Technologia jak z sci-fi – bezemisyjna wieczna diamentowa bateria
„Diamenty są na zawsze” poucza stare powiedzenie i jest w tym sporo racji w kwestii deklaracji uczuć męsko-damskich po osiągnięciu gotowości do małżeństwa. Jednak brytyjscy specjaliści z Bristolu za pieniądze UK Atomic Energy Authority zastosowali je do opisania stworzonej właśnie przez siebie baterii, choć ja nie mam przekonania, że określenie „bateria” jest tu wystarczające.
W tej historii wszystko jest zaskakujące, dopóki się sobie nie odświeży wiedzy z zakresu fizyki, a dokładnie promieniotwórczości, którą wbijano nam do głów w szkole średniej. Albowiem skonstruowane przez Brytyjczyków urządzenie – nie znajduję lepszego słowa, by określić tę świecącą kostkę – to diament z atomów izotopu węgla 14C. Tu przypomnę, że diament to druga po graficie forma występowania węgla w naturze jako kryształu. Oba te kryształy zasadniczo się różnią, najbardziej zaś pod względem twardości i trwałości właśnie. Nikt zatem nie robi pierścionków zaręczynowych z grafitem, bo nie tylko byłyby one czarne i matowe, ale po prostu już na papierową rocznicę ślubu byłoby po pierścionku.
Teraz musimy uruchomić wyobraźnię, by zobaczyć, że przecież taki diament wcale nie musi być kryształem atomów takiego zwykłego węgla 12C, ale jak najbardziej do pomyślenia jest robienie diamentów (tak – robienie, bo nie koniecznie trzeba je dziś wydobywać, istnieją technologie ich uzyskiwania) z promieniotwórczych izotopów tego pierwiastka, jak chociażby najlepiej znany nam ze szkoły węgiel 14C.
Skąd ów promieniotwórczy izotop, o którym uczymy się tyleż na fizyce, co na historii – bo służy do ustalania wieku materiałów organicznych nie starszych, niż 60 tys. lat, zatem w archeologii metoda radiowęglowa jest bezcenna – w ogóle się bierze? Otóż jądro atomowe 14C zawiera 6 protonów i 8 neutronów, a powstaje w górnych warstwach atmosfery w wyniku pochłonięcia neutronu przez obecne tam jądra atomu azotu 14N. Neutrony te powstają w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego, czyli zasadniczo protonów, z jądrami atomowymi pierwiastków atmosferycznych.
Co jest kluczowe natomiast w tej historii, a co zasygnalizowałam już pisząc o wykorzystywaniu 14C do datowania, jego atomy ulegają rozpadowi spontanicznemu. Rozpadający się atom 14C wytwarza jedną cząstkę promieniowania beta, a sam przekształca się w atom azotu. Jest zatem radioaktywny. Opisując rzecz dokładnie, izotop ten ulega rozpadowi beta minus, tworząc niepromieniotwórczy azot 14N, antyneutrino oraz elektron. Maksymalna energia elektronów (czyli tzw. promieniowania beta) emitowanych w tym rozpadzie wynosi 156,5 keV, a czas połowicznego rozpadu wynosi 5730 ±40 lat. Na skutek rozpadu, liczba radioaktywnych atomów węgla-14 w określonej porcji materii organicznej maleje z upływem czasu, zatem stosunek owego izotopu do 12C służy datowaniu.
Na czym polega brytyjska innowacja i ta bateria diamentowa na wieczność? Bateria ta wychwytuje energię z radioaktywnego rozpadu węgla-14, działając podobnie do paneli słonecznych wychwytujących fotony. Przy czym ów diament 14C wychwytuje poruszające się wolniej od fotonów elektrony, czyli promieniowanie beta – i nimi się „ładuje”. Warto tu uświadomić sobie, że prąd elektryczny, jak sama nazwa wskazuje, to strumień elektronów właśnie. Powstaje tym samym niezwykle trwałe źródło zasilania, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań, w których wymiana baterii jest niepraktyczna. Pamiętać jednak przy tym należy, że promieniowanie beta jest znacznie bardziej przenikliwe niż cząstek promieniowania alfa o tej samej energii. Bez trudu przechodzi przez kartkę papieru, ale pochłaniane jest przez folię aluminiową. W zależności od swojej energii potrafi w powietrzu rozchodzić się nawet na dystans kilku metrów. Po to jednak nad innowacją pracowali spece od promieniotwórczości, żeby brać pod uwagę niezbędny poziom zabezpieczeń, gdyby bateria ta miała pracować w bliskości organizmów żywych.
