Pin hạt nhân Zhulong-1: Công nghệ mới hoạt động hơn 100 năm

Nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố pin hạt nhân Zhulong-1, có khả năng hoạt động bền bỉ hơn một thế kỷ mà không cần sạc trong môi trường khắc nghiệt, mở ra kỷ nguyên mới cho nguồn năng lượng bền vững trong y tế và Khám Phá không gian.

Zhulong-1: Đột phá từ Đại học Sư phạm Tây Bắc

Ngày 13 tháng 3, nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Tây Bắc, tỉnh Cam Túc, đã công bố loại pin siêu bù mang tên Zhulong-1. Đây là nguồn năng lượng tiên tiến được thiết kế đặc biệt để cấp điện cho các thiết bị y tế nhạy cảm như máy tạo nhịp tim, tàu vũ trụ và thiết bị hoạt động trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt bao gồm vùng cực lạnh giá và biển sâu.

Ông Cai Dinglong, trưởng dự án, cho biết pin Zhulong-1 được thiết kế với tuổi thọ hoạt động chính thức là 50 năm. Tuy nhiên, các thử nghiệm và mô phỏng kỹ lưỡng từ Đại học Sư phạm Tây Bắc đã chứng minh viên pin có khả năng duy trì hoạt động vượt trội hơn một thế kỷ mà không yêu cầu sạc lại, ngay cả trong điều kiện môi trường biến động mạnh. Điều này đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ lưu trữ năng lượng, giải quyết vấn đề nan giải về thay thế pin trong các thiết bị cấy ghép y tế hay vệ tinh không gian.

Việc phát triển Zhulong-1 đại diện cho một hướng đi mới trong nghiên cứu năng lượng hạt nhân quy mô nhỏ. Thay vì tập trung vào các nhà máy điện hạt nhân công suất lớn, nhóm nghiên cứu chọn phương án miniatur hóa công nghệ hạt nhân để ứng dụng vào các thiết bị dân dụng và chuyên dụng. Phương pháp này không chỉ mở rộng phạm vi ứng dụng của năng lượng hạt nhân mà còn giảm thiểu các rủi ro an toàn thường gắn liền với công nghệ hạt nhân truyền thống thông qua việc sử dụng vật liệu bao che và thiết kế an toàn đa lớp.

Thông số kỹ thuật vượt trội trong mọi điều kiện

Pin hạt nhân Zhulong-1 được thiết kế để hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng từ âm 100 độ C đến 200 độ C. Khả năng chịu nhiệt này vượt xa các loại pin thông thường hiện có, cho phép Zhulong-1 hoạt động hiệu quả trong môi trường không gian nơi nhiệt độ có thể xuống dưới -100°C hoặc các ứng dụng công nghiệp yêu cầu nhiệt độ cao. Dải nhiệt độ rộng này mở ra cơ hội ứng dụng cho các thiết bị cảm biến trong khu vực Bắc Cực, trạm nghiên cứu Nam Cực, hoặc các thiết bị trong lò công nghiệp mà pin lithium-ion không thể chịu nổi.

Một thông số kỹ thuật ấn tượng khác của Zhulong-1 là mật độ năng lượng cao hơn 10 lần so với các loại pin lithium-ion thông thường. Điều này có nghĩa là viên pin Zhulong-1 có thể lưu trữ lượng năng lượng gấp 10 lần một viên pin lithium-ion cùng kích thước, hoặc đạt hiệu suất tương đương với kích thước chỉ bằng một phần mười so với pin truyền thống. Mật độ năng lượng cao này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng không gian nơi mỗi gram trọng lượng đều có giá trị lớn, hoặc trong các thiết bị y tế cấy ghép cần kích thước nhỏ gọn nhưng hiệu suất hoạt động lâu dài.

Tỷ lệ suy giảm hiệu suất của Zhulong-1 chỉ dưới 5% trong suốt 50 năm tuổi thọ thiết kế. Con số này cực kỳ ấn tượng khi so sánh với pin lithium-ion thông thường thường suy giảm 20-30% hiệu suất chỉ sau 2-3 năm sử dụng. Tỷ lệ suy giảm thấp này đảm bảo thiết bị được cấp điện bởi Zhulong-1 hoạt động ổn định trong nhiều thập kỷ mà không cần calibration hay thay thế định kỳ. Trong y tế, điều này có nghĩa là bệnh nhân cấy máy tạo nhịp tim sử dụng pin Zhulong-1 có thể không cần phẫu thuật thay pin trong suốt cuộc đời, giảm thiểu rủi ro nhiễm trùng và chi phí điều trị đáng kể.

