Popüler Bilim Tüm Yazılar

Nükleer Piller

Saatinizin kadranını sabırla döndüren çarkları ve mekanizmayı hareket ettirir, her an kendini yer bitirir, farkında olmazsınız. Bilgisayarınızın her seferinde doğru biçimde başlatılması için gerekli ön ayarları saklaması ve kapalıyken saatini hesaplamak için gerekli enerjiyi sağlar ama gıkını bile çıkarmaz. (Yine de ortam sıcaklığına biraz dikkat edin. Sessizce kendini yiyip bitirebilir, haberiniz bile olmaz). Aracınızın motorunu çalıştırır. Yeri gelir kumandanıza, yeri gelir kalbinize bile can verebilir.

Evet, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren mekanizmalardan, pillerden bahsediyoruz.

Elektrik, elektronların hareketi demek. Piller ise bu hareketi şöyle sağlıyor: Pilin yapısında bulunan maddeler (çinko, gümüş, lityum, cıva, nikel vb.) pil bünyesindeki uygun çözelti ile kimyasal bir reaksiyona giriyor.

old_pocket_watch-wallpaper-1280x768

 

Bu reaksiyon sistemde artı ve eksi yükler arasında kutuplaşma yaratıyor ve pilin artı ve eksi olan iki ucu (bir miktar iletkenliği olan bir madde ile) birleştirildiğinde, eksi uçtan artı uca elektronlarımızın yolculuğu başlıyor. Böylelikle elektrik üretmiş oluyoruz.

Şu an için gezegenimizde belki yüzlerce farklı yöntem ile elektrik üretebiliyoruz ancak bildiğimiz kadarıyla ilk elektrik üretimi kabaca yukarıdaki biçimde oldu. Hatta şurada da göreceğiniz üzere, ilk elektrik üretimi volta pilinden (17’inci yy sonu) en az 2 bin yıl önce, M.Ö 600-200’lü yıllar arasında gerçekleşmişti.

Peki neden gezegence el ele tutuşup elektrik enerjisi ihtiyacımızı pillerden karşılayamıyoruz? Neden hala petrol kullanıyoruz? Neden çipleri ve kartları bu kadar küçültebildik de, pilleri bir türlü küçültemedik? Neden daha ufak alanlarda daha çok enerji depolayamıyoruz? Neden en azından çok kısa sürelerde şarj edemiyoruz? Pil konusunda bu kadar ısrar etmek, ya da “telefonumun hemen şarjı bitiyor” şeklinde yakınmak ne kadar mantıklı? Babam böyle pasta yapmayı nereden öğrendi?

Energizer_batteries_by_Kadamx

Cevapları farklı olan bu soruları neden arka arkaya sıraladık, bilmiyoruz. Yine de bu sorulara “yeterince yerimiz, kaynağımız ve hazırlığımız yok” ya da “hayır, bunları yapabiliyoruz” cevaplarını verebiliriz. Soruları ciddi bir şekilde sormak gerekirse, gezegen olarak elektriğe bağımlı ve bağımlı olmaya devam edeceğimiz sonucunu çıkarabiliriz. Elektrik ihtiyacımızın bir kısmını pillerle karşılamaya da devam edeceğiz. Peki pillerden (ya da enerji ürettiğimiz diğer şeylerden) beklentilerimiz neler? Cevap verelim; Beklentimiz, üretilen enerji miktarı (kapasite) ve üretecimizin ömrünün artması. İster istemez konu burada fiziğin klişe terimine, enerjinin korunumuna geliyor.

Bir yapı, bir sistem ya da bir gezegen düşünelim ve içeriğindeki bütün değişkenlerle birlikte sistemin sahip olduğu toplam enerjiyi bildiğimizi varsayalım. İçerikte bulunan enerji miktarını değiştiremez, ancak ve ancak dönüştürebilirsiniz. Buna enerjinin korunumu adı verilir. Gezegenimizde elektrik ihtiyacını kimyasal maddeler, kimyasal madde ihtiyacını elektrik, ulaşım ihtiyacını potansiyel enerjiden karşıladığımız gibi. Bu işler bedavaya olmuyor maalesef. Ancak elbette fiziği görmezden gelecek kadar çok şey bildiğini zannedip, yoktan enerji varedebileceğini iddia edenler de yok değil.

