Bir atom pili, nükleer pil, radyoizotop pil veya radyoizotop jeneratör adı ne olursa olsun aslında enerji kullanan bir aygıttır. Genelde pil olarak adlandırılsalar da teknik olarak elektrokimyasal değildirler ve şarj edilemez veya yeniden şarj edilemezler. Karşılaştırıldığında, çok maliyetlidirler, ancak son derece uzun ömürleri ve yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler ve bu nedenle uzay aracı, kalp pilleri, su altı sistemleri ve otomatik bilimsel sistemler gibi uzun süre gözetimsiz çalışması gereken ekipman için güç kaynağı olarak kullanılırlar. Nükleer pil teknolojisi, Henry Moseley’nin yüklü parçacık radyasyonu tarafından üretilen bir akımı ilk kez gösterdiği 1913’te başladı. Alan, 1950’lerde ve 1960’larda uzay ihtiyaçları için uzun ömürlü güç kaynakları gerektiren uygulamalar için önemli ölçüde derinlemesine araştırma ilgisi aldı. 1954’te RCA, küçük radyo alıcıları ve işitme cihazları için küçük bir atomik pil araştırdı. RCA’nın 1950’lerin başındaki ilk araştırma ve geliştirmesinden bu yana, nükleer kaynaklardan elektrik enerjisi çıkarmak için birçok tür ve yöntem tasarlandı. Bilimsel ilkeler iyi bilinmektedir, ancak modern nano ölçekli teknoloji ve yeni geniş bant aralıklı yarı iletkenler, daha önce mevcut olmayan yeni cihazlar ve ilginç malzeme özellikleri yaratmıştır. Nükleer piller, enerji dönüştürme teknolojisi ile iki ana gruba ayrılabilir: termal dönüştürücüler ve termal olmayan dönüştürücüler. Termal tipler, nükleer bozulmanın ürettiği ısının bir kısmını elektriğe dönüştürür. En dikkate değer örnek, genellikle uzay aracında kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratördür (RTG). Termal olmayan dönüştürücüler, ısıya dönüşmeden önce doğrudan yayılan radyasyondan enerji çeker. Minyatürize edilmeleri daha kolaydır ve çalışmak için termal gradyan gerektirmezler, bu nedenle küçük ölçekli uygulamalarda kullanım için uygundurlar. En dikkate değer örnek betavoltaik hücredir. Atomik piller genellikle % 0.1-5 oranında bir verime sahiptir. Yüksek verimli betavoltaik cihazlar % 6-8 verimliliğe ulaşabilir.
Termal dönüşüm
Bir termiyonik dönüştürücü, termiyonik olarak elektronları bir uzay şarj bariyeri üzerinden daha soğuk bir elektrota yayan ve faydalı bir güç çıkışı üreten sıcak bir elektrottan oluşur. Sezyum buharı, elektrot çalışma işlevlerini optimize etmek ve elektron alanı yükünü nötralize etmek için bir iyon kaynağı (yüzey iyonizasyonu ile) sağlamak için kullanılır.
