بطّاريّات ماسيّة تدوم آلاف السنين... هل تدخل الأسواق قريباً؟

تتقدّم الأبحاث في الطاقة النظيفة والمتجدّدة بوتيرة سريعة. من بين أحدث الاختراقات في هذا المجال، بطاريات تعتمد على الألماس المشعّ وقد لقيت إشادة بما أنّها تعد بتقديم طريقة جديدة لإعادة تدوير النفايات النوويّة كما لتزويد الأجهزة والمركبات الكبيرة بطاقة مستدامة.

وشرحت مايا مولكو في موقع "برايت سايد نيوز" نقلاً عن دراسة في جامعة بريستول أنّ بطاريات قائمة على الألماس المشعّ تمّ تطويرها أولاً سنة 2016 على يد فريق من علماء الفيزياء والكيمياء في معهد كابوت للبيئة التابع لجامعة بريستول. تمّ تقديم الاختراع كجهاز بيتافلطائي مما يعني أنه يتم تشغيله بتحلّل بيتا للنفايات النووية.

تحلّلُ بيتا هو نوع من اضمحلال مشعّ يحدث حين تحتوي نواة ذرة على فائض من الجسيمات فتطلق بعضها للحصول على نسبة مستقرة من البروتونات إلى النيوترونات. يولّد هذا نوعاً من الإشعاع المؤيّن يسمى إشعاع بيتا والذي يتضمن العديد من الإلكترونات والبوزيترونات المعروف باسم جسيمات بيتا.

أسس هذه الهندسة

تحتوي جسيمات بيتا على طاقة نوويّة يمكن أن تتحول إلى طاقة كهربائيّة عبر شبه موصل. تتألّف خلية بيتافلطائية من طبقات رقيقة لمواد مشعة محصورة بين أشباه موصلات. مع تحلّل المادة الأساسية، تطلق جسيمات بيتا إلكترونات في أشباه الموصلات وتنتج تياراً كهربائياً. لكنّ كثافة الطاقة تصبح أقل كلما ابتعدت عن شبه الموصل. علاوة على ذلك، وبما أنّ جسيمات بيتا تُطلق عشوائياً في جميع الاتجاهات، يستطيع فقط عدد قليل منها ضرب شبه الموصل. وهذا يعني أنّ البطاريات الأساسيّة أقل كفاءة بكثير من البطاريات العاديّة. هنا يأتي دور الألماس المتعدد الكريستالات.

تصنع بطاريات الألماس المشعّ من خلال عملية تدعى ترسيب البخار الكيميائيّ والمستخدمة على نطاق واسع في تصنيع الألماس الاصطناعيّ. تستخدم العملية مزيجاً من الهيدروجين وبلازما الميثان لتنمية أغشية ماسيّة على درجات حرارة مرتفعة جداً. لقد عدّل الباحثون عملية ترسيب البخار الكيميائي لتطوير ماسات مشعة مستخدمين الميثان المشعّ الذي يحتوي على نظير كربون-14 المشعّ.

الألماس هو واحد من أصلب المواد التي يعرفها الإنسان ويمكن أن يمثّل مصدراً مشعّاً وشبه موصل في آن. مع تعريضه لإشعاع بيتا سيحصل المرء على بطارية تدوم طويلاً وليست بحاجة لإعادة شحن. النفايات النووية في الداخل تغذيها مراراً وتكراراً فتسمح لها بإعادة شحن نفسها للأبد.

لكنّ فريق بريستول حذّر من أنّ بطاريات الألماس المشعّ الخاصة بهم ليست ملائمة للحواسيب والهواتف الخلويّة بما أنها تحتوي على غرام واحد من الكربون-14 ممّا يعني أنّها تسلّم طاقة ضعيفة جداً، أقل من بطارية AA نموذجية. بالتالي، إنّ تطبيقها كان محدوداً بأجهزة صغيرة مثل أجهزة الاستشعار وتنظيم ضربات القلب.

البطّاريّات النانو-ماسيّة المشعّة... ميزاتها

مع إضافة تقنية النانو، بنت شركة أميركيّة بطاريّة نانو-ماسيّة عالية الطاقة. تأسّست شركة "أن دي بي" في كاليفورنيا سنة 2012 بهدف توليد بدائل أنظف وأكثر صداقة للبيئة من البطاريات التقليديّة. كشفت الشركة الناشئة عن نسختها من البطّاريّات الماسيّة سنة 2016 وأعلنت عن اختبارين لإثبات التصوّر في 2020. وهي واحدة من الشركات التي تحاول تسويق بطاريات الألماس المشعّ تجاريّاً.