Aslında tek yaptığımız Güneş sistemimizde hali hazırda var olan enerjiyi, ihtiyaçlarımıza göre başka enerji formlarına dönüştürmek. Aynı miktarda metal ve çözelti ile aynı miktarda enerji üretirsiniz. Daha fazlasıyla daha da fazlasını. Dolayısıyla tek ihtiyacınız olan, bu malzemeleri temin edip gerekli düzeneği kurmak. Sonra aksın elektronlar.

energy

Aynı miktarda malzeme ile pilin ömrünü uzatmak için ise, daha çok verimle daha uzun süre özelliğini yitirmeden pili çalıştıran başka malzemeler kullanmak veya malzemenin kalitesini ya da malzemeden alınan verimi artırmak gerekecek. Her ne kadar istisnalar olsa da, iki konuda da teknolojinin diğer alanlarına kıyasla uzunca bir süredir fazla bir yol katedebildiğimizi ve gelecekte benzer yöntemlerle devasa adımlar atabileceğimizi söylemek güç. Zira konu klasik yöntemlerle enerji üretimi ise, elimizdeki malzemeyi sıkıştırırken ister istemez bazı limitlerimiz olacaktır. Sizler daha hızlı, daha fazla işlem yapan ve daha küçük PC temelli cihazlar talep ediyorsanız, pil geliştiriciler ne yapsın değil mi?

Belki de soruyu şu şekilde değiştirmek gerek: “Size ne lazımdı?” Öncelikle ne istediğinize karar vermelisiniz. 50 sene boyunca hiç durmadan zaplarken kumandanızın pilinin bitmesini istemiyorsanız, sizi en arka sayfadaki İsviçreli bilim adamlarına iteleyelim. Telefonunuzun şarjının haftalarca dayanmasını istiyorsanız, biraz daha sabırlı olun ve teknolojiyi, kaynakları daha az tüketin. Ne bileyim, 90’lara falan gidebilirsiniz.

Pillerle çalışan arabanızı şarja ihtiyaç olmadan daha uzun süre kullanmak istiyorsanız (en azından yakıt ile çalışan araçlara yakın seviyede) çok uzun süre beklemeyeceksiniz. Yalnız şehirlerin, devasa boyutlardaki fabrikaların elektrik ihtiyacını yalnızca pillerle karşılamayı planlıyorsanız hatırı sayılır bir süre beklemeniz ya da en baştan vazgeçmeniz gerekebilir. Başka bir şekilde ifade etmek gerekirse pilleri el cihazlarında, düşük enerjili cihaz ve sistemlerde ya da yedeklenmesi zorunlu sistemlerde alan probleminiz olmadığı sürece verimli biçimde kullanabilirsiniz. Mecbur kalmadığımız sürece, daha çok elektrik için farklı üretim sistemlerini kullanmaya devam etmek  daha verimli ve mantıklı görünüyor.

Peki… Uzay istasyonunuzda, denizaltınızda enerji ihtiyacınız var ve pil dışında bir alternatifiniz yok mu? Pilinizi kullanacağınız ortamda düşük/yüksek sıcaklık veya basınç probleminiz mi var? Sıradan piller bu koşullarda özelliğini yitiriyor mu? Ben pilimi buraya koyarım, şarj da etmem, cihazımı da yüzlerce sene bu pille çalıştırırım mı diyorsunuz?

Çare Nükleer!

Önyargılı yaklaşmayın. Yeterince güvenli, hatta kimyasal pillere kıyasla zararsız sayılabilecek yöntemler de mevcut.

