แบตเตอรี่เพชร C-14 เบต้าโวลตาอิกจากกากนิวเคลียร์

Diamond Battery: Lifetime Betavoltaic Nuclear Waste Battery

“……ชีวิตประจำวันของผู้คนสมัยใหม่ ต้องอาศัยอุปกรณ์ไฟฟ้าที่พึ่งพาแหล่งพลังงานจากแบตเตอรี่เคลื่อนที่ ในสถานที่ทำงาน บ้านพักที่อยู่อาศัย โรงเรียน และพกพาขณะเดินทาง ..”

กากของเสียนิวเคลียร์ Nuclear Waste กัมมันตภาพรังสีต่ำบางตัว เช่น Carbon – 14 สลายตัวคายรังสีเบต้า หรือ Beta Particles ประจุลบต่อเนื่องยาวนาน สามารถนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตเป็นแบตเตอรี่กำลังไฟฟ้าต่ำ พลังงานสูง ไม่ต้องชาร์จ แต่มีอายุการใช้งานที่ทนยาวอย่างเหลือเชื่อ ..

ชีวิตประจำวันของผู้คนสมัยใหม่ ต้องอาศัยอุปกรณ์ไฟฟ้าที่พึ่งพาแหล่งพลังงานจากแบตเตอรี่เคลื่อนที่ ในสถานที่ทำงาน บ้านพักที่อยู่อาศัย โรงเรียน และพกพาขณะเดินทาง .. เราต้องการกำลังไฟฟ้าจากแบตเตอรี่เพื่อการติดต่อสื่อสาร การขนส่ง การจัดเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานลม หรืออื่น ๆ .. ปฏิเสธไม่ได้เลยว่า แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Batteries ได้เปิดโลกแห่งความเป็นไปได้ที่ยอดเยี่ยมอย่างยิ่ง ..

แม้ว่าเราจะได้เห็นความก้าวหน้าอย่างมากกับเทคโนโลยีลิเธี่ยมแบตเตอรี่ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา แต่ความท้าทายต่าง ๆ เช่น ความร้อนสูงเกินไป ตัวเครื่องราคาแพง อายุการใช้งานสั้น และประสิทธิภาพต่ำกว่าปกติในอุณหภูมิที่สูงมาก เป็นต้นนั้น ยังจะต้องมุ่งเอาชนะ .. ดังนั้น การแสวงหา “แบตเตอรี่มหัศจรรย์ Miracle Battery” ต่อเนื่องต่อไปของมนุษยชาติ ยังคงเป็นความจำเป็นที่ขาดไม่ได้ ..

แบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell ที่ทำงานด้วยกระบวน Beta Decay เช่น แบตเตอรี่เพชรนิวเคลียร์ Nuclear Diamond Battery นั้น มันต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปอย่างมาก และเหตุใดจึงสำคัญนัก อย่างไรก็ตาม มีเหตุผลมากมายที่ตอบคำถามสำคัญเหล่านี้ได้ว่า ทำไมเราถึงต้องการมัน ..

แบตเตอรี่เพชร Diamond Battery ..

Diamond Battery เป็นชื่อของแนวคิดเกี่ยวกับ ‘แบตเตอรี่นิวเคลียร์ Nuclear Battery’ ที่เสนอโดยสถาบัน University of Bristol Cabot ในระหว่างการบรรยายประจำปี ซึ่งจัดขึ้นเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน 2559 ณ อาคาร Wills Memorial Building .. แบตเตอรี่นี้ถูกเสนอให้ทำงานโดยใช้กัมมันตภาพรังสีของบล็อกกราไฟท์กากของเสียนิวเคลียร์ ซึ่งก่อนหน้านี้ใช้เป็นวัสดุตัวหน่วงนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นที่ใช้กราไฟท์ควบคุมกลั่นกรองเพื่อชะลอความเร็วของอนุภาคนิวตรอน .. กากนิวเคลียร์ ¹⁴C คล้ายเพชร สามารถสร้างกำลังไฟฟ้าปริมาณเล็กน้อยต่อเนื่องยาวนานได้เป็นเวลาหลายพันปี ..

