جهاز بيتافولت

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

الجهاز البيتافوليتي ( الخلية البيتافوليتية أو البطارية البيتافوليتية ) هو نوع من البطاريات النووية التي تولد تيارًا كهربائيًا من جسيمات بيتا ( إلكترونات أو بوزيترونات ) المنبعثة من مصدر مشع ، باستخدام وصلات أشباه الموصلات . ومن المصادر الشائعة المستخدمة نظير الهيدروجين التريتيوم . وعلى عكس معظم مصادر الطاقة النووية التي تستخدم الإشعاع النووي لتوليد الحرارة التي تُستخدم بدورها لتوليد الكهرباء، تستخدم الأجهزة البيتافوليتية عملية تحويل غير حرارية، حيث تحول أزواج الإلكترون-فجوة الناتجة عن مسار تأين جسيمات بيتا أثناء مرورها عبر شبه موصل. [ 1 ]

تُعد مصادر الطاقة بيتافولتية (والتقنية ذات الصلة بمصادر الطاقة ألفافولتية [ 2 ] ) مناسبة بشكل خاص للتطبيقات الكهربائية منخفضة الطاقة التي تتطلب عمرًا طويلًا لمصدر الطاقة، مثل الأجهزة الطبية القابلة للزرع أو التطبيقات العسكرية والفضائية . [ 1 ]

تاريخ

تم اختراع الخلايا الكهروضوئية بيتا في سبعينيات القرن العشرين. [ 3 ] استخدمت بعض أجهزة تنظيم ضربات القلب في سبعينيات القرن العشرين خلايا كهروضوئية بيتا تعتمد على البروميثيوم ، [ 4 ] ولكن تم التخلص منها تدريجياً مع تطوير بطاريات الليثيوم الأرخص ثمناً. [ 1 ]

كانت المواد شبه الموصلة المبكرة غير فعالة في تحويل الإلكترونات الناتجة عن تحلل بيتا إلى تيار كهربائي، مما استلزم استخدام نظائر ذات طاقة أعلى وأكثر تكلفة، وربما أكثر خطورة . أما المواد شبه الموصلة الأكثر كفاءة المستخدمة اعتبارًا من عام 2019[ 5 ] يمكن إقرانها بنظائر حميدة نسبياً مثل التريتيوم، والتي تنتج إشعاعاً أقل. [ 1 ]

كانت بطارية بيتا سيل ، التي طورها لاري سي. أولسن ، واحدة من أوائل وأنجح البطاريات البيتافولتية التجارية، وقد ساهمت في تصميم الأجهزة البيتافولتية الحديثة مثل بطاريات نانو تريتيوم .

المقترحات

يُستخدم نظام بيتافولتايس بشكل أساسي في التطبيقات البعيدة وطويلة الأمد، مثل المركبات الفضائية التي تحتاج إلى طاقة كهربائية لعقد أو عقدين من الزمن. وقد شجعت التطورات الحديثة البعض على اقتراح استخدام بيتافولتايس لشحن البطاريات التقليدية في الأجهزة الاستهلاكية، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، شحناً بطيئاً . [ 6 ] وفي وقت مبكر من عام 1973، اقتُرح استخدام بيتافولتايس في الأجهزة الطبية طويلة الأمد، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب . [ 4 ]

في عام 2018، طُرح تصميم روسي يعتمد على ألواح من النيكل-63  بسمك 2 ميكرون محصورة بين طبقات من الماس بسمك 10 ميكرون. وقد أنتج هذا التصميم طاقةً مقدارها حوالي 1 ميكروواط بكثافة طاقة تبلغ 10 ميكروواط /سم³ . وبلغت كثافة طاقته 3.3 كيلوواط ساعة/كيلوغرام. ويبلغ نصف عمر النيكل-63 مئة عام. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]  

في عام 2019 أشارت ورقة بحثية إلى جدوى الأجهزة البيتافولتية في بيئات ذات درجات حرارة عالية تتجاوز 733 كلفن (460 درجة مئوية؛ 860 درجة فهرنهايت) مثل سطح كوكب الزهرة . [ 10 ]   

كشفت شركة Betavolt الصينية الناشئة في يناير 2024 عن نموذج أولي لبطارية بيتافولتية، تحتوي على رقاقة رقيقة توفر مصدرًا لجسيمات بيتا (إما الكربون-14 أو النيكل-63 ) محصورة بين طبقتين رقيقتين من أشباه الموصلات الماسية البلورية . [ 11 ] [ 12 ] وتدّعي الشركة الصينية الناشئة أن الجهاز المصغر في مرحلة الاختبار التجريبي. [ 13 ] ويُزعم أنه يُولّد 100 ميكروواط من الطاقة بجهد 3 فولت، ويبلغ عمره الافتراضي 50 عامًا دون الحاجة إلى الشحن أو الصيانة. [ 13 ] وتدّعي Betavolt أنه أول جهاز مصغر من نوعه يتم تطويره على الإطلاق، بأبعاد 15×15×15 مليمترًا. [ 13 ] مصدر طاقته عبارة عن صفيحة من النيكل-63، وهو نظير يتحلل إلى نحاس-63 مستقر وغير مشع، ولا يُشكّل أي تهديد إضافي للبيئة. [ 11 ] [ 13 ]