Nükleer pili, “radyoaktif ışımayı elektrik enerjisine çeviren cihaz” olarak düşünebilirsiniz. Buradaki yakıtımız radyoaktif elementimiz ve türevleri olacağından, pilimizde kullanacağımız elementin yarılanma süresi hesaba katıldığında ömür konusunda ciddi bir artımız olabilir.

widescreen-radioactive-nuclear-wallpaper-warning-backgrounds-mac-95443

Yukarıda pillerin nasıl çalıştığını, kimyasal reaksiyon sonucu nasıl elektrik üretildiğini açıklamıştık. İkisi de pil, aynı şekilde enerji üretiyor diye düşünebilirsiniz ancak tam olarak öyle değil. Zira nükleer piller birçok farklı metodla elektrik üretirken, bu metodlardan hiçbiri yukarıdaki kimyasal reaksiyonları içermiyor.

Nükleer pilleri iki ana başlık altında inceleyebiliriz.

Isı enerjisini elektrik enerjisine çeviren, termal nükleer piller ve farklı yöntemlerle elektrik enerjisi üreten diğer nükleer piller.

TERMAL NÜKLEER PİLLER

Termal nükleer piller, radyoaktif elementin yaydığı ısıdan faydalanır. Yalnız faydalanılan ısı, radyoaktif elementte (nükleer reaktörler gibi) oluşturulan nükleer tepkimelere değil,  radyoaktif elementin kendiliğinden azalmasına (ışıması) dayanır. Yani öyle patlama, havaya uçma gibi bir durumu yok.

Isıyı elektrik enerjisine çevirme metodlarımızın radyoaktiviteye uygunluğunu hesaba katarsak, şimdilik 5 farklı metod kullanıldığını söyleyebiliriz.

Radyoizotop Termoelektrik  Jeneratör

Oluşan ısıyı termocouple’lar (termoelektrik jeneratör) vasıtası ile elektrik enerjisine dönüştürür. Bu cihazla ilgili şu yazımıza da göz atabilirsiniz.

Isıl Elektronik (Thermionic) Dönüştürücü

Oluşan ısıyı, pil sistemi içinde ortamı kimyasal olarak koşullandırmak suretiyle; artı ve eksi kutuplar arasında iyonizasyon metodu ile elektron transferi için kullanarak elektrik üretir.

Stirling Radyoizotop Jeneratörü

Isıyı Stirling motoru metodu ile hareket enerjisine dönüştürüp, bir jeneratör vasıtasıyla buradan elektrik elde eder.

Termofotovoltaik Hücreler

Isı enerjisini fotonlar (infrared) vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürür.

Alkali Metal Isıl Dönüştürücü

Isıyı elektriğe dönüştürmek için ısıtılan alkali metallerin buharlarının genleşmesinden faydalanılır.

ISI KULLANMADAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETEN DİĞER NÜKLEER PİLLER

Direk Yüklü (Direct Charging) Jeneratör

Bizzat radyoaktif maddemizin saçtığı Beta ve Alfa parçacıkları elektron kaynağı olarak ve elektrik üretimi için kullanılır.

Betavoltaik Nükleer Piller

Beta ışımalarında saçılan parçacıklar, uygun yarı iletkenlerce (betavoltaik hücre) toplanıp elektrik üretiminde kullanılır.

Alfavoltaik Nükleer Piller

Alfa ışımalarında saçılan parçacıklar, uygun yarı iletkenlerce (alfavoltaik hücre) toplanıp elektrik üretiminde kullanılır.

Optoelektrik Nükleer Piller

Işımalardan elde edilen enerjiyi ıışık enerjisine, ışık enerjisini de elektriğe dönüştürür.

Elektromekanik Nükleer Piller

Piezoelektrik bir maddenin radyoaktif ışıma ile hareketlendirilmesi ve ve bu hareket ile oluşan sürekli salınımından elektrik üretilmesi.

Bakınız, yine sürpriz olmadı ve bir takım enerji türleri elektrik enerjisine dönüştürüldü.