แบตเตอรี่เพชร Diamond Battery เป็นเซลล์เบตาโวลตาอิก  Betavoltaic Cell ที่ใช้คาร์บอน – 14 หรือ ¹⁴C ในรูปไอโซโทปของคาร์บอนคล้ายเพชร Diamond – Like Carbon : DLC เป็นแหล่งปล่อยรังสีเบต้า Beta Radiation Source และ DLC คาร์บอนปกติเพื่อสร้างจุดต่อเซมิคอนดักเตอร์ Semiconductor ที่จำเป็น และห่อหุ้ม Carbon – 14 : ¹⁴C ไว้ .. ทั้งนี้ Carbon – 14 หรือ Radiocarbon คือ ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอนที่นิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอน 6 ตัว และนิวตรอน 8 ตัว และนักวิจัยได้ใช้การแผ่กัมมันตภาพรังสีของ ¹⁴C ซึ่งเป็นกัมมันตภาพรังสีพลังงานต่ำของกากนิวเคลียร์ ผ่านการสลายตัวของเบต้า Beta Decay ซึ่งจะคาย อนุภาคเบต้าประจุลบพลังงานต่ำ Low Energy Beta Particle ออกมาทำให้ Carbon – 14 เปลี่ยนไปเป็น Nitrogen – 14 : ¹⁴N ซึ่งมีความเสถียร และมิใช่สารกัมมันตภาพรังสี ด้วยสมการ ¹⁴₆C => ¹⁴₇N + ⁰_-1β ..

การไหลของอนุภาคเบต้าประจุลบ Beta Particles ในวงจรไฟฟ้าเหล่านี้ซึ่งมีพลังงานเฉลี่ย 50 keV จะเกิดการชนกันอย่างไม่ยืดหยุ่นกับอะตอมของคาร์บอนอื่น ๆ จึงสร้าง Electron – Hole Pairs ขึ้นซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลเวียนในวงจร .. อิเล็กตรอน Electron และโพซิตรอน Positron จะมีการกระโดดไหลมาแทนตำแหน่งที่ว่างจากการสลายตัวของเบต้า Beta Decay ซึ่งมันหมายถึง กำลังไฟฟ้าอ่อน ๆ จากแบตเตอรี่เพชร Diamond Battery กากของเสียนิวเคลียร์ จะสามารถทำงานต่อเนื่องได้เป็นพันปีนั่นเอง ..

เนื่องจากความหนาแน่นของกำลัง Power Density ที่ต่ำมาก ประสิทธิภาพการแปลง และค่าใช้จ่ายสูง อุปกรณ์เบตาโวลตาอิก ¹⁴C Betavoltaics จึงคล้ายกับอุปกรณ์เบตาโวลตาอิกอื่น ๆ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานเฉพาะกลุ่มที่ต้องการพลังงานน้อยมาก ในระดับขนาดไมโครวัตต์  Microwatts : μW เป็นเวลานานหลายปี ในสถานการณ์ที่ไม่สามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่แทนได้ หรือไม่สามารถชาร์จโดยใช้เทคนิคการจัดเก็บพลังงานรูปแบบเดิม และเนื่องจากครึ่งชีวิตที่ยาวนานกว่านั้น ทำให้ ¹⁴C Betavoltaics อาจมีข้อได้เปรียบในด้านอายุการใช้งานเมื่อเทียบกับ Betavoltaics อื่น ๆ ที่ใช้ทริเทียม Tritium หรือนิกเกิล Nickel .. อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้มาพร้อมค่าใช้จ่ายสูงขึ้น ในขณะที่ความหนาแน่นของพลังงานน้อยกว่า ..

เซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell or Betavoltaic Battery ..

ในบรรดากัมมันตภาพรังสีที่เกิดจากธาตุกัมมันตรังสีนั้น พวกมันมีทั้งหมด 3 ชนิด ได้แก่ รังสีของอนุภาคแอลฟา Alpha : α, รังสีของอนุภาคเบต้า Beta : β และรังสีแกมม่า Gamma .. อนุภาคเบต้า Beta ประจุลบ เป็นกลุ่มของอิเล็กตรอน Electron หรือโพซิตรอน Positron ความเร็วสูง และมีพลังงานสูง ที่ปล่อยออกมาจากจากนิวเคลียสที่มีกัมมันตรังสี Radioactive Decay บางชนิดในรูปของการแผ่รังสีแบบ Ionizing Radiation ที่เรียกว่ารังสีเบต้า Beta Decay .. การสลายตัวให้กัมมันตรังสีของอนุภาคเบต้า Beta Particles นั้น แต่ละอนุภาคเบต้าจะมีพลังงานอยู่ที่ 0.5 MeV สำหรับระยะช่วงกระโดดผ่านอากาศประมาณหนึ่งเมตร หรือขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอนุภาคเอง .. ทั้งนี้ การประยุกต์ใช้รังสีเบต้า หรือ Beta Decay จากกากของเสียนิวเคลียร์ในรูปแบบของแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่เป็นแบตเตอรี่นั้น เรียกว่า เซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell ..

อุปกรณ์เบต้าโวลตาอิก Betavoltaic Device หมายถึง เซลล์ไฟฟ้าเบต้าโวลตาอิก Betavoltaic Cell หรือแบตเตอรี่เบต้าโวลตาอิก Betavoltaic Battery .. เป็นแบตเตอรี่นิวเคลียร์ Nuclear Battery รูปแบบหนึ่งที่สร้างกระแสไฟฟ้าจากอนุภาคเบต้า Beta Particles หรืออิเล็กตรอน Electrons ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสี Radioactive Source โดยใช้ Semiconductor Junctions .. แหล่งพลังงานทั่วไปที่นิยมใช้ คือ ไอโซโทปของไฮโดรเจน ทริเทียม Hydrogen Isotope Tritium : ³H ..