في مارس 2025، طوّر باحثون في معهد دايغو غيونغبوك للعلوم والتكنولوجيا (DGIST) بطارية بيتافولتية عالية الكفاءة باستخدام الكربون-14. وعلى عكس التصاميم التقليدية، احتوت هذه البطارية على الكربون المشع في كل من المصعد والمهبط ، مما رفع كفاءة تحويل الطاقة إلى 2.86%. وقد عزز استخدام شبه موصل من ثاني أكسيد التيتانيوم مع صبغة أساسها الروثينيوم نقل الإلكترونات، مما أدى إلى ظهور تأثير انهيار الإلكترونات . [ 14 ]

العيوب

مع انبعاث الإشعاع من المواد المشعة، يتناقص نشاطها تدريجيًا (راجع نصف العمر ). وبالتالي، مع مرور الوقت، سيُنتج الجهاز البيتافولتائي طاقة أقل. بالنسبة للأجهزة العملية، يحدث هذا التناقص على مدى سنوات عديدة. بالنسبة لأجهزة التريتيوم ، يبلغ نصف العمر 12.32 سنة. عند تصميم الجهاز، يجب مراعاة خصائص البطارية المطلوبة في نهاية عمرها الافتراضي، والتأكد من أن خصائصها في بداية عمرها الافتراضي تُراعي العمر التشغيلي المطلوب.

يجب أيضًا مراعاة المسؤولية القانونية المتعلقة بالقوانين البيئية وتعرض الإنسان للتريتيوم وتحلله الإشعاعي (جسيمات بيتا ) عند تقييم المخاطر وتطوير المنتجات . وبطبيعة الحال، يؤدي ذلك إلى زيادة الوقت اللازم لطرح المنتج في السوق ، بالإضافة إلى التكلفة المرتفعة أصلًا المرتبطة بالتريتيوم. وقد أعلن تقرير صادر عام 2007 عن المجموعة الاستشارية المعنية بالإشعاع المؤين التابعة لوكالة حماية الصحة في المملكة المتحدة أن المخاطر الصحية للتعرض للتريتيوم تبلغ ضعف ما حددته سابقًا اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع في السويد. [ 15 ]

بما أن التحلل الإشعاعي لا يمكن إيقافه أو تسريعه أو إبطاؤه، فلا توجد طريقة لإيقاف تشغيل البطارية أو تنظيم خرج الطاقة منها. بالنسبة لبعض التطبيقات، لا يُعد هذا الأمر مهمًا، بينما تتطلب تطبيقات أخرى بطارية كيميائية احتياطية لتخزين الطاقة عند عدم الحاجة إليها. وهذا يقلل من ميزة كثافة الطاقة العالية.

أمان

على الرغم من أن الخلايا الكهروضوئية تستخدم مادة مشعة كمصدر للطاقة، إلا أن جسيمات بيتا منخفضة الطاقة ويمكن إيقافها بسهولة بواسطة طبقة حماية بسمك بضعة ملليمترات . مع تصميم الجهاز بشكل سليم (أي مع توفير الحماية والاحتواء المناسبين)، لن يُصدر جهاز الخلايا الكهروضوئية إشعاعًا خطيرًا. إن تسرب المادة المحصورة سيُسبب مخاطر صحية، تمامًا كما هو الحال مع تسرب المواد في أنواع أخرى من البطاريات (مثل الليثيوم والكادميوم والرصاص ) الذي يُؤدي إلى مخاوف صحية وبيئية كبيرة. [ 16 ] يمكن تعزيز السلامة بشكل أكبر عن طريق تحويل النظير المشع المستخدم إلى شكل خامل كيميائيًا ومستقر ميكانيكيًا، مما يُقلل من خطر انتشاره أو تراكمه الحيوي في حالة التسرب.