Termoelektrik dönüşüm
Ana madde: Radyoizotop termoelektrik jeneratör
Atom Enerjisi Komisyonu tarafından geliştirilen radyoizotopla çalışan kalp pili, arızalı bir kalbin atım hareketini uyarmak için planlandı. 1967 civarı. Bir radyoizotop termoelektrik jeneratör (RTG), termokuplları kullanır. Her termokupl, farklı metallerden (veya diğer malzemelerden) oluşan iki telden oluşur. Her telin uzunluğu boyunca bir sıcaklık gradyanı, telin bir ucundan diğerine bir voltaj gradyanı üretir; ancak farklı malzemeler, sıcaklık farkı derecesi başına farklı voltajlar üretir. Telleri bir uçtan bağlayarak, bu ucu ısıtıp diğer ucu soğutarak, kullanılabilir ancak küçük (mili volt) bir gerilim, bağlanmamış tel uçları arasında üretilir. Uygulamada, ısı sıcak uçlardan soğuk uçlara akarken, aynı ısı kaynağından daha büyük bir voltaj (veya akım) üretmek için birçoğu seri (veya paralel) olarak bağlanır. Metal ısıl çiftler düşük ısıl-elektrik verimliliğine sahiptir. Bununla birlikte, taşıyıcı yoğunluğu ve yükü, bizmut tellürid ve silikon germanyum gibi yarı iletken malzemelerde çok daha yüksek dönüştürme verimlilikleri elde etmek için ayarlanabilir. Termofotovoltaik dönüşüm Termofotovoltaik (TPV) hücreler, sıcak bir yüzeyden yayılan kızılötesi ışığı (görünür ışık yerine) elektriğe dönüştürmeleri dışında, bir fotovoltaik hücre ile aynı prensiplere göre çalışır. Termofotovoltaik hücreler, termoelektrik çiftlerden biraz daha yüksek bir verime sahiptir ve termoelektrik çiftlerin üzerine bindirilerek verimi potansiyel olarak iki katına çıkarabilir. Houston Üniversitesi TPV Radyoizotop güç dönüştürme teknolojisi geliştirme çabası ile eş zamanlı olarak termofotovoltaik hücrelerin birleştirilmesi de hedefliyor termokupl mevcut termoelektrik radyoizotop oluşturma düzenlerinin üzerinden sistem verimliliği 3 ila 4 kat daha fazla gelişme elde edilir. Stirling jeneratörleri Ana madde: Stirling radyoizotop üreteci Bir Stirling radyoizotop üreteci, bir radyoizotop tarafından üretilen sıcaklık farkıyla çalışan bir Stirling motorudur. Daha verimli bir versiyon olan gelişmiş Stirling radyoizotop jeneratörü, NASA tarafından geliştirme aşamasındaydı, ancak 2013’te büyük ölçekli maliyet aşımları nedeniyle iptal edildi.
Termal olmayan dönüşüm
Termal olmayan dönüştürücüler, ısıya dönüşmeden önce yayılan radyasyondan enerji çeker. Termoelektrik ve termiyonik dönüştürücülerin aksine, çıktıları sıcaklık farkına bağlı değildir. Termal olmayan jeneratörler, kullanılan partikül tipine ve enerjilerinin dönüştürüldüğü mekanizmaya göre sınıflandırılabilir. Elektrostatik dönüşüm enerji yayılan elde edilebilir yüklü parçacıkların kendi zaman yük bir kurar iletken böylece oluşturma, elektrostatik potansiyel. Bir yayılma modu olmadan voltaj, birkaç kilovolttan (beta radyasyonu için) mega voltlara (alfa radyasyonu) kadar değişen, yayılan parçacıkların enerjisine kadar yükselebilir. Oluşan elektrostatik enerji, aşağıdaki yollardan biriyle kullanılabilir elektriğe dönüştürülebilir. Doğrudan şarjlı jeneratör Doğrudan şarjlı bir jeneratör, elektrotlardan birine yerleştirilen radyoaktif bir katmandan yüklü parçacıkların akımı ile yüklenen bir kapasitörden oluşur. Aralık, vakum veya dielektrik olabilir. Negatif yüklü beta partikülleri veya pozitif yüklü alfa partikülleri, pozitronlar veya fisyon fragmanları kullanılabilir. Bu nükleer elektrik jeneratörünün geçmişi 1913’e kadar uzanmasına rağmen, geçmişte doğrudan şarj jeneratörleri tarafından sağlanan aşırı düşük akımlar ve rahatsız edici derecede yüksek voltajlar için çok az uygulama bulunmuştur. Voltajı azaltmak için osilatör / transformatör sistemleri kullanılır, ardından AC gücünü tekrar doğru akıma dönüştürmek için redresörler kullanılır. Bunlardan ilkini İngiliz fizikçi H. G. J. Moseley inşa etti. Moseley’nin aparatı, merkezdeki bir telin ucuna monte edilmiş bir radyum yayıcı ile içeride gümüşlenmiş cam bir küreden oluşuyordu. Radyumdan gelen yüklü parçacıklar, radyumdan kürenin iç yüzeyine hızla hareket ettikçe bir elektrik akışı yarattı. 1945’in sonlarına doğru Moseley modeli, radyoaktif elementlerin emisyonlarından elektrik üreten deneysel piller üretmeye yönelik diğer çabalara rehberlik etti.