อุปกรณ์เบตาโวลตาอิกต่างจากแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ที่ใช้การแผ่รังสี Nuclear Radiation เพื่อสร้างความร้อนนำไปใช้ผลิตกำลังไฟฟ้า .. อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้กากของเสียนิวเคลียร์เหลือใช้จากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นที่เป็น ¹⁴C คล้ายเพชร DLC สำหรับเซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell กำลังได้รับความนิยมด้วยราคาที่ลดลงอย่างมาก การวิจัยและพัฒนาล่าสุด คาดว่า Nano Diamond Battery สามารถเข้าถึงประสิทธิภาพสูงถึง 6 – 8 % ซึ่งสูงกว่าแบตเตอรี่ปรมาณู Atomic Battery ทั่วไปที่ประสิทธิภาพอยู่ที่ 0.1 – 5 % เท่านั้น ..

อุปกรณ์เบตาโวลตาอิก Betavoltaic Device ใช้กระบวนการแปลงที่ไม่ใช่ความร้อน Non – Thermal Conversion Process โดยแปลงคู่ของช่องว่างอิเล็กตรอน Electron – Hole Pairs ที่เกิดจากเส้นทางไอออไนเซชั่นของอนุภาคบีตา Ionization Trail of Beta Particles ที่เคลื่อนที่ผ่านเซมิคอนดักเตอร์ Semiconductor เป็นกำลังไฟฟ้า ..

แหล่งพลังงานเบต้าโวลตาอิก Betavoltaic Power Sources และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องของแหล่งพลังงานอัลฟาโวลตาอิก Alphavoltaic Power Sources เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานไฟฟ้ากำลังต่ำที่ต้องการอายุการใช้งานยาวนานของแหล่งพลังงาน เช่น อุปกรณ์การแพทย์ฝังอยู่ในร่างกาย หรือการใช้งานทางการทหาร และกิจการอวกาศ เป็นต้น ..

คาร์บอน – 14 Radiocarbon : ¹⁴C ..

Carbon – 14 : ¹⁴C หรือเรดิโอคาร์บอน Radiocarbon คือ ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอนที่มีนิวเคลียสของอะตอมที่มีโปรตอน 6 ตัว และนิวตรอน 8 ตัว การมีอยู่ของมันในวัสดุอินทรีย์เป็นพื้นฐานของวิธีการจับคู่ด้วยเรดิโอคาร์บอน Radiocarbon ที่ Willard Libby และเพื่อนร่วมงาน เป็นผู้บุกเบิก จนถึงวันที่ตัวอย่างทางโบราณคดี ธรณีวิทยา และอุทกธรณีวิทยา ได้ถูกนำมาทดสอบทดลองในห้องปฏิบัติการ เมื่อปี 2492 .. ก่อนหน้านี้ Carbon – 14 ถูกค้นพบ เมื่อวันที่ 27 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2483 โดย Martin Kamen และ Sam Ruben ที่ University of California Radiation Laboratory ใน Berkeley, California ทั้งนี้ Franz Kurie เป็นผู้แนะนำการดำรงอยู่ของมันมาตั้งแต่ปี 2477 ..

ไอโซโทปของคาร์บอนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติสามชนิดบนโลก ได้แก่ คาร์บอน – 12 ซึ่งคิดเป็น 99% ของคาร์บอนทั้งหมดบนโลก คาร์บอน – 13 ซึ่งคิดเป็น 1 % และคาร์บอน – 14 ซึ่งเกิดขึ้นในปริมาณน้อย ประกอบขึ้นเป็นอะตอมประมาณ 1 หรือ 1.5 อะตอมต่อคาร์บอน 1,012 อะตอมในบรรยากาศ .. คาร์บอน – 12 และคาร์บอน – 13 ทั้งคู่มีความเสถียร ในขณะที่คาร์บอน – 14 ไม่เสถียร และมีครึ่งชีวิต 5,730 ± 40 ปี คาร์บอน – 14 สลายตัวเป็นไนโตรเจน – 14 ผ่านการสลายตัวของเบต้า Beta Decay ..