التوافر

يمكن شراء البطاريات النووية البيتافولتية تجارياً. وتضمنت الأجهزة المتوفرة حتى عام 2012 جهازاً يعمل بالتريتيوم بقدرة 100 ميكروواط ويزن 20 غراماً. [ 17 ]

كفاءة

نظراً لكثافة الطاقة العالية للنظائر المشعة (تتمتع النظائر المشعة بكثافة طاقة أعلى بكثير من مصادر الطاقة الكيميائية، ولكن بكثافة طاقة أقل بكثير؛ تتناسب كثافة طاقة النظير المشع عكسياً مع عمر النصف له (أي أن قصر عمر النصف يؤدي إلى كثافة طاقة أعلى))، ونظراً لأهمية الموثوقية في العديد من تطبيقات الخلايا الكهروضوئية، فإن الكفاءات المنخفضة نسبياً مقبولة. تسمح التقنية الحالية بنسب مئوية أحادية الرقم لكفاءة تحويل الطاقة من مدخلات جسيمات بيتا إلى مخرجات كهربائية، ولكن الأبحاث جارية لتحسين الكفاءة. [ 18 ] [ 19 ] بالمقارنة، تُعتبر الكفاءة الحرارية في حدود 30% منخفضة نسبياً لمحطات الطاقة الحرارية الجديدة واسعة النطاق، بينما تحقق محطات الطاقة ذات الدورة المركبة المتقدمة كفاءة 60% أو أكثر عند قياسها بمخرجات الكهرباء لكل مدخلات حرارية. [ 20 ] إذا كان جهاز الخلايا الكهروضوئية يعمل أيضاً كوحدة تسخين للنظائر المشعة، فإنه يُصبح في الواقع محطة توليد مشترك للطاقة ، ويحقق كفاءات إجمالية أعلى بكثير حيث أن جزءاً كبيراً من الحرارة المهدرة يكون مفيداً. في مجال الخلايا الكهروضوئية ، يفرض حد شوكلي-كويسر أيضًا حدًا مطلقًا لجهاز بيتافولتايد ذي فجوة نطاق واحدة . [ 21 ]

الكفاءة القصوى

بما أن أعلى طاقة يمكن استخلاصها من زوج إلكتروني-فلزي واحد هي طاقة فجوة النطاق، يمكن تقدير الكفاءة القصوى لبطارية بيتا على النحو التالي:

ηالأعلى=هـزهـEHP،{\displaystyle \eta _{\text{max}}={E_{\text{g}} \over E_{\text{EHP}}},}

