Thiết bị mới được kì vọng sẽ thay thế những nguồn năng lượng truyền thống như gió, mặt trời đang bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu.
Bước tiến quan trọng
Trong bối cảnh thế giới đang hướng đến những nguồn năng lượng sạch và bền vững, các nhà khoa học không ngừng tìm kiếm giải pháp thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống.
Một trong những bước đột phá đáng chú ý là sự phát triển của pin hạt nhân, công nghệ mới hứa hẹn cung cấp năng lượng ổn định trong thời gian dài mà không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết hay vị trí địa lý.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Tây Bắc, Cam Túc, Trung Quốc, mới đây đã chế tạo thành công pin hạt nhân đầu tiên làm từ carbon phóng xạ. Pin có tuổi thọ lên đến 100 năm. Thành tựu này đánh dấu một bước tiến quan trọng, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị y tế, không gian và các khu vực hẻo lánh.
Không giống như các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời, vốn phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài, pin hạt nhân hoạt động nhờ vào sự phân rã phóng xạ của đồng vị để tạo ra điện.
Với chu kỳ bán rã kéo dài hàng trăm năm, công nghệ này mang lại lợi ích to lớn về mặt độ bền và tính ổn định. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã sử dụng carbon-14, một đồng vị hiếm của carbon, để chế tạo pin hạt nhân. Loại đồng vị này có đặc tính phân rã chậm, giúp đảm bảo nguồn điện kéo dài hàng thập kỷ mà không cần thay thế.
Carbon tồn tại ở 3 đồng vị trong tự nhiên. Carbon-12 là đồng vị phổ biến nhất, chiếm 99,8% tổng lượng carbon được tìm thấy trên Trái đất. Carbon-13 chiếm khoảng 1%, trong khi carbon-14 rất hiếm, đến mức nó chỉ xuất hiện một lần trong một tỷ nguyên tử carbon.
Carbon-14 phân rã phóng xạ yếu và có chu kỳ bán rã là 5.730 năm. Pin hạt nhân cấu tạo từ chất bán dẫn hợp nhất làm từ silicon và carbon-14, với công suất đầu ra là 433 nanowatt. Hiệu suất pin vẫn được đảm bảo ngay cả trong điều kiện nhiệt độ khắc nhiệt từ -100 độ C đến 200 độ C. Pin không chỉ cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép như máy tạo nhịp tim, giao diện não - máy tính, mà còn dành cho các thiết bị điện ở những nơi xa xôi và ngoài không gian.
Thực tế, pin hạt nhân không phải là một ý tưởng mới. Từ lâu, các cơ quan vũ trụ như NASA đã sử dụng máy phát điện nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) để cung cấp năng lượng cho tàu thăm dò vũ trụ như Voyager, Curiosity hay Perseverance.
Tuy nhiên, sự khác biệt của thế hệ pin hạt nhân mới nằm ở kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao hơn và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm thiết bị y tế như máy tạo nhịp tim hoặc các cảm biến ở môi trường khắc nghiệt.
So với các lò phản ứng hạt nhân truyền thống, pin hạt nhân có mức độ an toàn cao hơn và ít gây ô nhiễm hơn, do không tạo ra chất thải phóng xạ dạng lỏng hoặc khí. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn, các quốc gia cần có quy trình xử lý và lưu trữ hợp lý nhằm tránh nguy cơ rò rỉ phóng xạ. Việc quản lý nguồn nguyên liệu hạt nhân cũng là một thách thức lớn, đòi hỏi các biện pháp kiểm soát chặt chẽ.
Tham vọng của các cường quốc công nghệ
Trung Quốc đã đi vào lịch sử khi chế tạo ra pin hạt nhân đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, đây không chỉ là cột mốc về y học hay nghiên cứu không gian, mà còn là sự biến chuyển mạnh mẽ về năng lực công nghệ của Trung Quốc ở cấp độ sâu hơn.
Các nhà nghiên cứu sử dụng carbon-14 được điều chế từ Beita Pharmatech, công ty chuyên phát triển các hợp chất liên quan đến carbon-14 tại Trung Quốc. Trước đây, phải nhập khẩu đồng vị này từ Canada, Nam Phi, Nga hay Australia nhưng hiện nay có nội lực để sản xuất đồng vị hiếm.
Từ năm 2024, Trung Quốc bắt đầu sản xuất hàng loạt carbon-14 trong một lò phản ứng hạt nhân thương mại ở Chiết Giang. Họ có kế hoạch phát triển thiết bị phát hiện đồng vị carbon-13 tự động cùng với các máy tách điện từ để hỗ trợ sản xuất carbon-14 công nghiệp.
Không chỉ có Trung Quốc, nhiều quốc gia khác cũng đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển pin hạt nhân. Mỹ đang tiên phong với các dự án của Nano Diamond Battery (NDB), một công ty khởi nghiệp tại California.
Công nghệ của NDB sử dụng kim cương nhân tạo chứa carbon-14 để tạo ra điện năng liên tục trong hàng chục năm mà không cần sạc. Mục tiêu của họ là cung cấp nguồn điện an toàn, không phát thải cho các thiết bị điện tử, vệ tinh, thậm chí cả xe điện trong tương lai.
Nga, một quốc gia có nền công nghiệp hạt nhân phát triển, đang thử nghiệm pin hạt nhân dựa trên đồng vị nickel-63 và tritium. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ ứng dụng trong các vệ tinh, tàu không gian và hệ thống quân sự. Đặc biệt, Viện Nghiên cứu Khoa học Vật lý - Kỹ thuật Moscow đã công bố những tiến bộ trong việc chế tạo pin hạt nhân có công suất cao hơn so với các thế hệ trước.
Anh và Liên minh châu Âu cũng không đứng ngoài cuộc đua. Các nhà khoa học tại Đại học Bristol, Anh, đã nghiên cứu việc sử dụng plutonium-238 tái chế từ chất thải hạt nhân để chế tạo pin hạt nhân có tuổi thọ hàng trăm năm.
Dự án này không chỉ giúp tạo ra nguồn năng lượng bền vững, mà còn góp phần xử lý chất thải phóng xạ một cách hiệu quả. Trong khi đó, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang phát triển các máy phát điện nhiệt điện đồng vị phóng xạ mới để cung cấp năng lượng cho các sứ mệnh không gian dài hạn.
Pin hạt nhân là một bước tiến công nghệ đầy tiềm năng, có thể thay đổi cách con người sử dụng năng lượng trong tương lai. Với khả năng cung cấp điện ổn định trong nhiều năm mà không cần bảo trì, chúng có thể trở thành nguồn năng lượng lý tưởng cho thiết bị y tế, không gian và các môi trường khắc nghiệt.
Tuy nhiên, để khai thác tối đa lợi ích của công nghệ này, các quốc gia cần đầu tư vào nghiên cứu, kiểm soát chặt chẽ vấn đề an toàn và tìm cách xử lý nguyên liệu phóng xạ một cách bền vững. Dù còn nhiều thách thức, nhưng với những tiến bộ hiện tại, pin hạt nhân có thể là chìa khóa mở ra kỷ nguyên năng lượng mới cho nhân loại.
