماس Diamond Battery طاقة مباشرة للجهاز المتصل بها. من المرجح أنه سيتم ربطها بمكثف Capacitor يتم شحنه ببطء Trickle Charged بواسطة البطارية ثم تفريغه على فترات زمنية محددة ، لتشغيل الأجهزة على فترات زمنية محددة أو للتشغيل المتواصل لأجهزة تسحب تيار كهربي منخفض.
.
ما هي الخطوات التالية في هذا البحث؟
ما زلنا في TRL 2 في الوقت الحالي نسعى للحصول على تمويل للمضي قدمًا بهذا المفهوم من خلال سلسلة من النماذج الأولية الأكثر تعقيدًا والأكثر كفاءة. تتمثل إحدى الطرق في عمل طبقات من نظائر ماسات C-14 / C-12 في المختبر من غازات عالية النقاء. لهذا ، نحتاج إلى كميات أكبر بكثير من غاز الميثان C-14 methane مما هو متاح لدينا حاليًا. هناك طريقة أخرى محتملة تتمثل في عمل طبقات الماس المشبع بالنيتروجين Nitrogen-Doped Diamond في المختبر ثم تعريضه للإشعاع في مفاعل لتنمو في الكربون C-14 ثم ترسيب الماس “النظيف” في الخارج. هذا من شأنه أن يحقق نفس التأثير ولكن بدون نقاء نظائري كامل. نحن على وشك القيام بذلك في مفاعل الأبحاث في KURRI في اليابان.
.
ما هي أفضل الاقتراحات التي تلقيتها من الجمهور عبر وسم #diamondbattery؟
لقد جمعنا بعضًا من أفضل الاقتراحات وتم نشرها في مدونة.
.
إذاً هذا رائع من حيث عمر البطارية Lifetime ، ولكن يبدو أن لها حدودًا لمقدار الطاقة التي يمكن أن تولدها على نطاق زمني قصير وبالتالي التي يمكن استخدامها بالفعل؟
هذه التكنولوجيا ليست بديلاً عن بطاريات AA . تركز تطبيقات هذه التقنية على العمر الطويل Long Lifetime ، والأجهزة منخفضة الطاقة Low Power Devices مثل الإلكترونيات الصغيرة المرتبطة باستكشاف الفضاء ، والأجهزة الطبية ، واتصالات قاع البحر Sea Bed Communications وما إلى ذلك من تطبيقات.
في جوهرها ، تم تصميم هذه التكنولوجيا للتطبيقات التي تتطلب طاقة منخفضة للحفاظ على تشغيل الأجهزة / الاحتفاظ ببيانات مخزنة في ذاكرة وما إلى ذلك وحيث يكون تغيير البطارية غير ممكن /أو مكلف بطبيعته.
.
هل يمكنك “تجميع” هذه العناصر معًا / أو ربطها / أو إضافتها معًا لتكوين مصدر أكبر للطاقة؟
باختصار ، نعم! تشبه إلى حد كبير البطارية العادية التي تتكون من خلايا متعددة ، يمكننا أيضًا جمع التيارات من خلايا متعددة لزيادة إنتاج الطاقة.
.
ما هو حجم الألماس؟ بمعنى آخر. إذا كان لديك 1 جم = 15 جول يوميًا ، فماذا لو كان لديك 20 جم؟
أحد القيود هو كمية الألماس C14 التي يمكن تصنيعها. الحد الأقصى لحجم الألماس الصناعي المصنوع باستخدام ترسيب البخار الكيميائي Chemical Vapor Deposition محدود.
.
هل يمكن أن تكون البطارية صغيرة بما يكفي لتشغيل الروبوتات النانوية Nanobots؟
سيعتمد هذا على متطلبات الطاقة للروبوتات النانوية ، حيث يتناسب حجم الجهاز (البطارية) مع كمية إنتاج الطاقة المطلوبة.
.
ما مدى كثافة الطاقة المطلوبة في عملية تكوين الألماس؟ وبالتالي ، ما هو العائد على الاستثمار في الطاقة؟
التكاليف الدقيقة لمعالجة النفايات لاسترداد الكربون C14 غير معروفة ولكن من المحتمل أن تهيمن على تكلفة الجهاز. التكلفة الفعلية لتصنيع الأجهزة بمجرد توفر غاز خام مناسب تكون صغيرة نسبيًا ولذا يجب أن تكون مجدية اقتصاديًا.
.
ماذا عن النظائر U-238 و U-234 و Np-237 وما إلى ذلك؟
يمكن استخدام نظائر مشعة أخرى ، لكن فائدة الكربون C14 هي أنها تصدر إشعاع بيتا فقط. هذا يعني أنه يمكن جعله آمنًا بشكل سلبي Passively Safe من خلال إحاطة العنصر المشع للبطارية بألماس غير مشع Non-Radioactive Diamond . قد تنبعث من النظائر المشعة الأخرى أشعة جاما التي لن يحميها الألماس المحيط ، وبالتالي فهي أقل احتمالية في الإستخدام إلي أن يتم الحصول على تأكيد عام بأنها آمنة وستتطلب حماية إضافية لجعلها آمنة. مثل هذا التدريع الإضافي سيجعل البطارية أكبر وأثقل وأغلى ثمناً وبالتالي سيحد من استخدامها.
.
هل هناك أي أوراق منشورة متاحة؟
نظرًا لأننا ما زلنا في الوقت الحالي في TRL 2 في المراحل الأولى ، لا توجد أوراق منشورة حول هذا المشروع بالضبط. يعمل فريق البحث على نشر نتائج النموذج الأولي بعد استكمال براءات الاختراع وحفظها.
.
ما هي التكلفة؟
التكاليف الدقيقة لمعالجة النفايات لاسترداد الكروبن C14 غير معروفة ولكن من المحتمل أن تهيمن على تكلفة الجهاز. التكلفة الفعلية لتصنيع الأجهزة بمجرد توفر غاز خام مناسب تكون صغيرة نسبيًا ويمكن أن تكون مجدية اقتصاديًا.
.
للمزيد ولقراءة المقال في صورة ملف PDF : من هـنـا 
.
أقرأ أيضا: “العصر الماسي” لتوليد الطاقة مع تطوير البطاريات النووية
.
المصادر
1- Diamond battery – Wikipedia
2- Diamond Battery FAQs – University of Bristol – Pdf
*
تابع صفحتنا علي الفيس بوك
*********************************
مواضيع ذات صلة
.
.
.
.
.