Elektromekanik dönüşüm
Ana madde: Radyoizotop piezoelektrik jeneratör
Elektromekanik atomik piller, iki plaka birbirine değene, boşalana, elektrostatik birikimi dengeleyene ve geri yaylanana kadar bükülebilir bir plakayı diğerine çekmek için iki plaka arasındaki yük birikimini kullanır. Üretilen mekanik hareket, bir piezoelektrik malzemenin esnetilmesi veya doğrusal bir jeneratör yoluyla elektrik üretmek için kullanılabilir. Mili watt güç, şarj oranına bağlı olarak, bazı durumlarda saniyede birden çok kez (35 Hz) darbeler halinde üretilir.
Radyovoltaik dönüşüm
Bir Radyovoltaik (RV) aygıtı kullanılarak elektrik doğrudan iyonlaştırıcı radyasyon enerjisine dönüştüren yarı iletken birleşme bir elektrik içine fotonların dönüşüm, benzer fotovoltaik hücre. Hedeflenen radyasyon türüne bağlı olarak, bu cihazlara alfavoltaik (AV, αV), betavoltaik (BV, βV) ve / veya gamavoltaik (GV, γV) adı verilir. Betavoltaik, (düşük enerjili) beta yayıcılar en az miktarda radyasyon hasarına neden olduklarından, böylece daha uzun bir çalışma ömrü ve daha az koruma sağladıkları için geleneksel olarak en çok dikkati çekmiştir. Alfavoltaik ve (daha yakın zamanda) gamavoltaik cihazlara olan ilgi, potansiyel yüksek verimliliklerinden kaynaklanmaktadır.
Alfavoltaik dönüşüm
Alfavoltaik cihazlar, enerjik alfa parçacıklarından elektrik enerjisi üretmek için yarı iletken bir bağlantı kullanır.
Betavoltaik dönüşüm
Ana madde: Betavoltaik cihaz
Betavoltaik cihazlar, enerjik beta parçacıklarından (elektronlar) elektrik enerjisi üretmek için yarı iletken bir bağlantı kullanır. Yaygın olarak kullanılan bir kaynak, hidrojen izotop trityumdur. Betavoltaik cihazlar, vücuda yerleştirilebilir tıbbi cihazlar veya askeri ve uzay uygulamaları gibi enerji kaynağının uzun ömürlü olması gereken düşük güçlü elektrik uygulamaları için özellikle uygundur.
Gamavoltaik dönüşüm
Gamavoltaik cihazlar, enerjik gama parçacıklarından (yüksek enerjili fotonlar) elektrik enerjisi üretmek için yarı iletken bir bağlantı kullanır. Sadece son zamanlarda (2010’larda) dikkate alındı. Perovskite güneş pillerinde gamavoltaik bir etki rapor edilmiştir. Bir başka patentli tasarım, gama parçacığının, enerjisi geleneksel bir fotovoltaik hücrede emilecek kadar azalana kadar saçılmasını içerir. Elmas ve Schottky diyotların kullanıldığı gamavoltaik tasarımlar da araştırılmaktadır.