กรัมของคาร์บอนที่มีคาร์บอน – 14 นั้น 1 อะตอมต่อ 1,012 อะตอมจะปล่อยอนุภาคเบตา Beta Particles ~0.2 ต่อวินาที แหล่งธรรมชาติหลักของคาร์บอน -14 บนโลก คือ การกระทำของรังสีคอสมิกต่อไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศ ดังนั้น จึงเป็น Cosmogenic Nuclide ที่ทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสี อย่างไรก็ตาม การทดสอบอาวุธนิวเคลียร์แบบเปิดโล่งในบรรยากาศระหว่างปี 1955 ถึง 1980 มีส่วนทำให้เกิดคาร์บอน – 14 เหล่านี้ขึ้นในปริมาณมาก เช่นเดียวกับที่ ¹⁴C เกิดขึ้นกับแกรไฟต์ที่หุ้มแท่งเชื้อเพลิงในปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่น .. ดังนั้น แทนที่จะการนำกากนิวเคลียร์เหลือทิ้งมาจัดเก็บเป็นขยะนิวเคลียร์อันตราย แต่นำพวกมันมาประยุกต์ใช้เป็นแหล่งพลังงานในเซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell จึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานไฟฟ้ากำลังต่ำที่ต้องการอายุการใช้งานยาวนานได้อีกอย่างหลากหลายรูปแบบ เป็นต้น ..

ทั้งนี้ ไอโซโทปของคาร์บอนที่ต่างกัน คุณสมบัติทางเคมีของพวกมันจะไม่แตกต่างกันมากนัก ความคล้ายคลึงนี้ ใช้เป็นเกณฑ์ในการวิจัยทางเคมี และชีวภาพ ในเทคนิคที่เรียกว่า Carbon Labeling .. อะตอมของคาร์บอน – 14 สามารถใช้แทนที่คาร์บอนที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสี เพื่อติดตามปฏิกิริยาเคมี และชีวเคมีที่เกี่ยวข้องกับอะตอมของคาร์บอนจากสารประกอบอินทรีย์ใด ๆ ได้เป็นอย่างดีอีกด้วย ..

Diamond Battery ชาร์จตัวเองได้ อายุใช้งานนับพันปีของ NDB ทดสอบทำตลาดกับลูกค้าเบต้าโวลตาอิกรายแรกได้เริ่มแล้ว ..

นวัตกรรมของ NDB คือการสร้าง Nano Diamond Battery ใหม่ที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะ ซึ่งช่วยให้สามารถดึงประจุไฟฟ้าจากเพชรที่ใช้ในการสร้างแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เป้าหมายของพวกเขา คือ การจำหน่ายแบตเตอรี่รุ่นที่สามารถชาร์จด้วยตนเองได้นานถึง 28,000 ปี ซึ่งสร้างจากกากนิวเคลียร์คาร์บอน – 14 หรือ ¹⁴C ที่หุ้มด้วยเพชรเทียม Diamond – Like Carbon : DLC ..

ในที่สุด บริษัท NDB หวังว่า จะสามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ของพวกเขาให้เป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้สำหรับทุกอย่างที่ใช้กำลังไฟฟ้า รวมถึงอากาศยาน, EVs, รถไฟ และอื่น ๆ ไปจนถึง สมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ เครื่องใช้ไฟฟ้าพกพา และเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมขนาดเล็ก .. ปัจจุบัน บริษัทฯ กำลังทำงานเพื่อสร้างต้นแบบของแบตเตอรี่เพชร Diamond Battery ขนาดใหญ่เชิงพาณิชย์เครื่องแรก เพื่อที่จะวางจำหน่ายในช่วงปลายปีนี้ ..

นอกจากนี้ยังได้ลงนามกับลูกค้าเบต้าโวลตาอิกรายแรกซึ่งจะได้รับ และใช้ประโยชน์จากต้นแบบแรกเหล่านั้น แม้ว่าจะไม่ได้ระบุชื่อไว้อย่างเจาะจง แต่ก็กล่าวว่า คือ บริษัทหนึ่งที่เป็น “ผู้นำด้านผลิตภัณฑ์ และบริการเกี่ยวกับวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์” และอีกรายหนึ่งคือ “บริษัทชั้นนำระดับโลกด้านการผลิตอากาศยาน การป้องกันประเทศ และความปลอดภัย” เห็นได้ชัดว่าเทคโนโลยีประเภทนี้ ดึงดูดความสนใจในทุกภาคส่วนได้อย่างมีนัยยะสำคัญ ..

ทั้งนี้เนื่องจากวัสดุที่ใช้ทำแบตเตอรี่ ได้แก่ กากนิวเคลียร์คาร์บอน – 14 เนื่องจากเป็นวัสดุที่เป็นอันตรายตั้งแต่แรก จึงต้องอาศัยกระบวนการอย่างรอบคอบเพื่อสร้างเพชร Carbon – 14 เพื่อความปลอดภัยในการใช้งาน เมื่อสร้างแล้ว แบตเตอรี่จะไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนใด ๆ ออกมา ซึ่งทำให้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานสีเขียว

การออกแบบแบตเตอรี่เรียกว่า Diamond Nuclear Voltaic : DNV ใช้การจัดเรียงกองซ้อนหลายชั้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการส่งออกพลังงานสูง ในขณะที่เพชรเก็บประจุไว้เอง มันใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อเอาต์พุต Out Put กำลังสูง นี่คืออุปกรณ์ที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดที่เชื่อมต่อกับวงจร เพื่อกักเก็บรังสีนิวเคลียร์จากเพชร .. เพชรจะถูกห่อหุ้มด้วยชั้นของเพชรอีกชั้นหนึ่งซึ่งทำจากคาร์บอน – 12 ที่สร้างจากห้องแล็บที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสี ..

ประจุลบมาจากอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาจากวัสดุนิวเคลียร์ เมื่อคาร์บอนในวัสดุสลายตัว ก็จะปล่อยอิเล็กตรอนออกมา โดยการห่อหุ้มเพื่อความปลอดภัย วัสดุจะต้องถูกควบคุมเพื่อปล่อยประจุ ต้องประดิษฐ์ด้วยแอโนด และแคโทดขึ้นตามปกติเพื่อนำไฟฟ้าเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าให้เกิดขึ้นในวงจรไฟฟ้า นอกจากนี้ยังใช้สารกึ่งตัวนำในการเก็บประจุที่เปล่งออกมาจากเพชร แนวคิดในที่นี้ คือ เพชรในรูปแบบ ¹⁴C จะสร้างอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องจนกว่ามันจะหมด และเป็น ¹⁴N ทั้งหมด .. ตามทฤษฎีแล้ว อาจใช้เวลาหลายพันปีในกระบวนการ จึงเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่สามารถชาร์จซ้ำได้สำหรับผู้บริโภค หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งได้ว่า มันไม่จำเป็นต้องการการชาร์จประจุไฟฟ้า หรือพลังงานใด ๆ อีก ..

คาดการณ์ตลาดเซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell ..

ตลาดเซลล์เบต้าโวลตาอิก Betavoltaic Cell ทั่วโลกอยู่ที่ 337.23 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2559 และ 349.14 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2563 คาดหมายว่า ตลาด Betavoltaic Cell จะพุ่งแตะระดับ 394.57 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2569 .. อัตราการเติบโตค่า Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาดเซลล์เบต้าโวลตาอิก Betavoltaic Cell ทั่วโลกที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน ที่ค่า CAGR 2.18 % ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ ปี 2564 จนถึงปี 2569 ..

การเติบโตในตลาดเซลล์เบตาโวลตาอิก ได้รับแรงหนุนจากความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับอายุการใช้งานที่ยาวนาน ขนาดเล็ก และขนาดเล็กจิ๋ว .. หน่วยพลังงานที่สามารถทำงานเป็นแหล่งพลังงานในการใช้งานที่ต้องการพลังงานอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องดูแลเป็นเวลามากกว่า 10 – 20 ปี .. นอกจากนี้ นักวิจัย และนักวิทยาศาสตร์ทั้งหลาย กำลังตรวจสอบโอกาสในการใช้ผลิตภัณฑ์การสลายกัมมันตภาพรังสีเป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานหลักสำหรับการใช้งานเฉพาะกลุ่มมากขึ้น ซึ่งน่าจะสร้างโอกาสสำหรับตลาดเซลล์เบต้าโวลตาอิกทั่วโลกในอนาคตอันใกล้ ..

เซลล์ Betavoltaic พบการใช้งานที่สำคัญในอุตสาหกรรมอวกาศ การฝังแบตเตอรี่ในร่างกาย และรากฟันเทียมทางการแพทย์ ทั้งนี้ ความก้าวหน้าทางการแพทย์ และการขยายตัวในอุตสาหกรรมอวกาศ ได้รับการคาดว่า จะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเติบโตของตลาดเซลล์เบต้าโวลตาอิกทั่วโลก ..

ตลาดสามารถแบ่งออกตามประเภทของไอโซโทป เป็น Tritium, Strontium, Krypton, Nickel, Carbon – 14 และอื่น ๆ .. กลุ่ม Tritium ครองตลาดในปี 2563 และคาดว่าจะยังคงครองตลาดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ต่อไป ทริเทียม ³H มีพลังงานจำเพาะต่ำ และด้วยเหตุนี้จึงมีอายุการใช้งานยาวนานถึง 20 ปี และมีความปลอดภัยสูง ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับเซลล์เบตาโวลตาอิก .. Tritium ปล่อยอิเล็กตรอนพลังงานต่ำเท่านั้น ซึ่งสามารถหยุดได้โดยแผ่นกระดาษ หรือชั้นของผิวหนังที่ตายแล้ว เช่นเดียวกับ Nano Diamond จากกากนิวเคลียร์รูปแบบ ¹⁴C ..

