فالبطاريات الذرية، المعروفة رسمياً باسم المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة، هي أجهزة متطورة لتحويل الطاقة تحول الحرارة التي تطلقها البذور المشعة الطبيعية لبعض النظائر المشعة مباشرة إلى طاقة كهربائية، وخلافاً للبطاريات الكيميائية أو خلايا الوقود التي تعتمد على ردود الفعل الكهروكيميائية وتحتاج إلى إعادة شحن أو إعادة تزويد بالوقود، يمكن للبطاريات الذرية - 20 أن تعمل باستمرار لمدة عقود دون أي مقومات متحركة أو تدخل خارجي.

كيف تعمل البطاريات الذرية؟

ويكمن في جوهر البطارية الذرية مبدأ طبيعي بسيط ولكنه أنيق: أثر سيبيك، وعندما ينضم إلى مواد متطرفة أو شبه موصلية لتشكل عظمة حرارية، يولد فولطية إذا استمر اختلاف درجة الحرارة عبر الملتقى، وفي جهاز RTG، يسخن جانب من دائرة الحرارة المحيطة عادة من جراء تآكل طاقة النظائر المشعة.

ويُستعان بالمصدر الإشعاعي عادة في كتلة معدنية قوية ومقاومة للتآكل، مصممة لاحتواء المواد حتى في ظروف متطرفة مثل حوادث الإطلاق أو العودة إلى الغلاف الجوي للأرض، ومع تفكك النظائر، فإنها تنتج جسيمات ألفا، أو جزيئات من البعوض، أو إشعاع جاما، التي تتزامن مع المواد المحيطة وتولد الحرارة.

ونظراً لأن أجهزة منع الحمل لا تملك قطعاً متحركة، أو توربينات أو مولدات كهربائية - فهي موثوقة ومقاومة بشكل استثنائي للارتداء الميكانيكي، كما أن تبسيطها يسمح لها بالعمل في فراغ الفضاء، أو في ظل ضغط محيطي، أو في ظل ظروف باردة للغاية دون فقدان الأداء، وتتراوح كفاءة التحويل من 5 في المائة إلى 8 في المائة بالنسبة للتصميمات القديمة باستخدام أجهزة التمويه أو الأشعة السيليكية.

أجهزة الإيسوبست المشعة المشتركة المستخدمة

إن اختيار النظير أمر حاسم في أداء البطارية الذرية وسلامتها وطولها، وينبغي أن يكون النظير المثالي نصف عمر طويل، وكثافة عالية للطاقة، ومتطلبات منخفضة للتحميل، وقلة إنتاج الإشعاع المخترق الذي يتطلب حماية شديدة، وبرز ثلاثة النظائر كمرشحين عمليين.

Plutonium —238 (Pu —238)

أما اليورو ٢٣٨ فهو معيار الذهب بالنسبة لمجموعات الطاقة الفضائية، ويرجع ذلك أساسا إلى الانبعاث ألفا، وهو لا ينتج أي إشعاع هام من نوع غاما يتطلب حماية شديدة، حيث أن نصف عمر الطاقة يبلغ ٨٧,٧ سنة، يوفر إنتاجا ثابتا للطاقة على مدى عقود - فيوير ١، وفوياغر ٢، الذي بدأ في عام ١٩٧٧، ما زال يعتمد على مفاعلات الطاقة المضغوطة التي تنتجها بو - ٢٣٨ للاتصال بالأرض، رغم انخفاض مستويات الطاقة العالية.

Strontium —90 (Sr —90)

إن عمليات الاتحاد السوفياتي ذات الأهمية القصوى هي إنتاج من إنتاج النسيج الذي يبث مواده من البيتا، ويمتد نصف عمره إلى 28.8 سنة، وينتج كميات مفيدة من الحرارة، وإن كانت في كثافة طاقة أقل من 238 بو، وينطوي انبعاثه من البيتا على قدر من السهولة نسبياً من المعادن، ومن الناحية التاريخية، تم نشر أجهزة التردد العالي جداً في التطبيقات الأرضية البعيدة مثل أجهزة الصيانات الضوئية في القطب الشمالي.

Cesium —137 (Cs —137)

ويمتد نصف العمر في Cs —137 إلى حوالي 30 عاماً ويُحدث إشعاع غاما وبيتا، وتستلزم انبعاثات غاما حماية أشد، مما يقلل من الميزة العامة لكثافة الطاقة لفئة RTG. وبالتالي، فإن Cs —137 نادراً ما تستخدم في البطاريات الذرية الحديثة إلا في سياقات متخصصة، مثلاً، في البحوث أو كمصادر للمقاييس، كما أن استخدامها في توليد الطاقة هو إرث تاريخي، ولكن فهم خصائصها.