So sánh Zhulong-1 với pin lithium-ion trong ứng dụng thực tế

Khi so sánh trực tiếp với pin lithium-ion, Zhulong-1 thể hiện ưu điểm vượt trội về tuổi thọ và độ ổn định. Pin lithium-ion thông thường thường cần sạc lại sau 500-1000 chu kỳ xả, tương đương 2-3 năm sử dụng thường xuyên trước khi hiệu suất giảm đáng kể. Trong khi đó, Zhulong-1 duy trì hơn 95% hiệu suất sau 50 năm hoạt động liên tục, tạo ra khoảng cách khổng lồ về tuổi thọ sử dụng giữa hai công nghệ. Đối với các ứng dụng không thể tiếp cận để bảo trì như vệ tinh hay thiết bị dưới biển sâu, sự khác biệt này quyết định tính khả thi của dự án.

Về chi phí trong suốt vòng đời sản phẩm, mặc dù Zhulong-1 có chi phí sản xuất ban đầu cao hơn nhiều so với pin lithium-ion, nhưng tính trong tổng chi phí vận hành và bảo trì 50 năm, pin hạt nhân này lại có lợi thế vượt trội. Một vệ tinh sử dụng pin lithium-ion cần được thiết kế để thay pin định kỳ, hoặc chấp nhận tuổi thọ hoạt động ngắn, làm tăng tổng chi phí dự án. Với Zhulong-1, vệ tinh có thể hoạt động liên tục trong nhiều thập kỷ không cần bảo trì, giảm chi phí phóng vệ tinh mới và tối ưu hóa lợi nhuận đầu tư. Tính toán chi phí vòng đời (life-cycle cost) cho thấy Zhulong-1 trở thành lựa chọn kinh tế hơn cho các dự án dài hạn trên 20 năm.

Tuy nhiên, pin lithium-ion vẫn giữ ưu thế trong các ứng dụng dân dụng ngắn hạn và yêu cầu công suất xả cao nhịp độ tần. Pin lithium-ion có khả năng cung cấp dòng điện lớn trong thời gian ngắn, phù hợp cho xe điện, thiết bị điện tử tiêu dùng và các ứng dụng cần công suất đỉnh cao. Zhulong-1, với thiết kế tối ưu cho công suất ổn định liên tục trong thời gian dài, phù hợp hơn với các thiết bị y tế, cảm biến từ xa, vệ tinh và các ứng dụng không gian hơn là các thiết bị điện tử tiêu dùng có chu kỳ xả biến động mạnh. Sự phân chia này tạo ra thị trường song song cho hai công nghệ thay vì loại bỏ hẳn pin lithium-ion trong tương lai gần.

Ứng dụng pin hạt nhân trong thiết bị y tế cấy ghép

Ứng dụng tiềm năng trong y tế và khám phá không gian

Trong y tế, Zhulong-1 hứa hẹn tạo ra bước ngoặt cho các thiết bị cấy ghép như máy tạo nhịp tim, máy thở nhân tạo cấy ghép và thiết bị kích thích thần kinh. Với khả năng hoạt động trên 100 năm, bệnh nhân cấy máy tạo nhịp tim sử dụng Zhulong-1 có thể không cần phẫu thuật thay pin trong suốt cuộc đời, loại bỏ hoàn toàn rủi ro nhiễm trùng sau phẫu thuật và chi phí nhập viện định kỳ. Điều này đặc biệt quan trọng với các bệnh nhân cao tuổi hoặc người có hệ miễn dịch yếu, nơi mỗi lần phẫu thuật thay pin đều mang rủi ro đáng kể. Ngoài ra, kích thước nhỏ gọn của Zhulong-1 cho phép thiết kế các thiết bị y tế cấy ghép nhỏ hơn, ít xâm lấn hơn, cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

Trong lĩnh vực khám phá không gian, Zhulong-1 giải quyết vấn đề nan giải về nguồn năng lượng cho các tàu vũ trụ sâu và trạm vũ trụ dài hạn. Các tàu vũ trụ hiện nay phụ thuộc vào tấm pin mặt trời hiệu quả khi gần Mặt Trời nhưng trở nên vô dụng khi đi xa khỏi quỹ đạo Trái Đất. Zhulong-1, với khả năng hoạt động độc lập từ ánh sáng Mặt Trời, có thể cấp điện cho tàu vũ trụ trong các nhiệm vụ đi đến Sao Mộc, Sao Thổ hoặc thậm chí rời khỏi hệ Mặt Trời. Các trạm nghiên cứu trên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa cũng có thể sử dụng Zhulong-1 như nguồn năng lượng dự phòng hoặc chính trong đêm dài hoặc bão bụi, nơi pin mặt trời không hoạt động hiệu quả.

