Η Κίνα εξάγει ουράνιο από τον ωκεανό με αυτόνομα ηλιακά μικρορομπότ

Σύνοψη

• Ερευνητές της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών κατασκεύασαν καινοτόμα μικρορομπότ ικανά να πλοηγούνται στο θαλασσινό νερό και να δεσμεύουν ιόντα ουρανίου.
• Οι μικροσκοπικές συσκευές μεγέθους 2 μικρόμετρων βασίζονται σε δομές MOF (Metal-Organic Frameworks) και προωθούνται ενεργά αντί να βασίζονται στην παθητική απορρόφηση.
• Η χρήση φωτός λειτουργεί ως καταλύτης, διπλασιάζοντας σχεδόν την ταχύτητα των μικρορομπότ και αυξάνοντας δραματικά την ικανότητα συλλογής (έως 406mg ουρανίου ανά γραμμάριο υλικού).
• Οι ωκεανοί της Γης περιέχουν περίπου 4,5 δισεκατομμύρια τόνους ουρανίου. Η αξιοποίηση τους προσφέρει μια κρίσιμη διέξοδο απέναντι στα χερσαία αποθέματα που αναμένεται να εξαντληθούν τις επόμενες δεκαετίες.

Η εξασφάλιση επαρκών ποσοτήτων πυρηνικού καυσίμου αποτελεί ύψιστη προτεραιότητα για την παγκόσμια ενεργειακή σταθερότητα. Οι συμβατικές μέθοδοι εξόρυξης στη στεριά αντιμετωπίζουν σοβαρούς περιορισμούς, με τις εκτιμήσεις να δείχνουν πως τα χερσαία αποθέματα ουρανίου ενδέχεται να μην επαρκούν για περισσότερα από 70 χρόνια με τους τρέχοντες ρυθμούς κατανάλωσης. Η προσοχή της επιστημονικής κοινότητας έχει στραφεί στους ωκεανούς, οι οποίοι κρύβουν τεράστιες ποσότητες του στοιχείου, διαλυμένες όμως σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις.

Για αυτόν τον λόγο, η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών κατασκεύασε αυτόνομα μικρορομπότ μεγέθους 2 μικρόμετρων από υλικά MOF. Χρησιμοποιώντας ελάχιστες ποσότητες υπεροξειδίου του υδρογόνου και την ενέργεια του φωτός, πλοηγούνται στο θαλασσινό νερό με ταχύτητα 7 μικρόμετρων ανά δευτερόλεπτο. Η συγκεκριμένη τεχνολογία δεσμεύει ενεργά 406mg ιόντων ουρανίου ανά γραμμάριο, παρακάμπτοντας τις παλαιότερες παθητικές μεθόδους.

Αντί οι μηχανικοί να αναπτύσσουν στατικά δίχτυα ή μεμβράνες απορρόφησης που απλώς περιμένουν τα ρεύματα να φέρουν τα ιόντα ουρανίου πάνω τους (παθητική διάχυση), σχεδίασαν ενεργούς συλλέκτες που λειτουργούν αυτόνομα.

Πώς λειτουργούν τα μικρορομπότ από MOF

Στον πυρήνα της καινοτομίας βρίσκεται η χρήση δομών MOF (Metal-Organic Frameworks). Τα υλικά αυτά διαθέτουν εξαιρετικά πορώδη υφή, επιτρέποντας την αποθήκευση μεγάλου όγκου στοιχείων σε ελάχιστο χώρο. Οι Κινέζοι ερευνητές προσάρμοσαν την εσωτερική χημική δομή αυτών των σωματιδίων, τα οποία μοιάζουν με μικροσκοπικά σφουγγάρια μεγέθους 2 μικρόμετρων, προκειμένου να παραμένουν σταθερά στο διαβρωτικό περιβάλλον του θαλασσινού νερού για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Η καινοτομία τους έγκειται στην πρόωση. Με την προσθήκη απειροελάχιστων ποσοτήτων υπεροξειδίου του υδρογόνου, τα σωματίδια αυτά μετατρέπονται σε μικροκινητήρες. Αποκτούν την ικανότητα να πλοηγούνται ενεργά στο νερό, αναζητώντας ιόντα ουρανίου. Μόλις τα εντοπίσουν, τα εγκλωβίζουν στο εσωτερικό τους και τα μετατρέπουν σε ορυκτή μορφή, η οποία είναι πολύ πιο εύκολη στην αποθήκευση και την επακόλουθη επεξεργασία.

