Gerek uzun periyodik uzay misyonları, gerekse derin deniz keşifleri için uzun mühlet kesintisiz güç sağlayacak tahliller bulmak büyük ehemmiyet taşıyor. Bakım gerektirmeden yıllarca çalışabilecek alternatifler arayan araştırmacılar, yıllardır nükleer tabanlı mikro güç sistemleri üzerinde çalışıyor. Lakin bugüne kadar kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratörlerin (RTG) çoklukla büyük, ağır ve ısı motorlarına dayalı sistemler olması, bu nükleer bataryaların kullanım alanlarını sınırlıyor. Ne var ki Avustralyalı bir şirket, artık bu tabloyu değiştirebilecek yeni bir yaklaşım üzerinde çalışıyor.

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

GenX, RTG’lerden Farklı Olarak Betavoltaik Prensiple Çalışıyor

GenX’i mevcut nükleer güç sistemlerinden ayıran temel öge, 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 ortasındaki sıcaklık farkından elektrik üretir. Yani sistem temelde bir ısı motoru üzere çalışır: Evvel ısı üretilir, akabinde bu ısı dolaylı bir sistemle elektriğe dönüştürülür. Bu yapı son derece emniyetli olsa da yüksek sıcaklık idaresi gerektirir, kalın müdafaa katmanları ister ve doğal olarak hem hacimli hem de ağır olur.

Betavoltaik piller ise ortadaki “ısı aşamasını” büsbütün ortadan kaldırıyor. Radyoaktif bir izotop bozunduğunda sırf ısı değil, tıpkı vakitte beta parçacıkları (yüksek güçlü elektronlar) da yayar. Betavoltaik sistemlerde bu parçacıklar özel olarak tasarlanmış yarı iletken bir gerece yönlendirilir. Beta parçacıkları yarı iletkenin kristal yapısına çarptığında, tıpkı güneş panellerinde fotonların yaptığı üzere elektron–delik çiftleri oluşturur. Bu yük ayrışması denetimli bir elektrik akımına dönüştürülür. Yani güç dönüşümü direkt parçacık etkileşimi üzerinden gerçekleşir; ısı üretmek ve onu tekrar elektriğe çevirmek üzere dolaylı bir sürece muhtaçlık kalmaz. Bu yaklaşım, hareketli modül gerektirmediği için daha kompakt ve teorik olarak daha uzun ömürlü tahliller sunabiliyor.

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

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

entX, bu pürüzü aşmak için 3D yazıcıları devreye soktu. Şirket, 3D baskıyı hassas ince sinema kaplama teknikleriyle birleştirerek metal ve yarı iletken katmanları nanoskopik ölçekte üst üste inşa ediyor. Bu yolla oluşturulan çok katmanlı yapı, adeta “enerji sandviçleri” formunda katman katman tasarlanıyor. Beta parçacıklarının etkileşim yüzeyini artıran ve kayıpları azaltan bu mimari, birim hacim başına üretilen gücü önemli biçimde yükseltiyor. Yüzey mühendisliğini klasik bir kaplama süreci olmaktan çıkarıp direkt üretim mimarisinin kesimi hâline getiren bu hibrit yaklaşım, betavoltaiklerin bugüne kadarki güç yoğunluğu sonlarını aşmayı amaçlıyor.

Araştırma takımı bunun kademeli bir uygunlaştırma değil, koca bir sıçrama olduğuna dikkat çekiyor. Klasik tekniklerle ulaşılamayan güç yoğunluklarının, yeni yarı iletken biriktirme teknikleri ve katmanlı üretim sayesinde mümkün hâle geldiği belirtiliyor. Bilhassa ultra ince betavoltaik sinemaların karmaşık üç boyutlu mimariler içinde üretilebilmesi, hem güç çıktısını artırıyor hem de sistemi mekanik olarak son derece sağlam kılıyor.

entX, bu nükleer bataryaları alanda inançlı biçimde kullanabilmek için 3D baskı ile özel radyasyon kalkanları da üretmiş. Hassas biçimde tasarlanan bu korumalar, bataryayı bir çeşit kollayıcı zırh içine alarak uydulardan su altı araçlarına kadar farklı platformlara inançlı halde entegre edilmelerine yer hazırlıyor.

Hedef, laboratuvar ortamında fonksiyonelliği kanıtlanan bu prototipi önümüzdeki 14 ay içinde ticari ölçekli üretim çizgisine taşımak. Eğer işler planlandığı üzere ilerlerse GenX, nükleer bataryalar açısından kıymetli bir prensip imza atabilir. Bu türlü bir atılım, yalnızca uzay vazifeleri 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.