Radyofotovoltaik (optoelektrik) dönüşüm
Ana madde: Optoelektrik nükleer pil
Bir radyofotovoltaik (RPV) cihazda enerji dönüşümü dolaylıdır: yayılan parçacıklar önce bir radyolüminesan malzeme (bir sintilatör veya fosfor) kullanılarak ışığa dönüştürülür ve daha sonra ışık bir fotovoltaik hücre kullanılarak elektriğe dönüştürülür. Hedeflenen parçacığın türüne bağlı olarak, dönüştürme türü daha kesin olarak alfafotovoltaik (APV veya α-PV), betafotovoltaik (BPV veya β-PV) veya gammafotovoltaik (GPV veya γ-PV) olarak belirlenebilir. Radyofotovoltaik dönüşüm, dönüşüm verimliliğini artırmak için radyovoltaik dönüşüm ile birleştirilebilir.
Kullanılan radyoizotoplar
Atomik piller, düşük enerjili beta parçacıkları veya bazen farklı enerjilere sahip alfa parçacıkları üreten radyoizotopları kullanır. Ağır koruma gerektiren yüksek enerjili penetran Bremsstrahlung radyasyonunun üretimini önlemek için düşük enerjili beta parçacıklarına ihtiyaç vardır. Bunun için trityum, nikel-63, prometyum-147 ve teknetyum-99 radyoizotopları test edilmiştir. Plütonyum-238, curium-242, curium-244 ve stronsiyum-90 kullanılmıştır.
Mikro piller
Madison, Wisconsin Üniversitesi’ndeki nükleer mühendisler, elektrik enerjisi üretmek için polonyum veya curium gibi maddelerin radyoaktif çekirdeklerinden yararlanan küçük piller üretme olasılıklarını araştırdılar. Araştırmacılar, entegre, kendi kendine çalışan bir uygulamaya örnek olarak, yakıt ikmali gerekmeksizin çok uzun zaman periyotları boyunca tutarlı, periyodik salınımlar yapabilen salınımlı bir konsol kiriş yarattılar. Devam eden çalışmalar, bu konsolun, MEMS cihazlarının birbirleriyle kablosuz olarak iletişim kurmasına izin vererek radyo frekansı iletebildiğini göstermektedir. Bu mikro piller çok hafiftir ve MEMS cihazlarında kullanılmak üzere güç kaynağı olarak işlev görmek ve ayrıca nano cihazların tedariki için yeterli enerji sağlar. Açığa çıkan radyasyon enerjisi, işlemciyi ve onu enerji ile besleyen mikro pili içeren cihazın alanı ile sınırlı olan elektrik enerjisine dönüştürülür.
NUST MISIS’den bilim insanları 20 yıla kadar pil ömrü olan küçük bir atom pili geliştirdi. Betavoltaik elementinin 3 boyutlu yapısı sayesinde pilin boyutları 3 kat küçülürken, spesifik gücü 10 kat arttı ve maliyeti %50 düşmüş oldu. Bu orijinal cihaz nikel betavoltaik elementi kullanıyor. Radyoaktif nikelin özelliğinden dolayı iki tarafta da düzlemsel p-n bağlantısı şeklinde kullanılıyor. Bu sayede pil hücre üretimi sadeleşirken, pilin gücünden çalan ters akımın kontrolü de kolaylaşıyor. Özel mikro kanal yapısı sayesinde beta radyasyonun dönüşüm alan etkisi 14 kez artarken, son akımda yükselme ile sonuçlanıyor. Araştırma sonuçları Applied Radiation and Isotopes dergisinde yayınlandı. “Çıkış elektrik parametrelerinde amaçlanan tasarım şuydu: Kısa devre akımı IKZ—230 nA /cm2 (normal düzlemsel tasarımda 24 nA), son güç 31 nW/cm2 (düzlemsel olanda 3nW) idi. Bu tasarım sayesinde β kaynağı salınımında dönüştürülen enerji 10 kat artarken, pahalı izotop kullanımından kaynaklanan maliyetler de %50 oranında düşecek,” diyor NUST (The National University of Science and Technology) MISIS Yarıiletken Elektroniği ve Fizik Yarıiletkenleri Bölümü’nden Doç.Dr Sergey Legotin. Aynı zamanda bu geliştirme sayesinde spesifik güç büyüklük mertebesinde artarken, bataryaların ağırlık ve boyutu 3 kat azalırken bataryanın gereken çıkış gücü korunmuş olacak. Bu batarya bazı sıra dışı durumlarda kurtarıcı olabilir. Örneğin; çok yüksek sıcaklıklarda çalışan cihazlarda güç kaynağı ve sıcaklık sensöründe acil güç kaynağı olarak ya da uzayda, su altında veya yüksek rakımlarda buluna ulaşması zor olan yerlerde kullanılabilir. NUST MISIS yeni betavoltaik pilin patentini tamamlıyor ve şimdiden dış uzmanlar tarafından pili tanınıyor. Ayrıca kurum dünya çapında betavoltaik pil pazarında önemli oyuncular arasında yer alıyor. Uzun ömürlü, güvenilir ve küçük boyutları sayesinde bu betavoltaik piller pil pazarında önemli bir yer kapabilir.
