Yüzlerce yıl bitmeyen pil üretmek mümkün mü?

Başlıktaki soruya “evet, zaten üretildi” cevabını vererek başlayalım ve bu yazımızda gelecekte daha yaygın kullanım alanına sahip olması beklenen nükleer pilleri aktaralım. Geleneksel bataryaların kısa ömrü, kullanım alanlarında birçok kısıtlamaya neden olmaktadır. Özellikle sık şarj edilmesi ve bataryaların büyük olması bu kısıtlamaların temel nedenleridir. Bu sorun günümüzde nükleer batarya (piller) ile çözülebilmektedir. Nükleer pilleri kısaca, radyoaktif bir malzemenin bozunması ile açığa çıkan enerjinin doğrudan elektrik enerjisine çevrilmesi ile tanımlayabiliriz. Nükleer pillerin ömürleri, onlarca hatta yüzlerce yılı bulabilir.

NÜKLEER PİLLER NASIL ÇALIŞIR?

Esasında nükleer pillerde, radyoaktif bozunmadan sonra iki yöntemle elektrik enerjisi açığa çıkar. Birincisi; radyoaktif izotopların (Plütonyum-238, Tritium, Nikel-63, Strontium-90, Karbon-14 vb.) kendiliğinden parçacık ya da radyasyon yaymasıyla ısı açığa çıkar, bu ısıyı elektrik enerjisine çeviren “Termoelektrik Malzemeler” ile elektrik enerjisi elde edilmiş olur.

Bir diğer yöntem ise “Betavoltaik Dönüştürücü” ile sağlanmaktadır. Beta parçacıkları yayan izotoplar (Trityum, Nikel-63) bir yarıiletken malzemeye (Silisyum, Elmas vb.) çarparak elektron-boşluk çifti oluştururlar. Bu şekilde fotovoltaik hücrelerde olduğu gibi elektrik akımı sağlanmaktadır.

NÜKLEER PİL ÇEŞİTLERİ VE KULLANILAN İZOTOPLAR

RTG’ler (Radyoizotop Termoelektrik Dönüştürücüler), Plütonyum-238, Strontium-90 gibi izotoplar kullanmaktadır. Yani, bu radyoaktif elementlerin ışımalarından oluşan ısıyı elektriğe çevirmektedir. Plütonyum-238 yüksek güç ve ısı doğurur, yarılanma ömrü 87,7 yıldır. Strontium-90 daha az kullanılmaktadır. Bu izotoplar, yüksek güç/ısı sağlandığı için genellikle derin uzay sondalarında (Voyager, Cassini, Curiosity, Perseverance) ve uzak kutup noktalarında kullanılmaktadır. Betavoltaik piller, Trityum (düşük enerjili beta, kısa yarı ömürlü-12,3 yıl), Nikel-63 (uzun yarı ömür-100 yıl), Karbon-14 (karbon bloklarda güvenli) izotoplarını kullanmaktadır. Çok düşük güç çıkışı (nanowatt, mikrowatt) olmasının yanında küçük boyutları ve ince malzemeler ile beta blokajı sayesinde güvenilir pil türleridir. En önemli özelliklerinden bir tanesi ise oda sıcaklığında çalışabilir olmalarıdır. Kullanım alanlarını ise, tıbbi implantlar (kalp pilleri ve nöral implantlar), uzun ömürlü sensörler, mikro elektromekanik sistemler (MEMS), askeri ve uzay uygulamalarda küçük elektronik sistemlerin güç kaynağı olarak sıralayabiliriz.

NÜKLEER PİLLERİN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI

Onlarca hatta yüzyıllar boyu çalışıyor olmaları diğer pillere göre büyük bir avantaj sağlamaktadır. Pilin güneş hücrelerinin aksine sürekli enerji sağlıyor olması en büyük avantajlarından birisidir. Küçük miktar radyoaktif malzemeler ile oldukça yüksek enerji üretimi sağlanmaktadır. Aşırı sıcak ve soğuk, vakum ve radyasyon ortamlarında diğer pillere oranla daha güvenli çalışmaktadır. Son olarak kurulum sonrası bakım ihtiyacı neredeyse oluşmamaktadır.

Dezavantajlarına gelecek olursak, RTG’ler hariç özellikle Betavoltaik bataryalarda düşük enerji üretimi sağlanmaktadır. Yüksek güç ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. Kaza durumlarda özellikle RTG’lerde sızıntı riski yüksektir; ancak burada Betavoltaik piller daha güvenlidir. Pu-238 gibi malzemelerin tedariğinin sınırlı olması da dezavantaj doğurmaktadır. Bir diğer dezavantaj ise pil ömrünü doldurmasında radyoaktif atık yönetimine tabi olmalarıdır.

MEVCUT VE GELECEKTEKİ KULLANIM ALANLARI

Nükleer pillerin, derin uzay görevlerinde vazgeçilmez enerji kaynağı olması öngörülmektedir. Örnek verecek olursak, Voyager Uzay Sondasında bu pillerin kullanımına devam edilmektedir. Betavoltaik pillerin ise, ömür boyu pil değişimi olmaksızın kalp pillerinin enerji kaynağı görevini üstleneceği düşünülmektedir. Nükleer pillerin; okyanus dibi, volkan izleme, boru hatları ve uzak askeri üslerde uzak ve otonom sensörlerin güç kaynağı olarak kullanılması öngörülmektedir.

Nükleer pillerin, gelecekte üretim maliyetlerinin düşürülmesiyle daha yaygın kullanım alanı bulacağı düşünülmektedir.

Bununla birlikte, yeni tasarımlarla, özellikle daha güvenilir olan Betavoltaik pil kaynaklarının artacağı söylenebilir. Termoelektrik ve Betavoltaik malzemelerde yarıiletken verimliliğini arttıracak yeni malzemelerin geliştirilmesi planlanmaktadır.

TÜRKİYE’DE DURUM

Termoelektrik enerji dönüştürücülerle ilgili malzeme çalışmaları yapılsa da nükleer pil çalışması Türkiye’de yer almamaktadır. Devlet kurumlarının nükleer pil projelerini desteklemesi ve bu alanda çalışan araştırmacıların yanında durması şiddetle tavsiye edilmektedir. Onlarca hatta yüzlerce yıllık ömre sahip pillerin, üretimi ve geleceğimizi şekillendireceği unutulmamalıdır.