To ważne, bo jak twierdzą w materiałach prasowych udostępnionych pod koniec minionego roku autorzy diamentu 14C: „potencjalne zastosowania tej rewolucyjnej baterii obejmują eksplorację kosmosu i urządzenia zabezpieczające, a także implanty medyczne, takie jak rozruszniki serca. Naukowcy uważają, że ta technologia mikrozasilania może ostatecznie znaleźć zastosowanie w codziennej elektronice, oferując zrównoważone, bezobsługowe rozwiązania energetyczne”. Wspominanie tu, że zasadniczo rzecz cała nie tylko sama się ładuje, ale też – skoro powstaje azot – jest całkowicie bezemisyjna, to już wisienka na torcie. Brawa zatem dla tych państwa z zespołu kierowanego przez profesora Toma Scotta, materiałoznawcę z Uniwersytetu w Bristolu.
Czy – jeśli tę technologię da się skalować, co wydaje się zadaniem na najbliższą dekadę – wejdziemy w nową erę w magazynowaniu energii, a nie bójmy się twierdzić, także w jej lokalnym mikrowytwarzaniu? Czy ta przedziwna technologia będzie stanowić przełom dla wielu branż? Czy bez ładowania z zewnątrz baterie takie istotnie będą w stanie zasilać jakieś urządzenia przez tysiące lat?
Według komentatorów – sky is the limit. Stworzenie biokompatybilnych baterii diamentowych znalazłoby także zastosowanie w implantach wzrokowych, aparatach słuchowych, a nie tylko wspomnianych już rozrusznikach serca. Tam, gdzie panują warunki ekstremalne (poza żywymi płomieniami, bo węgiel 14C jak każdy inny płonie, dając dwutlenek węgla) uniemożliwiające częstą wymianę baterii czy w ogóle stosowanie technologii galwanicznych, ten diament z Bristolu mógłby się okazać jak znalazł. Baterie takie mogłyby bowiem zasilać np. aktywne znaczniki częstotliwości radiowej (RF) tam, gdzie zachodzi potrzeba identyfikacji i śledzenia przez dziesięciolecia urządzeń na Ziemi lub w kosmosie, takich jak statki kosmiczne lub ładunki/kontenery. O ile koszt produkcji przemysłowej tych diamentów 14C okazał się akceptowalny, ogólny, bardzo wysoki koszt takich niezbędnych dla naszego współczesnego funkcjonowania operacji lokalizacji RF zasadniczo by zmalał.
„Potrzebujesz mikrowatów – kup baterię diamentową”. Slogan reklamowy już jest. Moc jest niska, ale zasadniczo wieczna. To, co istnieje dziś, to zbudowane przez specjalistów brytyjskich na kampusie Culham UK Atomic Energy Authority urządzenie do osadzania plazmowego, niezbędne do hodowli tego szczególnego węglowego kryształu, czyli diamentu 14C. Jak twierdzą autorzy rozwiązania: „rozwój ten jest częściowo wynikiem pracy tych samych specjalistów nad energią fuzji jądrowej. Ekspertyza zdobyta w tych badaniach pomaga przyspieszyć innowacje w powiązanych technologiach”.
Nie umiem powiedzieć, czy ta technologia jest istotnie skalowalna, czyli czy da się takie baterie uzyskiwać jeśli już nie masowo, to przynajmniej półprzemysłowo, choćby na początek wyłącznie na potrzeby rozwiązań kosmicznych. Ale chciałabym to zobaczyć. Bo ta bateria nie tylko, że interesująca, innowacyjna i potencjalnie cenna dla naszej przyszłości, jest też, jak każdy diament, w oczach kobiety po prostu piękna.