Trong các ứng dụng dưới biển sâu và môi trường khắc nghiệt, Zhulong-1 cung cấp giải pháp năng lượng cho các thiết bị giám sát địa chấn, trạm nghiên cứu biển sâu và thiết bị thăm dò dầu khí. Các thiết bị này hiện tại sử dụng pin lithium-ion cần thay thế định kỳ, đòi hỏi tàu thợ lặn hoặc tàu ngầm không người lái để bảo trì, gây tốn kém chi phí và rủi ro an toàn. Với Zhulong-1, các thiết bị này có thể hoạt động tự động trong nhiều thập kỷ, chỉ cần kiểm tra định kỳ qua tín hiệu truyền từ xa, tối ưu hóa chi phí vận hành và giảm nguy cơ tai nạn cho nhân viên bảo trì.

Zhulong-2: Thế hệ tiếp theo với kích thước nhỏ hơn

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Tây Bắc đang tích cực phát triển Zhulong-2, thế hệ pin hạt nhân thứ hai được thiết kế để tối ưu hóa chi phí sản xuất và giảm kích thước. Theo chia sẻ của ông Cai Dinglong, mục tiêu chính của Zhulong-2 là làm nhỏ gọn pin xuống kích thước chỉ tương đương một đồng xu, mở ra khả năng ứng dụng cho các thiết bị điện tử nhỏ hơn như thiết bị IoT (Internet of Things), cảm biến không dây và thậm chí là thiết bị đeo thông minh. Việc giảm kích thước cũng đồng nghĩa với việc giảm chi phí vật liệu và quy trình sản xuất, giúp Zhulong-2 trở nên khả thi hơn cho các ứng dụng thương mại quy mô lớn.

Zhulong-2 dự kiến ra mắt vào cuối năm nay hoặc đầu năm sau, đánh dấu bước tiến nhanh chóng từ nghiên cứu sang thương mại hóa công nghệ pin hạt nhân miniaturized. Kích thước đồng xu của Zhulong-2 cho phép tích hợp vào các thiết bị nhưng trước đây quá nhỏ để sử dụng pin hạt nhân như đồng hồ thông minh, kính AR/VR hoặc các cảm sinh vật y tế cấy ghép siêu nhỏ. Điều này mở ra khả năng thiết kế các thiết bị y tế cấy ghép không dây có thể tiêm vào cơ thể qua kim tiêm thay vì phẫu thuật xâm lấn, giảm đau đớn và thời gian hồi phục cho bệnh nhân.

Việc thương mại hóa Zhulong-2 sẽ phụ thuộc vào việc giải quyết các vấn đề về quy định an toàn hạt nhân và chấp nhận công khai đối với công nghệ năng lượng hạt nhân trong thiết bị tiêu dùng. Mặc dù Zhulong-2 sử dụng vật liệu hạt nhân ở mức thấp và được thiết kế với nhiều lớp bao che an toàn, việc sử dụng công nghệ này trong sản phẩm tiêu dùng vẫn cần được các cơ quan quản lý y tế và năng lượng phê duyệt kỹ lưỡng. Nhóm nghiên cứu đang làm việc chặt chẽ với các cơ quan chức năng để xây dựng tiêu chuẩn an toàn mới cho các thiết bị pin hạt nhân miniaturized, đảm bảo cân bằng giữa hiệu suất hoạt động và an toàn cho người sử dụng.

Câu hỏi thường gặp

Pin Zhulong-1 có an toàn khi sử dụng trong thiết bị y tế cấy ghép?

Zhulong-1 được thiết kế với nhiều lớp bao che an toàn và sử dụng vật liệu hạt nhân ở mức thấp, đã được kiểm chứng về độ an toàn trong môi trường sinh học.

Khi nào Zhulong-2 sẽ có sẵn trên thị trường thương mại?

Zhulong-2 dự kiến ra mắt vào cuối năm nay hoặc đầu năm sau nhưng phụ thuộc vào phê duyệt quy định an toàn hạt nhân từ các cơ quan chức năng.

Khám Phá

Trung tâm dữ liệu Khu Công nghệ cao TP.HCM: Điểm đến mới cho doanh nghiệp công nghệ hiện đại

Công nghệ AI trên camera, công nghệ chụp hình hiện đại nhất hiện nay.

Vòng đời nhân viên dưới tác động của công nghệ

Đầu tư công nghệ – Cốt lõi thành công của trải nghiệm nhân viên

AI công sở Trung Quốc: Công nghệ sao chép và thay thế nhân viên