Nükleer pil için yakıtımız radyoaktif elemenler ve izotopları olacağından, pilimizde kullanacağımız elementin yarılanma süresi hesaba katıldığında pilin ömrü konusunda ciddi bir artımız (yer yer ortalama insan ömründen çok daha fazla) olabilir. Uygun elementleri kullanarak onlarca, hatta belki yüzlerce yıl elektrik üretebilecek düzenekleri inşa edebiliriz.

Enerji yoğunluğuna gelirsek… Şu anda ortalama bir betavoltaik pil ile, ortalama bir lityum AA pile oranla 400 kattan daha fazla enerji yoğunluğu elde edebileceğinizi biliyor muydunuz? Nükleer pillerin bir diğer avantajı ise, boyutları. Güneş pilleri ve kimyasal pillere oranla binlerce kat daha az yer kaplayabiliyorlar!

Günlük hayatta kullandığınız pillerin ortam koşullarından etkilenmediğini düşünüyor olabilirsiniz. Bir daha düşünün. Zorlu sıcaklık ve basınç koşullarında pillerinizi test etmeyi denediniz mi? Denemeyin! Fakat nükleer pilinizin fiziksel formunu ve iç yapısını bozmadığınız sürece, emin olun hiç bir dış koşuldan etkilenmeyecek ve pilin yakıtı bitinceye kadar elektrik elde etmeye devam edeceksiniz. Madem bu kadar artısı var, neden kullanmıyoruz diyeceksiniz.

Bir kere yaygın ticari kullanım için şu aşamada biraz pahalı ve zahmetli görünüyor. Bir anda dünyadaki bütün ülkeler anlaşıp “5 sene içinde nükleer pillere geçiyoruz, şu andan itibaren kimyasal dışıyız!” dese; buna ne fiziksel ne de maddi kaynak dayanır. Ayrıca termal nükleer piller için ısıyı, (binlerce dereceyi bulabilir) tüm nükleer piller için radyoaktif maddeyi izole etmek için yeterince sağlam (ve yer yer pahalı) bir izolasyon malzemesi gerekecektir. Bakkaldan 75 kuruşa Varto marka pil almak hayal olacaktır.

Ayrıca, bazı radyoaktif maddeler seri üretimde kullanılamayacak kadar değerli ya da yok denecek kadar az. Örneğin NASA’nın elinde yalnızca üç tane daha derin uzay projesine yetecek kadar Plütonyum-238 kalmış bulunuyor (eski nükleer silah fabrikalarından kalan, onlarca kilogram kadar) ve şu anda Amerika’da Enerji Bakanlığı’nın üretebildiği yıllık plütonyum miktarı yüzlerce gramı geçmiyor.

Dahası, atık problemi. Kullandığınız sıradan piller ve diğer tüm piller-aküler ile ilgili yasal düzenlemeler 2005 yılından itibaren geçerli oldu. Yani 2005 yılına kadar Türkiye’de pilleri dilediğiniz gibi kullanıp, işiniz bittiğinde dilediğiniz gibi doğaya bırakabiliyordunuz. Kullandığınız pilleri doğaya bıraktığınızda ise, pilin içeriğindeki kimyasallar zaman içinde toprağa karışıp içme suyu ve tükettiğiniz besin maddelerine dahil olabiliyor.

battery7

Atık piller geri dönüştürülmezlerse çevreye son derece zararlı olabilirler.

2005 sonrasında ise, ülkemizde atık pil toplama ve ayrıştırma konusunda yetkili tek merci olan TAP (Taşınabilir Pil Üreticileri ve İhracatçıları Derneği) atık pilleri topluyor, elle türlerine göre ayrıştırıyor ve ülkemizde hiç bir geri dönüşüm tesisi olmadığından; atık pillerin büyük çoğunluğu depolarda muhafaza ediliyor. Ülkenin dört bir yanında kullanılan pillerin yüzde kaçı bu depolara dönüyor, kestirmek güç. Bir an için ticari amaçlı kullanılan kimyasal pillerin yerini nükleer pillerin aldığını varsayalım ve geri dönüşümü hesaba katalım. Zira kullanılmaz duruma gelen veya kullanılmayan/atığa dönüşen nükleer piller dahi az da olsa radyoaktivite içerecektir.