หากแบ่งประเภทตามรูปร่าง ตลาดสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน คือ ปกติ และทรงกระบอก .. กลุ่มปกติครองตลาดในปี 2563 เนื่องจากแบตเตอรี่เบตาโวลตาอิก สามารถย่อขนาด และรวมเข้ากับรูปร่างปกติได้อย่างง่ายดาย โดยอิงจากอุตสาหกรรมผู้ใช้ปลายทาง .. ตลาดสามารถแบ่งออกเป็นส่วน ๆ สำหรับกิจการการบิน และอวกาศ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการสื่อสาร การดูแลสุขภาพ การป้องกันประเทศ และอื่น ๆ .. กลุ่มผลิตภัณฑ์ดูแลสุขภาพ คาดหมายว่า จะเติบโตในอัตราสูงสุดในช่วงเวลาที่คาดการณ์ อันเนื่องมาจากการนำเซลล์เบตาโวลตาอิกมาใช้ในการผลิตเครื่องกระตุ้นหัวใจ ..

เซลล์ไฟฟ้า Betavoltaic Cells พบการใช้งานที่สำคัญในการปลูกถ่ายทางการแพทย์ที่มีการรักษา หรือปรับปรุงการทำงานทางชีววิทยา เช่น การเต้นของหัวใจ Betavoltaic Cells .. พวกมันสามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานให้กับอุปกรณ์ทางการแพทย์ในการปลูกถ่ายอวัยวะ และทางการแพทย์อื่นได้ เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ หรือ เครื่องกระตุ้นหัวใจด้วยไฟฟ้า ICD เป็นต้น และพวกมันจะอยู่ในร่างกายเป็นเวลายาวนาน 10 ปี หรือมากกว่า โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงด้วยการผ่าตัดเปลี่ยนอุปกรณ์เหล่านี้ซ้ำอีก ..

การสำรวจตลาดบนพื้นฐานตามภูมิภาค พบว่า อเมริกาเหนือถือครองส่วนแบ่งที่ใหญ่ที่สุดในตลาดเซลล์เบต้าโวลตาอิกทั่วโลกในปี 2563 และคาดว่า จะรักษาสัดส่วนตลาดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ต่อไป เนื่องมาจากการลงทุนที่เพิ่มขึ้นในด้านการวิจัย และพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงในอุตสาหกรรมอวกาศ .. การนำเซลล์เบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell มาใช้ในการผลิตเครื่องกระตุ้นหัวใจเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ผลักดันการเติบโตของตลาดเซลล์เบตาโวลตาอิกในอเมริกาเหนือ และทำให้กลายเป็นภูมิภาคที่เติบโตเร็วที่สุดในตลาด การลงทุนในอุตสาหกรรมอวกาศ และการก่อตั้งบริษัทสตาร์ทอัพใหม่ในภูมิภาคนี้ ได้รับการคาดหมายว่าจะช่วยขับเคลื่อนตลาดเซลล์ Betavoltaic ในอเมริกาเหนือ ผู้เล่นหลักในตลาด Global Betavoltaic Cell Market ตัวอย่างเช่น  Widetronix, Inc., Qynergy Corporation, City Labs, Inc., BetaBatt, Inc., NDB Inc. เป็นต้น คือตัวแสดงหลักที่เป็นผู้ผลิตสำคัญ โดยเฉพาะแบตเตอรี่เพชร ¹⁴C : Nano Diamond Batteries จากกากนิวเคลียร์ Nuclear Waste ที่มีแนวโน้มเติบโตขึ้นรวดเร็วอย่างมีนัยยะสำคัญ ..

สรุปส่งท้าย ..

กากของเสียนิวเคลียร์ Nuclear Waste กัมมันตภาพรังสีต่ำบางตัว เช่น Carbon – 14 สลายตัวคายรังสีเบต้า หรือ Beta Particles ประจุลบต่อเนื่องยาวนาน สามารถนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตเป็นแบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลตาอิก Betavoltaic Cell กำลังไฟฟ้าต่ำ ให้พลังงานสูง มันเหมือนกับว่าชาร์จตัวมันเองได้ จึงไม่ต้องชาร์จกำลังไฟฟ้าเพิ่มเติมอีก แต่มีอายุการใช้งานที่ทนยาว Long Duration Energy นับพันปีอย่างเหลือเชื่อ ..

เนื่องจากเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบัน มีอายุการใช้งานค่อนข้างสั้น ความร้อนสูงเกินไป และการจัดหาเซลล์แบตเตอรี่เคมีไฟฟ้าทั่วไปจึงไม่สามารถใช้งานได้ทุกที่ .. ดาวเทียม โดรน หรืออากาศยานไร้คนขับ การดูแลสุขภาพ หรือแม้แต่ยานอวกาศ ซึ่งแบตเตอรี่อายุยืนยาวเป็นสิ่งจำเป็น .. แต่บางบริษัทฯ อ้างว่า เทคโนโลยีแบตเตอรี่เพชร Diamond Battery Technology สามารถยิงกระสุนนัดเดียวได้นกสองตัว การสร้างแหล่งกักเก็บพลังงานที่คงอยู่ได้นานหลายพันปีด้วยการนำกากของเสียนิวเคลียร์กลับมาใช้ใหม่ .. อาจเป็นแหล่งพลังงานให้แก่ทุกสิ่งได้ ตั้งแต่ ยานยนต์ไฟฟ้า EV ไปจนถึงโทรศัพท์มือถือ ..