Emerging Isotopes

ويجري البحث في النظائر البديلة، مدفوعاً بمحدودية الإمدادات وارتفاع تكلفة البيوم 238.() أما الأمريكييوم - 241 (Am —241)، وهو منتج من مادة البلوتونيوم، فتتراوح عمره بين 432 سنة، ويوفر إنتاجاً حرارياً أدنى للغرام الواحد، ولكنه يتعامل مع القطبين الأوفر بكثير ويمكن استخراجه من النفايات النووية المدنية.() وقد وضعت وكالة الفضاء الأوروبية 41 نماذج تجريبية للأشعة السينية(2).

مزايا البطاريات الذرية

وتمنح الخصائص الفريدة لمجموعات RTGs عدة فوائد حاسمة على البطاريات الكهروكيميائية، أو خلايا الوقود الكيميائي، أو الألواح الشمسية، ولا سيما في التطبيقات البالغة الأهمية في البعثات حيث لا يكون الفشل خياراً.

  • ]Decades —long life without refueling. because radioactive decay is not‐ temperature dependent and proceeds at a fixed rate, an RTG can supply power for the entire operational life of the tool -often 30 years or more. This endurance is impossible for lithium‐ion batteries, which require periodic replacement or recharging.
  • مع عدم وجود أجزاء متحركة، فإن أجهزة RTGs محصنة من الفشل الميكانيكي أو الإرهاق أو الاحتكاك، ويمكنها أن تنجو من الصدمات الشديدة، وعمليات الإطلاق العالية، وتقلّب درجات الحرارة من -200 درجة مئوية إلى +200 درجة مئوية دون تردي في الأداء.
  • Independence from sunlight.] Solar panels lose effectiveness beyond the tropical of Mars, in cometary environments, or in dark polar regions. RTGs provide continuous power regardless of distance from the sun, making them essential for outer planet exploration (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune) and for rovers operating in permanently.
  • High power density for the system mass.] Although the weight of a complete RTG system — including shielding, heat rejection fins, and thermoelectric converter - is significant, the overall power —-permass ratio exceeds that of most alternative longlife systems, especially when factoring in the weight of spare batteries or fuel.
  • Minimal maintenance.] Once deployed, antom battery can be left unatended for years. This is critical for deep-sea observatories, autonomous arctic stations, and military sensors in remote areas where human access is dangerous or logistically prohibitive.

ثانيا - التحديات والاعتبارات المتعلقة بالسلامة

وعلى الرغم من المزايا الملحوظة، فإن البطاريات الذرية تشكل أيضاً عقبات هندسية وتنظيمية وسلامية هائلة، ويجب معالجة الشواغل العامة والبيئية معالجة دقيقة، وكل مرحلة من دورة حياة فريق البحوث الاجتماعية - بدءاً من الإنتاج ومناولة التخلص النهائي - تخضع لبروتوكولات صارمة.

درع الإشعاع ومعالجته

وفي حين يمكن حماية النظائر الألفائية مثل بو - 238 بمستويات رقيقة من المعدن، فإن أي خرق للربط يمكن أن يحرر مواد سامة ومشعة، ويجب على العمال المشاركين في إنتاج وتجمعات الغازات المضغوطة أن يستخدموا معدات المناولة البعيدة والدرع الثقيل، لا سيما عند التعامل مع النظائر المسببة للأشعة، ويتطلب نقل نواة من هذا النوع حاويات متخصصة تمنع وقوع حوادث دولية.

المخاطر البيئية والمواجهة

وإذا فشل فريق خبراء البحث والتطوير في قصف مركب إطلاق أو أثناء انفجار غير متحكم فيه للمواد المشعة التي تنشط في البيئة، فإن المهندسين يخففون من هذا الخطر باستخدام طبقات احتواء متعددة، وأغصان متأصلة، ومواد غير متحكم فيها، ومواد غير ملوثة بالبيولوجية، وتحديات التخلص من مخلفات الذخائر العنقودية، وهي نماذج ناجحة في أداء مجموعة الصواريخ.

سكارة النظائر وكوسوت

ولا يوجد مبلغ 238 بو من حيث الصلاحية، ولا بد من إنتاجه في مفاعلات نووية مملوكة للحكومة مثل المفاعل الأعلى للنظائر في مختبر أوك ريدج الوطني، ومعدل الإنتاج محدود، ونسبة التكلفة مرتفعة للغاية من مئات الآلاف من الدولارات لكل كيلوغرام، وتقييد هذه الندرة استخدام الغازات المشبع بالفلور في البعثات التي لا يوجد فيها بديل(38).

التصور العام والعقيدات التنظيمية

ويثير استخدام المواد المشعة في أي تطبيق من التطبيقات الاستهلاكية أو العامة شواغل بشأن السلامة الطويلة الأجل، والمخاطر الإرهابية، وإدارة النفايات، إذ إن الحصول على الموافقات اللازمة للبعثات الفضائية يشمل وكالات متعددة - الوكالة الوطنية للملاحة الفضائية، وإدارة الطاقة، ووكالة حماية البيئة، واللجنة التنظيمية النووية في الولايات المتحدة - التي لها بيانات محددة عن الأثر البيئي، وفترات تعليق عامة، كما أن الارتباط الثقافي السلبي مع أي شيء " نووي " يمكن أن يعوق أيضاً اعتماد نظم الحماية الصناعية في السجلات الأرضية.

