未来のエネルギー革命：ダイヤモンド電池の使用可能時間とは - 5,700年の持続可能性

ダイヤモンド電池の使用可能時間とはについて

 

ダイヤモンド電池の使用可能時間とは

革新的な「ダイヤモンド電池」が、イギリス原子力公社（UKAEA）とブリストル大学の共同研究チームによって開発されました。この画期的な技術は、数千年にわたって医療機器や宇宙船に電力を供給し続けられる可能性を秘めています[1][6]。従来の電池とは一線を画すこの技術について、その仕組みや特徴、そして潜在的な応用分野を詳しく見ていきましょう。

diamond betavoltaic battery

放射性廃棄物でつくる人工ダイヤモンドが、“数千年もつ電池”になる：革新的な技術への高まる期待と現実 | WIRED.jp

 目次

1. ダイヤモンド電池の仕組み
2. 長寿命の秘密：炭素14の半減期
3. 安全性と環境への配慮
4. 潜在的な応用分野
5. 課題と今後の展望

 

 1. ダイヤモンド電池の仕組み

ダイヤモンド電池は、放射性同位体の炭素14を利用して電力を生成する革新的な技術です。この電池は、人工ダイヤモンドの結晶構造内に炭素14を封じ込め、放射性崩壊で発生する電子（ベータ線）を直接的に電気エネルギーに変換します。このプロセスは「ベータボルタ効果」と呼ばれ、ソーラーパネルが光を電気に変換する仕組みに似ています[2][5][6]。

炭素14の放射性崩壊によって発生する低レベルの電力は、ダイヤモンド内で効率的に捕捉され、マイクロワット級の持続的な電力供給を可能にします。この技術は化学反応を伴わないため、従来の電池と異なり漏れや爆発のリスクが低く、安全性が高いという特徴があります[5][6]。

2. 長寿命の秘密：炭素14の半減期

ダイヤモンド電池が長寿命である理由は、炭素14の半減期が約5,730年という非常に長い期間であることに起因します。半減期とは、放射性物質がその放射能を半分に減少させるまでの時間を指し、この特性によりダイヤモンド電池は理論上数千年間持続可能な電力供給を実現します[2][6]。

この長寿命特性は、頻繁な交換が困難な用途、例えば宇宙探査機や遠隔センサーなどで特に有用です。また、炭素14は自然界にも存在する比較的安全な放射性物質であり、その利用は環境負荷を軽減する可能性もあります[5][6]。

3. 安全性と環境への配慮

ダイヤモンド電池は、安全性と環境への配慮が優れた技術です。人工ダイヤモンドの硬い構造が放射線を遮断し、炭素14から発生する短距離ベータ線が外部に漏れることを防ぎます。そのため、人や環境への影響が最小限に抑えられます[2][5]。

さらに、この技術は放射性廃棄物の有効活用にもつながります。従来処理が困難だった核廃棄物をエネルギー源として再利用することで、廃棄物問題の解決にも貢献します[1][3]。

 4. 潜在的な応用分野

ダイヤモンド電池は、その長寿命と安全性から以下のような多岐にわたる分野での応用が期待されています：

- 医療機器: ペースメーカーや補聴器など、長期間稼働が必要なデバイス[2][5]。
- 宇宙探査: 宇宙船や人工衛星など、メンテナンスが困難な環境[4][6]。
- 遠隔センサー: 火山活動や深海観測など過酷な条件下で使用されるセンサー[6]。
- セキュリティ機器: 無線周波数タグ（RFタグ）など、小型デバイスへの電力供給[4][6]。

5. 課題と今後の展望

ダイヤモンド電池には多くの可能性がありますが、実用化にはいくつかの課題も残されています。例えば、生産コストや技術的制約が挙げられます。また、現在得られる出力はマイクロワット級であり、大規模エネルギー用途には適していません[1][5]。

今後は、さらなる効率向上やコスト削減技術の開発が鍵となります。また、多様な産業分野との連携によって、新しい応用可能性を探ることも重要です。このような取り組みにより、ダイヤモンド電池は未来のエネルギーソリューションとして広く普及する可能性があります[3][5][6]。

 

