وداعًا للشحن اليومي: بطارية ألماسية تدوم آلاف السنين

تخيل لو أنك لم تعد بحاجة لشحن هاتفك مرة أخرى طوال حياتك. تخيل لو امتلكنا بطارية تستطيع العمل لعشرات الآلاف من السنين دون توقف. قد يبدو الأمر وكأنه خيال علمي، لكن الأبحاث العلمية والتطبيقات النووية الحديثة بدأت تفتح لنا باب هذا المستقبل عبر بطاريات الكربون-14 النووية. فما هي هذه البطاريات؟ وكيف تعمل؟ وهل ستكون بديلًا حقيقيًا لبطاريات الليثيوم أيون قريبًا؟ في هذا المقال الموسع، نستكشف الحقيقة الكاملة.

ما هي بطارية الكربون-14؟

تعريف عام

بطارية الكربون-14، أو Carbon-14 Battery، هي نوع من البطاريات النووية يستخدم نظير الكربون-14 المشع كمصدر للطاقة. تعتمد هذه البطارية على ظاهرة اضمحلال بيتا الإشعاعي للكربون-14 لإنتاج الطاقة، والتي يتم تحويلها إلى كهرباء باستخدام أشباه موصلات خاصة مثل الألماس الصناعي.

المبدأ العلمي

يصدر الكربون-14 أثناء تحلله إشعاع بيتا منخفض الطاقة، والذي يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي باستخدام تقنيات متقدمة، مما يجعل البطارية تعمل لآلاف السنين دون توقف.

كيف يعمل الكربون-14 داخل البطارية؟

التفاعلات النووية الأساسية

• اضمحلال بيتا: يتحلل الكربون-14 إلى نيتروجين-14 بإصدار إلكترون (جسيم بيتا) ومضاد نيوترينو.

• هذه الإلكترونات المنبعثة تُجمّع عبر مادة شبه موصلة (عادة ألماس صناعي) لتوليد تيار كهربائي ضعيف ولكنه مستمر جدًا.

دور الألماس الصناعي

• يعمل الألماس الصناعي كـ شبه موصل ومُحصن إشعاعيًا.

• يحول الإلكترونات إلى تيار كهربائي.

• يحجب الإشعاع الضار عن البيئة المحيطة، مما يجعله آمنًا جدًا للاستخدام البشري.

أصل الكربون-14 المستخدم

• يتم إنتاج الكربون-14 طبيعيًا في الغلاف الجوي بفعل الأشعة الكونية.

• في التطبيقات الصناعية، يُستخرج من نفايات المفاعلات النووية، مما يجعله مصدرًا للطاقة النظيفة من النفايات الخطرة.

تاريخ تطوير بطاريات الكربون-14

أبحاث ما قبل القرن الحالي

1. الخمسينيات والستينيات: ظهرت البطاريات النووية لأول مرة لتشغيل الأقمار الصناعية وأجهزة تنظيم ضربات القلب، لكنها اعتمدت على نظائر أخرى مثل البلوتونيوم-238.

2. السبعينيات والتسعينيات: توسعت الأبحاث لتشمل استخدام نظائر أقل نشاطًا إشعاعيًا وأكثر أمانًا، مثل الكربون-14.

العصر الحديث

• في عام 2016، أعلنت جامعة بريستول البريطانية عن مشروع لتحويل الكربون-14 إلى مصدر طاقة داخل ألماس صناعي.

• في 2020، كشفت شركة NDB Inc. الأمريكية عن نموذج أولي لبطارية ألماس نووية تستخدم الكربون-14 يمكنها نظريًا العمل حتى 28000 سنة دون توقف.

• تستمر الأبحاث حاليًا لزيادة كفاءة تحويل الطاقة وتقليل التكلفة الإنتاجية الباهظة.

تركيب بطارية الكربون-14

المكونات الرئيسية

1. نظير الكربون-14 المشع: المصدر الأساسي للطاقة.

2. طبقة الألماس الصناعي: تحول الإشعاع إلى كهرباء وتعمل كدرع واقٍ.

3. الدوائر الكهربية الدقيقة: تنظم التيار الناتج وتخزنه أو توزعه حسب التطبيق.