تطبيقات البطاريات الذرية

وقد أثبتت هذه الفئات قيمتها في بيئات متطرفة متنوعة تتراوح بين الفراغ البارد للفضاء والأعماق المتحطمة للمحيط.

استكشاف الفضاء

أما الفضاء فهو أبرز تطبيقات البطاريات الذرية، فكل بعثة فضائية عميقة تسافر إلى ما وراء حزام الكويكبات تعتمد على قوة RTG، أما المركبة الفضائية " فوياغر " التي تبلغ الآن أكثر من 40 عاماً، فتقوم بنقل البيانات العلمية من الفضاء المتقاطع بفضل ما لديها من أجهزة لتيمور - 238 جهازاً من أجهزة الاستشعار عن بعد، بل وتحتوي على غبار في كل سنة على RTG الذي يوفر الكهرباء والكهرباءاً.

السلطة الأرضية والبحرية

وعلى الأرض، استخدمت أجهزة القاذورات في الطاقة الكهربائية للملاحة، والمنافذ، ومستشعرات الطقس، ومحطات الاهتزاز في المناطق النائية، كما نشر الاتحاد السوفياتي أكثر من ألف من مجموعات القاذورات ذات الترددات المتوسطة والتسعين على طول خط الساحل القطبي التابع له على أجهزة الاستقبال أثناء الحرب الباردة، حيث تم التخلي عن العديد من هذه المحطات واستبدلت بمحطات من القبطان الشمسية، ولكن بعضها لا يزال يعمل في أعالي البحار.

التطبيقات الطبية والصغيرة النطاق المحتملة

ورغم أن البحوث مستمرة في استخدام البطاريات الذرية الصغيرة جداً للأجهزة الطبية التي يمكن زرعها مثل أجهزة الويتر والمحفزات العصبية، ففي السبعينات، كان هناك عدة آلاف من مشغلي الوترات المزودين بالطاقة النووية الذين يستخدمون البطاريات البلوتونيوم - 238 مجهزين في المرضى؛ وقد استمرت هذه الأجهزة لمدة 20 عاماً دون استبدالها.() أما النسخ الحديثة التي تستخدم تكنولوجيا الفولطية فتتمثل في التطوير، [FLT:

التطورات المقبلة

ويُشكل مستقبل البطاريات الذرية من خلال الابتكارات في المواد الكهربائية الحرارية، وإنتاج النظائر، والتقليل من التخصيب، ويدفع الباحثون بهمة الحدود لجعل مصادر الطاقة هذه أكثر كفاءة وأكثر أماناً وأكثر سهولة.

المواد المتقدمة لكهرباء الحرارة

وتستخدم مجموعات الطاقة التقليدية سبائكاً شبه موصلات للجملة مثل الترويد الريادي (PbTe) أو السيليكون - - - - - - - - - - - (SiGe) التي تحقق كفاءة التحويل حوالي 6-8 في المائة.

مصادر النظائر الجديدة والتسعير

ولتخفيف النقص في إنتاج البيوم 238، أعادت ناسا وديوان الطاقة إنتاجها باستخدام أهداف النبتونيوم - 237 هدفا مشعا في مفاعلات التدفق المرتفع، وكانت أول دفعات جديدة من البيوم - 238 قد تم تسليمها في عام 2016، واستمر الإنتاج بشكل تدريجي، وفي الوقت نفسه، تتبع وكالة الفضاء الأوروبية موقعاً حرارياً هو " أم -241 " كب بديل يمكن استخراجه من مسار النفايات النووية المدنية.

" البطاريات النووية "

At the research scale, scientists are developing betaic devices using little films of tritium or nickel —63 together with semiconductor energy converters. These produce extremely small amounts of power (microwatts) but can last for a century or more. Potential applications include wireless sensors for infrastructure monitoring, micro-electromechanical systems (MEMS), and implantable medical sensT

الابتكارات المتعلقة بالسلامة

وتشمل التصميمات الجديدة التصفيق العازل والمتعدد الطرازات وتفكك حرارة الأمان لمنع الذوبان أو الإطلاق، كما يقوم المهندسون باستكشاف مجموعات " التفكير الذاتي " التي ستصمم للتخلي عن مسارات المحيطات العميقة دون ضرر إذا أعيدت إلى الظهور دون مقاومتها أو لتبخير الأثر العالي السرعة لتجنب التلوث الأرضي.

خاتمة

فبطاريات الطاقة الذرية، أو المولدات الكهربائية الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة، تظل واحدة من أقوى مصادر الطاقة التي استحدثت منذ زمن طويل، إذ أن قدرتها على العمل منذ عقود دون صيانة في أكثر البيئات عدائية - من فراغ الفضاء إلى قاع البحر - مما يجعلها غير قابلة للاستبدال بالنسبة لفئات معينة من البعثات، وفي حين أن تحديات إيصالها، فإن ندرة النظائر، والسلامة، والوعد الأساسي، هي بحوث أساسية متطورة.