นี่อาจ คือ จอกศักดิ์สิทธิ์ของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ หรือแบตเตอรี่มหัศจรรย์ Miracle Battery และที่สำคัญ มันจะปลอดภัยจริงหรือไม่ .. นาโนไดมอนด์แบตเตอรี่ Nano Diamond Battery อาจกลายเป็นคำตอบได้จริงในที่สุด ..

เป้าหมายของนานาประเทศให้คาร์บอนเป็นกลาง หรือไปสู่ศูนย์สุทธิ Net Zero ในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้านั้น แบตเตอรี่ และแหล่งพลังงานหมุนเวียน จำเป็นต้องพัฒนาไปพร้อมด้วย .. เพื่อไขปริศนานี้ สำนักงานพลังงานทดแทนระหว่างประเทศ IRENA ประมาณการว่า การจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่แบบอยู่กับที่ Stationary Battery Storage จะเพิ่มขึ้นจากเพียง 2 GW ทั่วโลกในปี 2560 เป็นประมาณ 175 GW ในปี 2573 .. แต่ชุดแบตเตอรี่ Battery Packs มิใช่วิธีเดียวที่จะชดเชยการทำงานที่ผันแปรไม่ต่อเนื่องของแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานลม .. เรายังมีพลังงานนิวเคลียร์ หากเรายังจะคงมุ่งมั่นไปสู่อนาคตสังคมคาร์บอนต่ำให้ได้ ..

การผลิตกำลังไฟฟ้าจากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ คิดเป็น 10.3% ของการผลิตไฟฟ้าของโลกในปี 2562 .. ถือว่าเป็นแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และมีเสถียรภาพ ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อรองรับพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ ที่ไม่ต่อเนื่อง .. แต่นอกจากจะมีราคาแพง และใช้เวลาก่อสร้างนานแล้ว ปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขว่าจะทำอย่างไรกับขยะกัมมันตภาพรังสีที่มีอายุยืนยาวมีความสำคัญต่อการพัฒนาของมัน .. มีการอภิปรายมากมายในประเด็นว่า “เราต้องการนิวเคลียร์ก็จริง แต่อย่าให้มันมาอยู่ในสวนหลังบ้านของฉัน” ..

อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โมดูลาร์ขนาดเล็ก Small Modular Reactors : SMR กำลังเป็นอีกก้าวสำคัญสู่อนาคตของพลังงานนิวเคลียร์ด้วยแล้ว .. ณ วันนี้ในสหรัฐฯ 20 % ของกำลังผลิตไฟฟ้าของสหรัฐฯ มาจากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มีเครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ 96 เครื่องกำลังทำงานอยู่ และกากนิวเคลียร์กัมมันตภาพรังสีสูงมากกว่า 90,000 เมตริกตัน รวมถึงเชื้อเพลิงใช้แล้ว และวัสดุอื่น ๆ ที่ถือเป็นกากนิวเคลียร์กัมมันตภาพรังสีต่ำอีกมากมายที่ยังต้องบริหารจัดการ ..

เมื่อนำความท้าทายของแบตเตอรี่ธรรมดา และปัญหาที่เกิดจากกากของเสียนิวเคลียร์มารวมกัน เทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่า Nano Diamond Battery Technology กำลังถูกขนานนามว่า เป็นนวัตกรรม Disruptive Innovation ที่สร้างความเปลี่ยนแปลงส่งผลกระทบแรงต่อผลิตภัณฑ์พลังงานรูปแบบเดิม ..

NDB บริษัทสตาร์ทอัพในแคลิฟอร์เนีย กลายเป็นพาดหัวข่าวที่น่าตื่นเต้นเมื่อประกาศว่า ได้ทำการทดสอบแนวคิดแบบ Proof – of – Concept สองรายการของแบตเตอรี่นาโนไดมอนด์ Nano Diamond Battery ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งผลิตขึ้นจากกากนิวเคลียร์ที่ห่อหุ้มด้วยเพชรเทียม Carbon – 14 หรือ ¹⁴C .. แต่รากฐานของเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานนี้เป็นที่รู้จักในรูปแบบของเซลล์ไฟฟ้าเบตาโวลาอิก Betavoltaic Cells ซึ่งขับเคลื่อนโดยการสลายตัวของเบต้า Beta Decay ย้อนกลับไปในปี 2493 ..

