用核废料制成“钻石电池”,不充电能让汽车跑100年?


一块手机电池能连续使用 9 年而无需充电,一个电池组能让新能源汽车跑 100 年,一个电池模块能给心脏起搏器持续供电 28000 年。

这些超现实的说法,最近由美国加州一家名为 NDB 的能源公司提出,该公司表示,目前在纳米金刚石电池上成功进行了早期测试,使其更接近于实现。

这种令人惊奇的电池,其关键是利用放射性核废料,这种废料污染性极强,辐射能持续数千年,核电站设施每年都会大量产生,且在安全处理(掩埋和包装)方面构成越来越大的挑战。NDB 公司称,它可以通过从石墨核废料中提取碳 - 14,然后放进钻石内,当核废料衰变时,它与碳相互作用可以产生一个小电流。

图|NDB 电池概念模块(来源:PHYS)

根据耗电量的不同,这种无需充电的电池有可能使用很长时间,它有望用于为普通移动设备、医疗产品、卫星等供电,并可以为偏远地区提供能源。

不过,目前该公司还没有生产出产品原型,只是做了相关概念验证。NDB 首席战略官尼尔 · 奈克(Neel Naicker)表示:“想象一下,一个你一天都不用给电池充电的世界。一块电池能供电几十年将会怎样?这就是我们利用专有技术所能做到的。”

无疑,这种设想充满了诱惑力。在 NDB 官网上写道,到 2040 年重塑电力,并打造一个不用化石燃料的星球。

这个概念背后的基本原理其实并不新鲜,使用放射性同位素作为能量源在特殊设备中已非常成熟,例如现代的核动力潜艇、航空母舰,乃至火星车,已能够在没有安全问题的情况下制造电力。

但 NDB 利用核废料发电的说法,还是在科技界引起了谨慎的怀疑,例如:

“NDB 谈到了正在开发中的低功率和高功率版本的电池,但在我们看到一些实际产品和输出数据之前,这些说法仍然模糊不清,没有证据,它们只是空谈。”

“这一切听起来都很棒,但还有一个关键因素被忽略了…… 这些设备的功率密度是多少?”“这种电池的功率密度极低,远低于锂离子电池等化学电池。”

不过,NDB 方面表示,一旦疫情相关的隔离措施得到缓解,他们将开始研制原型,并希望在两年内制造出来。

据官方资料披露,NDB 钻石电池概念的证明由剑桥大学物理学家、2019 年物理研究所牛顿奖章获得者、半导体之父迈克尔 · 佩珀爵士(Sir Michael Pepper)领导。在此过程中,NDB 的专利电池实现了充电 40% 的突破,核心技术是其专有的纳米金刚石表面处理的结果,它能有效地从钻石中提取电荷。

而类似这种把核废料封装在钻石里的电池,也不是首次被提出,一直存在较大争议。

2016 年 11 月 27 日,英国布里斯托尔大学的一组科研人员就曾宣称研制出一种人造钻石,当置于放射性场中时,它能够产生小电流,这项技术开发也是为了解决一些核废料、清洁发电和电池寿命等问题。

图|用钻石封装放射性物质(来源:PHYS)

传统发电机是驱动转子在定子中旋转, 做切割磁力线的运动,从而产生电流;与此路径不同,人造钻石只要放在靠近放射源的地方就能产生电荷。

该研究的主要参与者之一,布里斯托尔大学材料教授汤姆 · 斯科特(Tom Scott)表示:“这里没有涉及运动部件,不产生排放物,也不需要维护,就是直接发电。通过将放射性物质封装在钻石中,我们就能将长期存在的核废料问题,转化为核动力电池和清洁能源长期供应。”

当时的研究小组展示了一种使用镍 - 63 作为辐射源的钻石电池原型。后来,他们致力于通过使用碳 - 14 来显著提高效率,碳 - 14 是一种放射性的碳,产生于核电站反应的石墨块中。布里斯托尔大学的研究表明,放射性碳 - 14 集中在这些块体的表面,使得对其进行处理以除去大部分放射性物质成为可能。

提取出来的碳 - 14 随后被封装进钻石中,制成核废料电池,英国目前拥有近 9.5 万吨石墨块,通过从中提取碳 - 14,其放射性降低,减少了安全储存这些核废料的成本和挑战。

布里斯托尔大学化学学院的尼尔 · 福克斯(Neil Fox)博士曾解释说:“之所以选择碳 - 14 作为源材料,是因为它发出短程辐射,任何固体材料都很快吸收这种辐射。这会使摄入或接触裸露的皮肤变得危险,但安全地将其置于钻石内,任何短程辐射都无法逃逸。”钻石是人类已知的最坚硬的物质,也是核废料电池的最佳外壳材料。

汤姆 · 斯科特和尼尔 · 福克斯还创立了一家名为 Arkenlight 的公司,探索将其核动力电池商业化,计划在 2024 年推出首批商用核电池。

图|核反应堆中石墨块的结构(来源:PHYS)

不过,有人担心这种核废料电池即便能实现,也可能会造成更分散或更危险的核污染,毕竟它会存在于我们的家庭和生活之中;但也有人认为,将核废料回收制成电池的想法完全不靠谱,有一个关键问题是无法抑制 C-14 的核衰变,因此电池将连续发电,电池会随之持续升温,故而需要主动冷却装置。该电池永远无法为手机或电动汽车供电,因为它根本无法关闭,只能将功率输出限制为毫瓦。

“请想象一个能产生 100 千瓦功率以驱动汽车的钻石电池,当你停止移动时,必须打开风扇等冷却装置释放足够的热量,否则电池会过热并导致着火,而将其缩小到手机电池的大小,即便是 1 瓦也可能会逐渐在主板上烧出一个洞,你肯定会一直感觉手机在发热。”一位网友评论道。

看过漫威电影的人,肯定对钢铁侠胸口的 “方舟反应炉” 印象深刻,一个小小的模块就能为强大的钢铁侠机甲提供充沛动力乃至攻击能量输出,可以说十分科幻。至于这种同样科幻的 “钻石电池” 距离能实际应用还有多远,可以拭目以待。

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