بوصفها بطاريات ألفا وبيتا ونيوترون فلطائية، تتمتع الأخيرة بالعديد من الميزات بحسب موقع "أن دي بي" الإلكتروني:

الديمومة: تشير الشركة إلى أنّ البطاريات قد تدوم 28 ألف عام مما يعني أنّها قد تغذّي المركبات والمحطت الفضائية والأقمار الاصطناعية بالطاقة بشكل موثوق. لن يتوجّب على المسيّرات والسيارات الكهربائيّة والطائرات أن تتوقّف أبداً لإعادة شحن نفسها.

الأمان: الألماس ليس واحداً من أصلب المواد وحسب بل هو أيضاً من أكثر المواد الموصلة للحرارة حول العالم كما أنّه يحمي ضد الحرارة التي تولدها النظائر المشعّة في البطارية ويحوّلها إلى كهرباء بسرعة كبيرة.

صديقة للسوق: إنّ الأغشية من الماسات المتعدّدة الكريستالين تسمح للبطارية بالتكيّف مع أشكال مختلفة. لهذا السبب، يمكن للبطاريات النانو-ماسية أن تكون متنوعة الاستخدامات وتدخل أسواقاً مختلفة، أكانت فضائية أو إلكترونية يستخدمها المستهلكون. لكنّ نسخة المستهلكين قد لا تدوم لأكثر من عقد من الزمن.

بحسب التقرير، من المتوقع أن تدخل البطاريات الماسية السوق في 2023. وتخطّط شركة "أركنلايت" التي تروّج لبطارية بريستول الماسيّة المشعّة لإطلاق منتجها الأول، بطارية صغيرة، أواخر السنة الحالية.

ماذا عن مستقبل هذه البطاريات؟

ثمة أنواع من البطاريات ملائمة بشكل أفضل لتطبيقات معيّنة بينما هي غير مفيدة لتطبيقات أخرى. لكن يمكن القول إنّ بطاريات الماس المشعّ لن تحل مكان بطاريات ليثيوم-أيون التقليدية في أيّ وقت قريب. البطاريات التقليدية تدوم لفترة أقصر (5 أعوام) لكنّ كلفة تصنيعها أرخص. البطاريات الماسية أكثر عملانية لأنّها تدوم لفترة أطول من البطاريات التقليدية. إذا أمكن أن تتم هندستها نحو بطارية شاملة كم تقترح "أن دي بي"، فإنه عندها يمكن أن يكون للمستهلكين بطاريات لهواتفهم الخلوية تدوم أكثر من الهاتف نفسه وسيكون بالإمكان نقل البطارية من هاتف إلى آخر كما هي الحال بالنسبة إلى بطاقات "سيم".

لكنّ الماس البيتافلطائي الذي تطوّره "أركنلايت" لن يصل إلى هذا البعد. تعمل الشركات على تصاميم ستكدّس العديد من بطاريات الكربون-14 بيتا في الخلايا. لتوفير تفريغ عالي الطاقة، سيتم إرفاق كل خلية بمكثّف فائق صغير يمكن أن يوفّر تفريغاً سريعاً ممتازاً. لكنّ هذه المادة المشعة تتمتع أيضاً بمدى حياة أكثر من 5 آلاف عام.

لو كان هذا الإشعاع موجوداً في جهاز بشكله الغازيّ لأمكن أن يفرض مشكلة. هنا يأتي دور الماسات. في التكوين الماسيّ، يكون الكربون-14 صلباً لذلك، لا يمكن أن يمتصّه كائن حيّ.

وحسبت وكالة الطاقة الذرية البريطانية أنّ 45 كيلوغراماً من الكربون-14 قد تمكّن من تصنيع ملايين البطاريات الطويلة المدى والمعتمدة على الألماس. قد تقلّص هذه البطاريات أيضاً كلفة تخزين النفايات النووية.

وقال الأستاذ والباحث في جامعة بريستول توم سكوت لموقع "إنسايدر الطاقة النووية" إنّه من خلال إزالة الكربون-14 من الغرافيت المشع (نفايات نووية تستخدم في الماس) مباشرة من المفاعل، ستكون المخلفات النووية المتبقية أقل إشعاعاً وبالتالي سيكون من الأسهل التعامل معها والتخلص منها. إنّ تقديرات الأكلاف للتخلص من نفايات الغرافيت هي 60 ألف دولار للمتر المكعّب بالنسبة إلى النفايات المتوسطة و 4 آلاف دولار للمتر المكعّب من النفايات المنخفضة المستوى.

هل تحرمها كلّ هذه الخصائص من أن تكون واحدة من أفضل الخيارات للمستقبل المستدام الذي يحتاج إليه البشر؟

تجيب الكاتبة بأنّه سيتعيّن علينا أن ننتظر لمعرفة ما إذا كان المصنّعون سيجدون طريقة للتعامل مع أكلاف الإنتاج وعائد الطاقة المنخفض ونقل بطارياتهم المعتمدة على الماس إلى السوق بطريقة رخيصة ويمكن الوصول إليها.

المصدر: "المصدر: النهار العربي"