DARPA rót 3,37 triệu USD phát triển pin hạt nhân hoạt động hàng chục năm không cần sạc

Tàu vũ trụ với động cơ đẩy plasma linh hoạt được cung cấp năng lượng bởi các tấm pin quang điện công suất kilowatt. Ảnh minh họa: IE.

Đại học Morgan State cùng các đối tác vừa giành được hợp đồng trị giá 3,37 triệu USD từ Cơ quan Các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến Mỹ (DARPA) nhằm phát triển một thế hệ hệ thống năng lượng hạt nhân hoàn toàn mới có khả năng vận hành trong nhiều thập kỷ mà không cần tiếp nhiên liệu.

Dự án mang tên SYMPHONEE hướng tới mục tiêu chuyển đổi trực tiếp năng lượng sinh ra từ quá trình phân rã phóng xạ thành điện năng. Các nhà nghiên cứu tin rằng công nghệ này có thể cung cấp nguồn điện ổn định cho những lĩnh vực mà pin truyền thống hoặc các hệ thống năng lượng hiện nay gặp nhiều hạn chế, bao gồm các sứ mệnh không gian, cơ sở hạ tầng dưới đáy biển, mạng lưới cảm biến tại vùng xa xôi và các nền tảng quân sự.

Morgan State giữ vai trò điều phối chính trong liên danh gồm Northrop Grumman, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL), Project Omega, Applied Research Associates (ARA) và Widetronix. Dự án nằm trong chương trình Rads to Watts của DARPA, sáng kiến nhằm phát triển các hệ thống phát điện cỡ nhỏ có công suất cao hơn và tuổi thọ dài hơn.

Biến chất thải hạt nhân thành điện năng

Trọng tâm của dự án là một thiết bị phát điện radiovoltaic sử dụng các đồng vị phóng xạ như Stronti-90 để tạo ra điện năng. Khác với pin thông thường, các hệ thống này khai thác năng lượng từ quá trình phân rã phóng xạ và có thể hoạt động liên tục trong nhiều năm với yêu cầu bảo trì tối thiểu.

Nhóm nghiên cứu dự định kết hợp các vật liệu bán dẫn tiên tiến với các đồng vị phát xạ beta nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị. Đồng thời, họ cũng hướng tới việc sử dụng các đồng vị được thu hồi từ nhiên liệu hạt nhân tái chế và các nguồn chất thải hạt nhân tồn đọng từ trước.

Ông Michael Spencer, giáo sư tại Đại học Morgan State và là trưởng nhóm kỹ thuật của dự án, cho biết nhóm đang tìm cách mở rộng các giới hạn hiện nay của công nghệ radiovoltaic.

“Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đang vượt qua những ranh giới hiện hữu của công nghệ radiovoltaic. Bằng cách kết hợp vật liệu tiên tiến, kỹ thuật chế tạo thiết bị và khoa học hạt nhân, chúng tôi đang đặt nền móng cho một thế hệ hệ thống năng lượng bền bỉ mới”, ông Spencer cho biết.

Phần lớn công việc phát triển và thử nghiệm thiết bị sẽ được thực hiện tại PNNL. Tại đây, các nhà khoa học sẽ tập trung nâng cao khả năng chống chịu bức xạ trong khi vẫn duy trì hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Tập trung vào mật độ công suất

Một trong những mục tiêu quan trọng nhất của chương trình DARPA là nâng cao mật độ công suất – chỉ số phản ánh lượng điện năng mà hệ thống có thể tạo ra so với trọng lượng của nó.

Mật độ công suất càng cao thì các hệ thống radiovoltaic càng có giá trị đối với những nhiệm vụ mà kích thước, trọng lượng và yêu cầu bảo dưỡng là những yếu tố then chốt.

Các mô hình tính toán ban đầu cho thấy công nghệ này có thể đạt hoặc vượt các mục tiêu mà chương trình đề ra về cả công suất riêng lẫn mật độ năng lượng. Nếu thành công, hệ thống có thể mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho các hoạt động kéo dài trong những môi trường khắc nghiệt và xa xôi.

Ông Stafford Sheehan, Giám đốc điều hành Project Omega, cho rằng dự án có tiềm năng biến những vật liệu từng bị xem là chất thải thành nguồn tài nguyên năng lượng có giá trị.

“Sứ mệnh của chúng tôi là biến những thứ từng được coi là chất thải thành một tài sản năng lượng chiến lược”, ông Sheehan nói.

Ông cho biết thêm công nghệ này có thể làm giảm đáng kể nhu cầu thay pin thường xuyên trong các hệ thống quan trọng.

Tiềm năng ứng dụng trong quốc phòng và không gian

Tập đoàn quốc phòng Northrop Grumman sẽ đóng góp chuyên môn về vi điện tử, tác động của bức xạ, mô hình hóa và khả năng sống sót của hệ thống trong môi trường khắc nghiệt.

Công ty dự kiến sử dụng các công cụ tính toán tiên tiến để đẩy nhanh quá trình thiết kế và đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống trong những điều kiện đặc biệt khắt khe.

Theo Northrop Grumman, công nghệ này có thể hỗ trợ các hệ thống quốc phòng tương lai cần nguồn điện ổn định tại những khu vực mà các giải pháp năng lượng truyền thống không thể hoạt động hiệu quả.

Dự án SYMPHONEE phản ánh sự quan tâm ngày càng lớn đối với các công nghệ năng lượng hạt nhân cỡ nhỏ có khả năng cung cấp điện liên tục trong thời gian dài. Nếu đạt được các mục tiêu đề ra, chương trình có thể mở đường cho sự xuất hiện của một thế hệ hệ thống năng lượng tuổi thọ cực dài phục vụ quốc phòng, hàng không vũ trụ và nhiều ngành công nghiệp chiến lược khác.