Atomik Pillerin Geldiği Son Nokta: Nano Elmas Pil Teknolojisi ve Özellikleri
NDB firması, geliştirilen bu yeni batarya teknolojisinin, cep telefonlarından ev aletlerine, elektrikli otomobillerden uçaklara kadar her türlü cihaz ve makinelerde kullanılabileceğini ifade ediyor.
California merkezli ABD’li girişim NDB Technology, geliştirdiği Nano Elmas Pil ile teknolojik cihaz ve makinelerin kullanımında çığır açacak bir teknoloji ile karşımıza çıkıyor. Küçük nükleer jeneratörler gibi davranan ve 28 bin yıl pil ömrüne sahip kendi kendini şarj edebilen batarya sayesinde cep telefonu başta olmak üzere tüm tüketici elektroniğinin yanı sıra otomobil, uçak, tıbbi cihazlar ve sanayi elektroniğinin gelişimini de dönüştüreceğe benziyor.
Nano Elmas Pil Nedir?
Cep telefonları, elektrikli arabalar, uçaklar ve roketler için devrim niteliğinde olan bu bataryalar, nükleer atıklar ve radyoaktif olmayan elmas parçacıklarından oluşuyor.
NDB, nükleer yakıt çubuklarından radyasyon emmiş ve kendileri radyoaktif hale gelmiş grafit nükleer reaktör parçalarını kullanıyor. Nano Diamond Battery, grafit parçalarını saflaştırıp Karbon-14 elmasları oluşturuyor. Karbon-14 elmasını güvenli hale getirmek için de radyoaktif olmayan, laboratuvarda oluşturulmuş, radyasyon sızıntılarını önleyen ve koruyucu ve dayanıklı bir tabaka görevi gören karbon-12 elmas tabakasını kullanıyor. Elmas kapsülleyici malzemenin yanı sıra bor katkılı SCD ve güç üretimi dışında kullanımı önleyen bir kilitleme sistemi ile donatılacak olan batarya, yüksek güvenliği garanti altına alıyor. NDB, geliştirilecek olan bataryaların sahip olacağı radyasyon seviyelerinin insan vücudunun ürettiği seviyelerinden bile daha düşük olacağını ve tamamen güvenli olduğunu belirtiyor.
Nükleer atıklar, ülkeler için depolanması oldukça zor ve tehlikeli olmakla birlikte çok yüksek maliyetler yaratıyor. Nano Elmas Pil, son derece güvenli olup üretildikten sonra karbon emisyonu yaymıyor ve böylece oldukça güvenli ve çevreci bir enerji kaynağı olarak görülüyor. NDB firması, geliştirdiği bu teknoloji sayesinde hem çevre hem de ekonomi açısından oldukça büyük avantajlar yaratacağa benziyor.
Nano Diamond Battery firması, geliştirilen pillerin AA, AAA, 18650, 2170 veya her türlü özel boyut dâhil olmak üzere herhangi bir şekle veya standarda uyacağını söylüyor.
Nano Elmas Pil Nerelerde Kullanılacak?