Yukarıdaki tabloyu nükleer pillere uygulayacak olursak, bundan 50-100 sene sonrasında yaşananlar pek iç açıcı olmayabilir. Tüm bu sebeplerden ötürü, nükleer piller şu an için kutuplarda gerçekleştirilen projelerde, uzay projelerinde,  denizaltılar ve deniz altında yürütülen projeler vb zorlu koşullarda kullanılmakta. Bunun yanında, her ne kadar radyoaktiviteyi insanoğlundan yeterince uzağa taşımaya çalışıyor olsak da, hastayı sık sık ameliyathaneye almamak adına kalp ritmi düzenleme amacıyla betavoltaik piller yaygın olarak kullanılıyor.

Peki gerekli düzenlemeler yapılırsa, sıkı bir kontrol mekanizması olursa ne olur? Örneğin bir pil takip sistemimiz olursa ve üretilen her bir nükleer pil üretiminden geri dönüşümüne kadar takip edilebilirse, ne olur? Peki ya nükleer pil sektöründe seri üretimine geçilerek yüksek maliyetlerin önüne geçildiğinde neler olacak? Kullandığınız cep telefonunun üreticisi, kullandığınız telefonun model isminin yanına kısa süre içinde bir “S” ekleyeceğinden, 1-2 sene kullanıp atacağınız telefonunuzu, kullandığınız süre boyunca hiç şarj etmeden kullanabildiğinizi hayal edebiliyor musunuz? Veya dizüstü bilgisayarınızı onlarca sene hiç kapatmadan kullanabildiğinizi?

Yüzyıllardır üretim üzerine varlığı devam eden dünyamızda, daha az hammadde ile daha çok ve binlerce kat daha verimli enerji elde etmek. Yukarıdaki senaryolar gerçekleşirse, muhakkak ki Dünya bugünkünden biraz daha farklı bir yer olacak. Kaldı ki yalnızca birkaç örnekten bahsettik. Nükleer pillerin hayatımıza girmesiyle şebeke elektriği kullanımı da rakamları etkileyecek kadar ciddi oranlarda azalacaktır.

Ancak her şeyden önce gerekli hazırlık ve önlemler için zahmetli bir ön çalışma gerekiyor. Örneğin nükleer pillerde kullanıma uygun radyoaktif maddelerin bir kısmı, nükleer reaktörlerde gerçekleşen tepkimeler sonucu oluşan atıklar arasında yer alıyor. Nükleer pil endüstrisi yukarıdaki aşamaları kaydederse, ülkeler ve büyük şirketler nükleer reaktör yatırımlarını artıracak ve bu durum ciddi yaşamsal dezavantajlarıyla birlikte haklı toplumsal tepkilere sebep olacaktır.

Ciddiye alınması gereken bu felaket senaryolarıyla birlikte, bu seviyede yaygınlaşmasa bile nükleer pillerin gelecekte hayatımıza daha çok girecek olması kaçınılmaz görünüyor.

Sen. Evet sen!

Sabahtan beri elinden telefonu düşürmeyip %5 şarjı kalan arkadaşım. Evet, tüm bunlar senin yüzünden. Mutlu musun?

Erman Özkal

Kaynakça:

http://www.slideshare.net/saurabhnandy007/seminar-on-nuclear-batteries
http://www.slideshare.net/asertseminar/nuclear-battery-ppt-321618177
http://www.popsci.com/nasa-can-make-3-more-nuclear-batteries-and-thats-it
http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/chenw1/
http://www.fzk.yildiz.edu.tr/images/files/Betavoltaik_tr.pdf
http://www.rec.org.tr/dyn_files/31/4978-Gun2-TAP.pdf

Hep daha fazla okumak gerekir...