3D baskı ile üretilen nükleer pil, güç yoğunluğunda iddialı

Erdem Çınar

Film ve Dizi Editörü

3D baskı ile üretilen nükleer pil, güç yoğunluğunda iddialı — Gerek uzun süreli uzay görevleri, gerekse derin deniz keşifleri için uzun süre kesintisiz enerji sağlayacak çözümler bulmak büyük önem taşıyor. Bakım gerektirmeden yıllarca çalışabilecek alternatifler arayan araştırmacılar, yıllardır nükleer tabanlı mikro güç sistemleri üzerinde çalışıyor. Ancak bugüne kadar kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratörlerin (RTG) genellikle büyük, ağır ve ısı motorlarına dayalı sistemler olması, bu nükleer bataryaların kullanım alanlarını sınırlıyor. Ne var ki Avustralyalı bir şirket, şimdi bu tabloyu değiştirebilecek yeni bir yaklaşım üzerinde çalışıyor.

Avustralya merkezli mühendislik şirketi entX, GenX adını verdiği betavoltaik nükleer pilini birlaboratuvar prototipinin ötesine geçirip, ticari üretim aşamasına taşımaya hazırlanıyor. Adelaide Üniversitesi ile iş birliği içinde geliştirilen bu sistem, 3D baskı teknolojisini kullanarak bugüne kadar görülmemiş seviyede enerji yoğunluğunu kompakt ve son derece dayanıklı bir yapı içine sığdırıyor.

GenX, RTG’lerden Farklı Olarak Betavoltaik Prensiple Çalışıyor

GenX’i mevcut nükleer güç sistemlerinden ayıran temel unsur, enerjiyi üretme biçimi. Radyoizotop termoelektrik jeneratörler (RTG), radyoaktif bir izotopun bozunması sırasında ortaya çıkan ısıyı kullanır. Bu ısı, termoelektrik modüller aracılığıyla sıcak ve soğuk yüzey arasındaki sıcaklık farkından elektrik üretir. Yani sistem temelde bir ısı motoru gibi çalışır: Önce ısı üretilir, ardından bu ısı dolaylı bir mekanizmayla elektriğe dönüştürülür. Bu yapı son derece güvenilir olsa da yüksek sıcaklık yönetimi gerektirir, kalın koruma katmanları ister ve doğal olarak hem hacimli hem de ağır olur.

Betavoltaik piller ise aradaki “ısı aşamasını” tamamen ortadan kaldırıyor. Radyoaktif bir izotop bozunduğunda yalnızca ısı değil, aynı zamanda beta parçacıkları (yüksek enerjili elektronlar) da yayar. Betavoltaik sistemlerde bu parçacıklar özel olarak tasarlanmış yarı iletken bir malzemeye yönlendirilir. Beta parçacıkları yarı iletkenin kristal yapısına çarptığında, tıpkı güneş panellerinde fotonların yaptığı gibi elektron–delik çiftleri oluşturur. Bu yük ayrışması kontrollü bir elektrik akımına dönüştürülür. Yani enerji dönüşümü doğrudan parçacık etkileşimi üzerinden gerçekleşir; ısı üretmek ve onu yeniden elektriğe çevirmek gibi dolaylı bir sürece ihtiyaç kalmaz. Bu yaklaşım, hareketli parça gerektirmediği için daha kompakt ve teorik olarak daha uzun ömürlü çözümler sunabiliyor.

Betavoltaik yaklaşım aslında yeni değil; hatta on yıllardır sınırlı kapasitede de olsa kullanılıyor. Ancak şimdiye kadar daha çok düşük güç gerektiren niş uygulamalarda (örneğin bazı tıbbi implantlarda ya da küçük sensörlerde) değerlendirildi. Bunun temel nedeni güç yoğunluğunun sınırlı kalmasıydı. Ayrıca klasik üretim teknikleri, radyoaktif kaynağı ve ona eşlik eden yarı iletken katmanları mikron-altı hassasiyetle, karmaşık üç boyutlu mimariler içinde bir araya getirmeye pek elverişli değildi. Bu nedenle betavoltaikler uzun ömürlü ama düşük güçlü çözümler olarak konumlandı ve yüksek enerji gerektiren uzay ya da savunma görevleri için yeterli görülmedi.

entX, Betavoltaik Pillerin Güç Yoğunluğu Problemini 3D Yazıcılar ile Çözdü

Araştırma ekibi bunun kademeli bir iyileştirme değil, koca bir sıçrama olduğuna dikkat çekiyor. Geleneksel yöntemlerle ulaşılamayan güç yoğunluklarının, yeni yarı iletken biriktirme teknikleri ve katmanlı üretim sayesinde mümkün hâle geldiği belirtiliyor. Özellikle ultra ince betavoltaik filmlerin karmaşık üç boyutlu mimariler içinde üretilebilmesi, hem enerji çıktısını artırıyor hem de sistemi mekanik olarak son derece dayanıklı kılıyor.

entX, bu nükleer bataryaları sahada güvenli şekilde kullanabilmek için 3D baskı ile özel radyasyon kalkanları da üretmiş. Hassas biçimde tasarlanan bu muhafazalar, bataryayı bir tür koruyucu zırh içine alarak uydulardan su altı araçlarına kadar farklı platformlara güvenli şekilde entegre edilmelerine zemin hazırlıyor.

Hedef, laboratuvar ortamında işlevselliği kanıtlanan bu prototipi önümüzdeki 14 ay içinde ticari ölçekli üretim hattına taşımak. Eğer işler planlandığı gibi ilerlerse GenX, nükleer bataryalar açısından önemli bir ilke imza atabilir. Böyle bir atılım, sadece uzay görevleri ve derin deniz araştırmaları için değil, savunma sanayiinden uzun ömürlü IoT ağlarına kadar pek çok alanda fark yaratabilir. Örneğin Ay gecelerinde çalışmaya devam edebilen keşif araçları ya da derin uzay sondaları mümkün hâle gelebilir. Bu yüzden entX'in çalışmaları heyecanla takip ediliyor. Şirketin bu vaatlerini yerine getirip getiremeyeceğini bekleyip göreceğiz.