Các nhà khoa học vừa phát triển một loại pin đặc biệt, có thể biến chất thải phóng xạ thành nguồn điện. Phát minh này không chỉ giúp tận dụng chất thải hạt nhân – một trong những vấn đề lớn nhất của năng lượng hạt nhân – mà còn mở ra hướng đi mới cho các thiết bị điện tử chuyên dụng.
Năng lượng hạt nhân – Lợi ích lớn nhưng thách thức không nhỏ
Hiện nay, 18% điện năng tại Mỹ đến từ các nhà máy điện hạt nhân, theo báo cáo của Hiệp hội Hạt nhân Thế giới. Mặc dù năng lượng hạt nhân không tạo ra khí thải carbon, nhưng nó tạo ra chất thải phóng xạ, có thể tồn tại hàng nghìn năm và gây nguy hiểm cho môi trường nếu không được xử lý đúng cách.
Nhằm giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Ohio đã tìm ra cách chuyển hóa phóng xạ thành điện năng, biến rác thải nguy hiểm thành nguồn năng lượng hữu ích.
Cách thức hoạt động của pin hạt nhân
Loại pin mới này sử dụng các tinh thể phát quang (scintillator crystals) – một vật liệu đặc biệt có thể hấp thụ bức xạ gamma và chuyển hóa thành ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng này sau đó được các tế bào năng lượng mặt trời hấp thụ và chuyển đổi thành điện năng, tương tự như cách hoạt động của các tấm pin mặt trời nhưng thay vì ánh sáng mặt trời, chúng sử dụng bức xạ từ chất thải hạt nhân.
Giáo sư Raymond Cao, tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Optical Materials: X, giải thích:
“Chúng tôi không tạo ra hoặc mang theo nguồn bức xạ. Thay vào đó, thiết bị này được thiết kế để tận dụng các khu vực có mức bức xạ gamma cao, nơi mà năng lượng này có thể được thu nhận và chuyển hóa thành điện.”
Kích thước nhỏ, tiềm năng lớn
Nguyên mẫu pin có kích thước chỉ 4 cm³, tương đương với một muỗng đường. Khi thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hạt nhân của Đại học Bang Ohio, pin đã được cấp năng lượng bằng hai nguồn phóng xạ khác nhau:
- Cesium-137 giúp pin tạo ra 288 nanowatt điện
- Cobalt-60 (mạnh hơn) tạo ra 1.500 nanowatt điện
Mặc dù mức năng lượng này còn rất thấp so với nhu cầu sử dụng trong đời sống hàng ngày, nhưng nó đủ để cung cấp năng lượng cho các hệ thống vi điện tử, cảm biến hoặc thiết bị khẩn cấp.
Ứng dụng trong không gian và đáy biển sâu
Loại pin này không thể sử dụng trong môi trường gia đình vì nó cần mức phóng xạ cao để hoạt động. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu hướng tới những môi trường khắc nghiệt, nơi mà các nguồn năng lượng thông thường không thể hoạt động hiệu quả.
Một số ứng dụng tiềm năng bao gồm:
- Khám phá không gian: Các tàu vũ trụ hoặc robot thám hiểm có thể sử dụng loại pin này khi hoạt động trong môi trường có bức xạ vũ trụ cao.
- Khảo sát đáy biển sâu: Những khu vực có phóng xạ tự nhiên, nơi khó tiếp cận và không thể thay thế pin thường xuyên.
- Các hệ thống cảm biến trong nhà máy hạt nhân: Thiết bị có thể hoạt động lâu dài mà không cần bảo trì, giúp giám sát an toàn trong các khu vực có mức bức xạ cao.
Thách thức phía trước và tương lai của pin hạt nhân
Dù tiềm năng rất lớn, nhưng vẫn còn một số rào cản kỹ thuật cần khắc phục. Một trong số đó là sự hao mòn của vật liệu do tiếp xúc lâu dài với bức xạ mạnh. Hiện tại, cả tinh thể phát quang và tế bào năng lượng mặt trời trong pin đều bị suy giảm hiệu suất theo thời gian, điều này đòi hỏi các vật liệu bền hơn để kéo dài tuổi thọ pin.
Tuy nhiên, nếu vượt qua được thách thức này, pin hạt nhân có thể trở thành giải pháp năng lượng lâu dài, đặc biệt là trong những môi trường không thể tiếp cận hoặc khó thay thế pin.
Giáo sư Ibrahim Oksuz, đồng tác giả của nghiên cứu, nhận định:
“Công nghệ pin hạt nhân có tiềm năng rất lớn. Dù vẫn còn nhiều điều cần cải thiện, nhưng trong tương lai, nó sẽ đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất năng lượng và cảm biến thông minh.”
Biến chất thải thành nguồn năng lượng xanh
Sáng kiến biến chất thải phóng xạ thành điện năng không chỉ giúp tận dụng rác thải nguy hiểm, mà còn mở ra một hướng đi mới cho ngành năng lượng sạch. Nếu thành công, công nghệ này có thể giúp tận dụng nguồn năng lượng từ các nhà máy hạt nhân, đồng thời cung cấp giải pháp điện năng cho những môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái Đất và ngoài không gian.
Đây có thể là một bước tiến quan trọng, đưa thế giới tiến gần hơn đến nền kinh tế tuần hoàn, nơi mà ngay cả chất thải cũng có thể trở thành tài nguyên quý giá.