NDB firması, geliştirilen bu yeni batarya teknolojisinin, cep telefonlarından ev aletlerine, elektrikli otomobillerden uçaklara kadar her türlü cihaz ve makinelerde kullanılabileceğini ifade ediyor. Düşük maliyetli, uzun ömürlü ve elektrik kullanımına ihtiyaç duymayan Nano Elmas Pil, cep telefonları için devrim niteliğinde bir buluş olarak değerlendiriliyor. 2020 yılı itibarıyla geliştirilip piyasaya sürülmesi planlanan bu batarya teknolojisi, yıllarca şarj edilme ihtiyacı duymayacak bir cep telefonuna sahip olabileceğimiz anlamına geliyor.
Nano Elmas Pil, elektrikli otomobiller için de oldukça heyecan verici bir gelişme olarak kabul ediliyor. Elmas piller, yeniden doldurma ve yakıt ikmal istasyonuna gerek kalmadan kesintisiz sürüş imkânı vadediyor.
NDB firması, geliştirdiği batarya teknolojisi ile toplumsal fayda sağlamayı da hedefliyor. Şebekeye erişim açısından uzak ve dezavantajlı nüfusun 24 saat kesintisiz enerjiye erişimini sağlayarak yardım hizmetinde bulunmayı planlıyor.
Nano Diamond Battery, eğer tüm bu yeniliği hayata geçirebilirse otomotiv, havacılık, savunma, tıbbi teknoloji ve tüketici elektroniği başta olmak üzere birçok sektörün de dinamiğini değiştireceğe benziyor.
Atomik Pillerin Olası Askeri Kullanım Alanları
Tüm silah sistemlerinde ve platformlarda en büyük sınırlayıcı enerjidir. Sistemin gücü arttıkça ihtiyaç duyduğu enerji de artar ve bunun doğal sonucu olarak da bu enerjinin nasıl karşılanacağı konusu gündeme gelir. Halen büyük oranda içten yanmalı makinelere ve fosil yakıtlara bağımlı olduğumuz günümüzde tehlikesiz ve sınırsız enerji hep aranagelmiştir. NDB teknolojisi, bu alanda oldukça fazla umut vermektedir.
Bu şekilde kompakt enerji üretim paketleri haline getirilen Atomik Piller, ABD’nin ve Japonya’nın yıllardır hayalini kurduğu ve üzerinde çalıştığı tamamen elektrikli askeri platformların önünü açacaktır. Konvansiyonel denizaltılar bir nevi nükleer denizaltıya dönüşecek, suüstü gemileri ve jetler haricindeki hava vasıtalarında bulunan verimsiz içten yanmalı motorlar yerlerini sınırsız bir enerji ile beslenen elektrik motorlarına bırakacaktır. Hatta lazer topu ve rail-gun gibi yüksek enerji ihtiyacı bulunan sistemler kendi kendini besleyebilen modüller haline getirilip büyüklüklerine uygun olarak yerleştirildikleri fosil yakıtla çalışan mevcut platformlardan hiç enerji almadan, yani platformun mevcut elektrik altyapısı değiştirilmeden çalışabileceklerdir. Bu da lazer silahlarının SİHA’lardan ve SİDA’lardan dahi kullanılmasının önünü açabilecektir. Torpidoların menzilleri ve süratleri artacak, helikopterlerin havada kalış süresini kısıtlayan sadece pilotların yorgunluğu olacaktır.
Fosil yakıtlar açısından dışa bağımlı olan ülkemizin bu alana bir an önce eğilmesi gerekmektedir. Bu alana yapılacak her yatırımın misli ile geri alınacağına ve savunma alanında ülkemize çağ atlatacağına inanıyorum.
Enver Aksoy
Kaynakça:
https://tr.qaz.wiki/wiki/Atomic_battery
https://techxplore.com/news/2020-08-scientists-economical-atomic-battery-power.html
https://www.entes.com.tr/nano-diamond-pil-teknolojisi-ve-ozellikleri/