Citations:
[1] https://www.monodukuri.com/gihou/article/5191
[2] https://news.yahoo.co.jp/articles/c4e70f5a7fdc73597b94854ecd9a7386d19f04e1
[3] https://engineer.fabcross.jp/archeive/201001_nano-diamond-battery.html
[4] https://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/1645594.html
[5] https://www.tdk.com/ja/tech-mag/hatena/005
[6] https://jo-epco.co.jp/carbon-14-diamond-battery/
[7] https://www.axion.zone/diamond-age-of-power-generation-as-nuclear-batteries-developed/
[8] https://brandjewelry.shop/magazine/2024/05/27/sdgs05/
[9] https://xenospectrum.com/succeeded-in-developing-the-worlds-first-carbon-14-diamond-battery/
[10] https://www.sangyo-times.jp/article.aspx?ID=5314

 

補足

放射性同位体の炭素14は何処から採掘するのか

housyasen-fukyu.com

https://housyasen-fukyu.com/academic/report/report10/img/report10_img03.jpg

炭素14は自然界で生成される放射性同位体であり、主に以下の方法で得られます：

 大気中での生成

炭素14は主に地球の上層大気で生成されます。宇宙線が大気中の窒素原子と反応することで、炭素14が自然に作られます[1][3]。この過程は以下のような核反応で表されます：

n + 14N → 14C + p

ここで、nは中性子、pは陽子を表します。

 原子力発電所からの回収

原子力発電所から発生する放射性廃棄物からも炭素14を回収することが可能です[4]。この方法は、放射性廃棄物の有効利用という観点から注目されています。

 人工的な生成

研究目的や特殊な用途のために、加速器を用いて人工的に炭素14を生成することも可能です。

炭素14は地球上で絶えず生成され続けているため、通常の意味での「採掘」は行われません。代わりに、大気中や生物圏に存在する炭素14を含む物質を収集・濃縮するプロセスが用いられます。

ダイヤモンド電池の開発においては、これらの方法で得られた炭素14を人工ダイヤモンドの結晶構造に組み込むことで、長寿命の電源を実現しています[2][4]。

Citations:
[1] https://www.gsj.jp/data/chishitsunews/64_10_07.pdf
[2] https://news.yahoo.co.jp/articles/c4e70f5a7fdc73597b94854ecd9a7386d19f04e1
[3] https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/attach/1332145.htm
[4] https://xenospectrum.com/succeeded-in-developing-the-worlds-first-carbon-14-diamond-battery/
[5] http://shochou-kaigi.org/interview/interview_72/
[6] https://www.axion.zone/diamond-age-of-power-generation-as-nuclear-batteries-developed/
[7] https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7%E7%82%AD%E7%B4%A0%E5%B9%B4%E4%BB%A3%E6%B8%AC%E5%AE%9A
[8] https://jo-epco.co.jp/carbon-14-diamond-battery/

 

あとがき

日本ではダイヤモンド電池は何処で研究しているのか

日本では、主に以下の機関でダイヤモンド電池の研究が行われています：

1. 佐賀大学：嘉数誠教授が世界で初めてダイヤモンド半導体を使ったデバイスでパワー回路を開発しました[1]。

2. トヨタ自動車とデンソーの合弁会社：ミライズテクノロジーズ（愛知県日進市）がダイヤモンド半導体の電動自動車への応用に向けた研究を行っています[1][3]。

3. Orbray（旧・アダマンド並木精密宝石、東京都足立区）：佐賀大学と共同で直径2インチのダイヤモンドウェハを開発しました[1]。

これらの研究機関は、ダイヤモンド電池や半導体の実用化に向けて、性能向上や製造技術の開発に取り組んでいます。

Citations:
[1] https://jstories.media/jp/article/diamond-semiconductors-set-to-sparkle
[2] https://news.yahoo.co.jp/articles/de1016345f513c506797818563fb12b380a94ae3
[3] https://brandjewelry.shop/magazine/2024/05/27/sdgs05/
[4] https://www.sangyo-times.jp/article.aspx?ID=5314
[5] https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18000/
[6] https://www.nikkei.com/article/DGKKZO69253570Z10C21A2TJM000/
[7] https://www.nedo.go.jp/content/100979339.pdf