บริษัท Arkenlight ในสหราชอาณาจักรต่างจาก NDB ตรงที่ Arkenlight ไม่ได้อ้างว่า แบตเตอรี่เพชรจะสามารถจ่ายกำลังไฟให้กับรถยนต์ หรือแม้แต่แล็ปท็อป .. นั่นเป็นเพราะผลิตภัณฑ์ของพวกเขาให้กำลังไฟฟ้าน้อยกว่าแบตเตอรี่ AA หรือ AAA ทั่วไปหลายพันเท่า .. แม้ว่าจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าพันเท่าเช่นกัน .. เซลล์ไฟฟ้า Betavoltaic Cell ของ Arkenlight จะใช้เวลาประมาณ 5,000 ปีในการคายประจุ 50 % .. บริษัทฯ มองแบตเตอรี่ของพวกเขานั้น เหมาะสมที่จะประยุกต์ใช้งานเพื่อให้พลังงานแก่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางชนิดในตลาดเฉพาะทางราคาสูงเท่านั้น เช่น เครื่องตรวจจับขนาดเล็ก อุปกรณ์/เซ็นเซอร์ IoT ไร้สาย หรือการปลูกถ่ายทางการแพทย์ เครื่องมือสื่อสารทางทหาร และกิจการอวกาศ เป็นต้น ..

มันสามารถวางซ้อนกันทางกลไกในจัดวางแบบอนุกรม หรือขนาน เพื่อพลังงานที่เพิ่มมากขึ้นได้ และสามารถทำงานจับคู่กับตัวเก็บประจุยิ่งยวด Supercapacitor สำหรับกรณีการใช้พลังงานสูงเป็นระยะ ๆ ได้ด้วย ..

บริษัท Arkenlight ตั้งเป้าที่จะสร้างโรงงานผลิตแบตเตอรี่เพชรขนาดใหญ่ในพื้นที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์สิ้นสภาพ หรือเลิกใช้งานแล้วหลายแห่งทางตะวันตกเฉียงใต้ของอังกฤษ หรืออาจจะเป็นทางเหนือของเวลส์ .. ด้วยวิธีนี้ บริษัทจึงสามารถเข้าถึงไอโซโทปคาร์บอน – 14 หรือ ¹⁴C สำหรับการผลิตแบตเตอรี่ได้อย่างง่ายดาย .. Boardman ประมาณการว่า แบตเตอรี่ Carbon – 14 จะเริ่มปรากฏในตลาดอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไป ประมาณปี 2567 หากทุกอย่างเป็นไปอย่างราบรื่น ..

ในแง่ของความท้าทาย การใช้วัสดุกัมมันตภาพรังสีทำให้เป็นเรื่องยุ่งยาก ดังนั้นการผลิตจึงต้องอาศัยขั้นตอนการดูแลและมาตรการความปลอดภัยมากมายที่ต่างไปจากแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีทั่วไป .. แม้ว่ากระบวนการนี้จะปลอดภัย แต่โครงสร้างพื้นฐานด้านความปลอดภัยที่จำเป็นในการผลิตพวกมัน และการอนุญาตจากภาครัฐมีค่าใช้จ่ายสูงมาก .. พวกมันยังถือว่า เป็นเทคโนโลยีในอนาคตซึ่งตอบโจทย์ความต้องการของมนุษยชาติที่น่าตื่นเต้นได้จริง แต่คงจะต้องติดตามความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเหล่านี้อย่างใกล้ชิดต่อไป ..

คอลัมน์ Energy Key

By โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Radioactive Diamond Battery Will Run For 28000 Years | Popular Mechanics :-

https://www.popularmechanics.com/science/green-tech/a35970222/radioactive-diamond-battery-will-run-for-28000-years/

How Could Nano – Diamond Batteries Revolutionize Power Generation? :-

https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5591

NDB: Home :-

https://ndb.technology/

‘Diamond – Age’ of Power Generation as Nuclear Batteries Developed | University of Bristol :-

https://www.bristol.ac.uk/cabot/what-we-do/diamond-batteries/

Nano Diamond Battery Provides Universal Applicability | Tech Briefs Media Group :-

https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/supplements/bt/features/articles/38472

Are Diamonds the Future of Energy Storage? | Nasdaq :-

https://www.nasdaq.com/articles/are-diamonds-the-future-of-energy-storage-2020-06-04

Nano Diamond Batteries and The Future of Power Production | Clean Energy Authority :-

https://www.cleanenergyauthority.com/solar-energy-news/nano-diamond-batteries-040621

Batteries from Nuclear Waste That Last Thousands of Years | Electronicsforu :-

https://www.electronicsforu.com/technology-trends/must-read/diamond-batteries-lasts-thousands-years

Diamond Battery : Lifetime Nuclear Diamond Batteries 、。。

https://photos.app.goo.gl/VC5j2KQNBYR7eaEF6