Phát triển pin hạt nhân thế hệ mới
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Tây Bắc, phối hợp với Công ty Công nghệ Chúc Long Cam Túc, vừa công bố thế hệ pin hạt nhân mới sử dụng đồng vị carbon-14 và bộ chuyển đổi cacbua silic (SiC). Loại pin này có chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm, cho phép phát điện trong thời gian rất dài, dù công suất chỉ ở mức microwatt. Thiết bị được đánh giá là bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực nguồn điện siêu nhỏ, tuổi thọ cao, có thể vận hành ở những môi trường con người khó tiếp cận như dưới biển sâu hoặc nơi không người.
Nguyên lý hoạt động và ưu điểm vượt trội
Pin hạt nhân, còn gọi là pin đồng vị phóng xạ hoặc pin nguyên tử, khác với pin hóa học thông thường vì tận dụng năng lượng phát ra trong quá trình phân rã của vật liệu phóng xạ để tạo điện. Nhiều đồng vị có chu kỳ bán rã kéo dài hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm, giúp nguồn điện này hoạt động lâu hơn rất nhiều so với pin truyền thống. Công nghệ này không mới, từng được sử dụng trong các sứ mệnh không gian sâu như tàu Voyager của NASA phóng năm 1977 hay xe tự hành Curiosity trên sao Hỏa năm 2012. Trung Quốc cũng từng dùng loại pin này trong các nhiệm vụ thám hiểm Mặt Trăng như Hằng Nga 3 và Hằng Nga 4. Điểm khác biệt của bước tiến mới nằm ở kích thước, mức độ tích hợp và việc làm chủ chuỗi công nghệ trong nước.
Cải tiến từ 'Chúc Long 1' đến 'Thiên Xu'
Nhóm nghiên cứu từng giới thiệu mẫu pin carbon-14 đầu tiên mang tên “Chúc Long 1” vào năm 2024. Phiên bản mới, gọi là “Thiên Xu” thuộc dòng “Thiên Kỷ Nguyên”, được mô tả là cải tiến mạnh so với thế hệ trước. Theo nhóm phát triển, lượng vật liệu phóng xạ sử dụng chỉ còn 22% so với mẫu cũ, trong khi công suất tối đa tăng 2,6 lần mà vẫn giữ ổn định điện áp và độ tin cậy. Su Maogen, trưởng nhóm dự án tại Đại học Sư phạm Tây Bắc, cho biết các thế hệ trước còn gặp hạn chế về công suất thấp, mức độ tích hợp kém và chi phí cao. Vì vậy, nhóm tập trung vào 4 mục tiêu là thu nhỏ thiết bị, tăng công suất, hạ giá thành và tự chủ toàn bộ công nghệ.
Năm nâng cấp chính và bộ chuyển đổi cacbua silic
So với “Chúc Long 1”, thế hệ mới có năm nâng cấp chính: hệ nguồn phóng xạ tương thích hơn, công nghệ chuyển đổi hiệu quả hơn, cấu trúc xếp chồng 3 chiều giúp tiết kiệm không gian, hệ quản lý năng lượng vi công suất và các cảm biến tích hợp cho phép thiết bị tự vận hành trong một số kịch bản. Trọng tâm của cải tiến là bộ chuyển đổi cacbua silic do Trung Quốc phát triển. Trong cách tiếp cận truyền thống, nhiều pin đồng vị biến nhiệt phát ra từ phân rã phóng xạ thành điện bằng vật liệu nhiệt điện, thường cồng kềnh và cần chênh lệch nhiệt lớn. Với “Thiên Xu”, quá trình chuyển đổi diễn ra trực tiếp hơn: khi carbon-14 phân rã, nó phát ra các hạt beta (electron năng lượng cao), tương tác với chất bán dẫn cacbua silic tạo ra dòng điện. Các nhà nghiên cứu ví thiết bị này giống một tấm pin Mặt Trời thu nhỏ, nhưng thay vì hấp thụ ánh sáng, nó hấp thụ bức xạ beta được kiểm soát bên trong cấu trúc kín.
Thông số kỹ thuật và ứng dụng tiềm năng
Thiết bị mới có thể tích hơn 16 cm³, chỉ lớn hơn một inch khối. Với 129 millicurie carbon-14, nó tạo dòng điện 0,713 microampere, điện áp 2,06 V và công suất tối đa 1,13 microwatt. Đây là mức rất nhỏ, không đủ cho các thiết bị tiêu thụ nhiều điện, nhưng phù hợp với cảm biến siêu tiết kiệm năng lượng, thiết bị theo dõi môi trường xa xôi hoặc một số ứng dụng y sinh và không gian. Nhờ cấu trúc mới, thể tích thiết bị giảm 17%, trong khi mật độ công suất theo thể tích tăng khoảng 15 lần so với mẫu trước. Đây là cải thiện quan trọng vì điểm nghẽn của pin hạt nhân siêu nhỏ lâu nay không chỉ là tuổi thọ, mà còn là làm sao tạo đủ công suất trong một thể tích đủ nhỏ và chi phí chấp nhận được.
Triển vọng dài hạn
Carbon-14 có chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Điều này không có nghĩa pin sẽ duy trì công suất ban đầu nguyên vẹn trong từng ấy năm, nhưng cho thấy nó có thể phát điện ổn định trong thời gian rất dài so với pin hóa học. Pin hạt nhân này có thể duy trì khả năng phát điện trong hàng nghìn năm về mặt lý thuyết, dù công suất sẽ giảm dần theo thời gian. Theo thông tin từ bài báo gốc, công nghệ này mở ra hướng đi mới cho các nguồn năng lượng siêu nhỏ, bền bỉ trong những môi trường khắc nghiệt.