أينهـز{\textstyle E_{\text{g}}}و هـEHP{\textstyle E_{\text{EHP}}}يمثلان فجوة نطاق أشباه الموصلات وطاقة تكوين زوج الإلكترون-الفجوة على التوالي. ومن المعروف أن الطاقة اللازمة لتوليد زوج إلكترون-فجوة واحد بواسطة جسيم بيتا تتناسب خطيًا مع فجوة النطاق.هـEHP=أهـز+ب{\textstyle E_{\text{EHP}}=AE_{\text{g}}+B}حيث يعتمد A و B على خصائص أشباه الموصلات. [ 22 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 كاثرين بورزاك (17 نوفمبر 2009). "بطارية تدوم 25 عامًا: بطاريات نووية طويلة الأمد تعمل بنظائر الهيدروجين قيد الاختبار للتطبيقات العسكرية" . مجلة التكنولوجيا . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. مؤرشف من الأصل في 19 يناير 2012.
  2. ↑ مركز أبحاث ناسا جلين، الخلايا الكهروضوئية ألفا وبيتا، مؤرشف في 18 أكتوبر 2011 في Wayback Machine (تم الوصول إليه في 4 أكتوبر 2011)
  3. ↑ "مراجعة ومعاينة لتكنولوجيا البطاريات النووية" . large.stanford.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-09-2018 .
  4. 1 2 أولسن، إل سي (ديسمبر 1973). "تحويل الطاقة البيتافولتية". تحويل الطاقة . 13 (4). إلسيفير المحدودة: 117-124 ، IN1، 125-127 . doi : 10.1016/0013-7480(73)90010-7 .
  5. ↑ ماكسيمينكو، سيرجي إي.؛ مور، جيم إي.؛ أفودا، شافرا أ.؛ جينكينز، فيليب ب. (ديسمبر 2019). "أشباه الموصلات المثلى لخلايا بيتافولتية من 3H و63Ni" . التقارير العلمية . 9 (1): 10892. Bibcode : 2019NatSR...910892M . doi : 10.1038/s41598-019-47371-6 . ISSN 2045-2322 . PMC 6659775. PMID 31350532 .   
  6. ↑ "betavoltaic.co.uk" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 31 ديسمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 فبراير 2016 .
  7. ^ بورماشوف، في إس؛ تروشيف، S.Yu. تارلكين، سا. فولكوف، ا ف ب. تيتيروك، دف؛ جولوفانوف، أ.ف. كوزنتسوف، MS؛ كورنيلوف، نيفادا؛ تيرينتييف، سا. فارغ ، VD (أبريل 2018). "نموذج أولي لبطارية نووية عالية الكثافة تعتمد على ثنائيات شوتكي الماسية" . الماس والمواد ذات الصلة . 84 : 41– 47. بيب كود : 2018DRM....84...41B . دوى : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 .
  8. ↑ "بطارية نووية نموذجية تخزن طاقة أكبر بعشر مرات" . معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا . مؤرشف من الأصل بتاريخ 27 أكتوبر 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 سبتمبر 2020 .
  9. ↑ إيرفينغ، مايكل (3 يونيو 2018). "علماء روس يرفعون طاقة نموذج أولي لبطارية نووية" . newatlas.com . تاريخ الاسترجاع: 14 يونيو 2018 .
  10. ↑ أوكونور، أندرو؛ مانويل، ميشيل ف .؛ شو، هاري (نوفمبر 2019). "نموذج مصدر حجمي ذو درجة حرارة ممتدة لتوليد الطاقة الكهروضوئية" . معاملات الجمعية النووية الأمريكية . 121 : 542-545 . doi : 10.13182/T30591 . PMC 8269951. PMID 34248155 .  
  11. ١ ٢ "شركة بيتافولت تقول إن بطاريتها النووية المصنوعة من الماس قادرة على تشغيل الأجهزة لمدة ٥٠ عامًا" . ديفيد زوندي، نيو أطلس، ١٦ يناير ٢٠٢٤. تاريخ الاطلاع: ١٧ يناير ٢٠٢٤.
  12. ↑ "贝塔伏特公司成功研制民用原子能电池" ('Betavolt تنجح في تطوير بطارية الطاقة الذرية للاستخدام المدني')، على موقع Betavolt (باللغة الصينية). تم الوصول إليه في 17 يناير 2024.
  13. 1 2 3 4 أنتوني كوثبرتسون (12 يناير 2024). "بطارية نووية تُنتج الطاقة لمدة 50 عامًا دون الحاجة إلى إعادة شحنها" . صحيفة الإندبندنت . تاريخ الاطلاع: 14 يناير 2024 .
  14. ↑ «علماء يصنعون بطارية لا تحتاج إلى شحن أبداً» . SciTechDaily. 26 مارس 2025.
  15. ↑ إدواردز، روب (29 نوفمبر 2007). "يجب مضاعفة تصنيف مخاطر التريتيوم"" . نيو ساينتست .
  16. ↑ ماهر، جورج (أكتوبر 1991). "أساسيات البطاريات" . لجان المقاطعات، جامعة ولاية داكوتا الشمالية، ووزارة الزراعة الأمريكية . جامعة ولاية داكوتا الشمالية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أغسطس 2011 .
  17. ↑ "بطارية نانو تريتيوم متوفرة تجارياً يمكنها تشغيل الإلكترونيات الدقيقة لأكثر من 20 عاماً" . نيو أطلس . 16 أغسطس 2012. تاريخ الاطلاع: 1 سبتمبر 2020 .
  18. ↑ هاريسون، سارة (20 مارس 2013). "أجهزة بيتافولتية" .
  19. ↑ ساتشينكو، أ.ف.؛ شكربتي، أ.إ.؛ كوركيشكو، ر.م.؛ كوستيليوف، ف.ب.؛ كوليش، م.ر.؛ سوكولوفسكي، إ.و. (1 سبتمبر 2015). "تحليل كفاءة العناصر البيتافولتية". إلكترونيات الحالة الصلبة . 111 : 147-152 . arXiv : 1412.7826 . Bibcode : 2015SSEle.111..147S . doi : 10.1016/j.sse.2015.05.042 . S2CID 94359293 . 
  20. ↑ ستورم، ريتشارد ف. "محطات توليد الطاقة الحرارية الأكثر كفاءة في أمريكا (مؤرشف في 28 مارس 2021)" . مؤرشف من الأصل في 28 مارس 2021.
  21. ↑ ماكسيمينكو، سيرجي إي.؛ مور، جيم إي.؛ أفودا، شافرا أ.؛ جينكينز، فيليب ب. (26 يوليو 2019). "أشباه الموصلات المثلى لخلايا بيتافولتية من 3H و63Ni" . التقارير العلمية . 9 (1): 10892. Bibcode : 2019NatSR...910892M . doi : 10.1038/s41598-019-47371-6 . PMC 6659775. PMID 31350532 .  
  22. ↑ إيفستيغنييف، ميخايلو؛ أفكاني، محمد؛ سوكولوفسكي، إيغور (نوفمبر 2023). "الحد الأقصى لكفاءة بطارية بيتافولتية سيليكونية بمصدر تريتيوم" . الآلات الدقيقة . 14 (11): 2015. doi : 10.3390/mi14112015 . ISSN 2072-666X . PMC 10673167. PMID 38004872 .