مزايا بطارية الكربون-14

1. عمر افتراضي مذهل

عمر النصف للكربون-14 يبلغ 5730 سنة، ما يجعل البطارية تعمل لآلاف السنين دون توقف أو نقصان كبير في الطاقة.

2. صيانة شبه معدومة

• لا تحتاج شحنًا أو استبدالًا طوال عمرها.

• مثالية للأجهزة التي يصعب الوصول إليها للصيانة مثل الأقمار الصناعية وأجهزة الاستشعار تحت الأرض.

3. أمان بيئي وصحي

• الإشعاع محجوب بالكامل داخل الألماس الصناعي.

• لا تنتج نفايات ضارة أو غازات سامة أثناء عملها.

4. تقليل النفايات النووية

• تُستخدم نفايات الكربون-14 من المفاعلات النووية كمصدر للطاقة، مما يقلل كمية المواد المشعة المخزنة في المنشآت النووية.

عيوب بطارية الكربون-14

1. تكلفة إنتاج عالية جدًا

• إنتاج الكربون-14 وتنقيته ضمن ألماس صناعي بدرجة نقاء كافية عملية معقدة وباهظة التكاليف.

• تصل التكلفة التقديرية للبطارية الواحدة حاليًا إلى مئات الآلاف أو ملايين الدولارات.

2. طاقة خرج منخفضة

• رغم دوامها آلاف السنين، إلا أن طاقتها الحالية لا تكفي لتشغيل الأجهزة عالية الاستهلاك مثل الهواتف الذكية أو السيارات الكهربائية دون دمجها مع مصادر أخرى للطاقة.

3. القيود التنظيمية

• أي مادة مشعة تخضع لقيود صارمة في الاستخدام والنقل والتجارة الدولية، ما قد يعيق انتشار هذه التقنية تجاريًا.

استخدامات بطارية الكربون-14 الحالية والمستقبلية

الفضاء

• تشغيل أجهزة استشعار الأقمار الصناعية ومركبات الفضاء البعيدة.

• دعم البعثات طويلة الأمد حيث يستحيل تغيير البطاريات أو شحنها.

الطب

• أجهزة تنظيم ضربات القلب دون الحاجة للجراحة كل 5-10 سنوات لتغيير البطارية.

• زرعات إلكترونية دقيقة تحتاج لطاقة ثابتة مدى الحياة.

الأمن والدفاع

• أجهزة استشعار الحركة أو الحرارة أو الإشعاع في المناطق العسكرية الحساسة.

إنترنت الأشياء (IoT)

• أجهزة استشعار بيئية أو صناعية تعمل لعقود دون صيانة أو شحن.

مستقبل بطارية الكربون-14 في الهواتف الذكية

ما بين الواقع والخيال

حاليًا، لا يمكن لهذه البطاريات تشغيل هاتف ذكي كامل لأنها تنتج طاقة في حدود بضعة ميكرووات إلى ملي واطات قليلة فقط. ومع ذلك:

1. قد تستخدم مستقبلاً كشاحن احتياطي داخلي يحافظ على بقاء الهاتف يعمل بحالة طوارئ.

2. أو ضمن نظام هجين يجمع طاقة البطارية النووية مع بطارية ليثيوم أيون تقليدية.

شركات ومشاريع تعمل على تطوير بطارية الكربون-14

1. NDB Inc.

• مقرها كاليفورنيا، الولايات المتحدة.

• تطور بطاريات ألماس نووية باستخدام الكربون-14 والنيكل-63.

• تدعي إمكانية إنتاج بطارية تعمل حتى 28000 سنة.

2. جامعة بريستول البريطانية

• تعمل على تطوير "بطارية الألماس النووية" Carbon-14 Diamond Battery منذ 2016.

• تركز على الاستفادة من نفايات محطات الطاقة النووية.

3. المعهد الروسي للأبحاث النووية بالتعاون مع جامعة طوكيو

• مشاريع بحثية لإنتاج بطاريات دقيقة الحجم للاستشعار العسكري والفضائي.

مقارنة موسعة: بطارية الكربون-14 وأنواع البطاريات الأخرى