Ο καθοριστικός ρόλος του φωτός

Η διαδικασία αναβαθμίζεται ριζικά όταν τα μικρορομπότ εκτεθούν σε φωτεινή ακτινοβολία. Το φως προσφέρει μια επιπλέον ώθηση στο σύστημα, επιταχύνοντας τις επιδόσεις του. Υπό συνθήκες φωτισμού, οι μικροσκοπικοί αυτοί μηχανισμοί επιταχύνουν σχεδόν στο διπλάσιο της αρχικής τους ταχύτητας, προσομοιάζοντας τη λειτουργία ενός ηλιακού συλλέκτη που τροφοδοτεί άμεσα τον κινητήρα.

Παράλληλα, επιστημονικές αναλύσεις δείχνουν ότι η φωτο-υποβοηθούμενη εξαγωγή προκαλεί τη δημιουργία δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS). Το συγκεκριμένο χημικό φαινόμενο λειτουργεί ως αμυντικός μηχανισμός απέναντι στη βιολογική ρύπανση. Οι μορφές οξυγόνου διασπούν τα οργανικά συστατικά και τους μικροοργανισμούς που συνήθως επικολλούνται στα υλικά απορρόφησης στη θάλασσα και μειώνουν την αποτελεσματικότητά τους. Έτσι, το μικρορομπότ καθαρίζει ταυτόχρονα το εξωτερικό του περίβλημα, διατηρώντας την αποδοτικότητά του στο μέγιστο.

Γιατί οι ωκεανοί αποτελούν το μέλλον της Πυρηνικής Ενέργειας

Ο όγκος ουρανίου που βρίσκεται εγκλωβισμένος στο θαλασσινό νερό υπολογίζεται στους 4,5 δισεκατομμύρια τόνους. Πρόκειται για μια ποσότητα ικανή να τροφοδοτήσει το σύνολο των πυρηνικών εργοστασίων της Γης για χιλιετίες. Το πρόβλημα μέχρι σήμερα ήταν ξεκάθαρα οικονομικό και τεχνικό: το ενεργειακό αποτύπωμα και το κόστος εξαγωγής του ουρανίου από τη θάλασσα ήταν δυσανάλογα υψηλό σε σχέση με την αξία του τελικού καυσίμου.

Η νέα μέθοδος παρακάμπτει αυτή την οικονομική ανισορροπία. Εφόσον οι μικροκινητήρες χρησιμοποιούν το ηλιακό φως ως βασικό καταλύτη για την αύξηση της ταχύτητας και τη βιολογική τους κάθαρση (μέσω των ROS), οι απαιτήσεις σε εξωτερική ενέργεια συντήρησης μειώνονται δραματικά. Η απορρόφηση 406 χιλιοστογραμμαρίων ανά γραμμάριο υλικού αποτελεί δείκτη απόδοσης ικανό να καταστήσει τη μέθοδο εμπορικά βιώσιμη, εάν επιλυθούν τα ζητήματα μαζικής παραγωγής αυτών των MOF δομών.

Επιπρόσθετα, η μετακίνηση της παραγωγής στους ωκεανούς μειώνει δραστικά την περιβαλλοντική υποβάθμιση από τις συμβατικές εξορύξεις εδάφους. Τα ορυχεία ουρανίου απαιτούν τεράστια κατανάλωση νερού, δημιουργούν ραδιενεργά απόβλητα εξόρυξης και διαταράσσουν τα τοπικά οικοσυστήματα. Αντιθέτως, η «θηρευτική» δράση των μικρορομπότ εντός της θάλασσας είναι στοχευμένη και δεν απαιτεί τεράστιες υποδομές εκσκαφής.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!