Batería atómica

Una batería atómica , batería nuclear , batería de radioisótopos o generador de radioisótopos utiliza energía de la desintegración de un isótopo radiactivo para generar electricidad . Al igual que un reactor nuclear , genera electricidad a partir de energía nuclear, pero se diferencia por no utilizar una reacción en cadena . Aunque comúnmente se las llama baterías , las baterías atómicas técnicamente no son electroquímicas y no se pueden cargar ni recargar. Aunque son muy costosas, tienen vidas extremadamente largas y una alta densidad de energía , por lo que generalmente se usan como fuentes de energía para equipos que deben funcionar sin supervisión durante largos períodos, como naves espaciales , marcapasos , sistemas submarinos y estaciones científicas automatizadas en partes remotas del mundo. ^{[1] [2] [3]}

Las baterías nucleares comenzaron a fabricarse en 1913, cuando Henry Moseley demostró por primera vez que se generaba una corriente mediante la radiación de partículas cargadas. En los años 1950 y 1960, este campo de investigación recibió mucha atención por sus aplicaciones que requerían fuentes de energía de larga duración para naves espaciales. En 1954, RCA investigó una pequeña batería atómica para pequeños receptores de radio y audífonos. ^[4] Desde la investigación y el desarrollo iniciales de RCA a principios de los años 1950, se han diseñado muchos tipos y métodos para extraer energía eléctrica de fuentes nucleares. Los principios científicos son bien conocidos, pero la tecnología moderna a escala nanométrica y los nuevos semiconductores de banda ancha han permitido la fabricación de nuevos dispositivos y propiedades materiales interesantes que antes no estaban disponibles.

Las baterías nucleares pueden clasificarse según su medio de conversión de energía en dos grupos principales: convertidores térmicos y convertidores no térmicos . Los de tipo térmico convierten parte del calor generado por la desintegración nuclear en electricidad; un ejemplo es el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), que se utiliza a menudo en las naves espaciales. Los convertidores no térmicos, como las células betavoltaicas , extraen energía directamente de la radiación emitida, antes de que se degrade en calor; son más fáciles de miniaturizar y no necesitan un gradiente térmico para funcionar, por lo que pueden utilizarse en máquinas pequeñas.

Las baterías atómicas suelen tener una eficiencia de entre el 0,1 y el 5 %. Los dispositivos betavoltaicos de alta eficiencia pueden alcanzar una eficiencia del 6 al 8 %. ^[5]

Un convertidor termoiónico consta de un electrodo caliente, que emite electrones termoiónicamente a través de una barrera de carga espacial hacia un electrodo más frío, lo que produce una salida de potencia útil. Se utiliza vapor de cesio para optimizar las funciones de trabajo del electrodo y proporcionar un suministro de iones (por ionización de superficie ) para neutralizar la carga espacial de los electrones . ^[6]

Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) utiliza termopares . Cada termopar está formado por dos cables de diferentes metales (u otros materiales). Un gradiente de temperatura a lo largo de cada cable produce un gradiente de voltaje de un extremo del cable al otro; pero los diferentes materiales producen diferentes voltajes por grado de diferencia de temperatura. Al conectar los cables en un extremo, calentando ese extremo pero enfriando el otro extremo, se genera un voltaje utilizable, pero pequeño (milivoltios), entre los extremos de los cables no conectados. En la práctica, muchos se conectan en serie (o en paralelo) para generar un voltaje (o corriente) mayor a partir de la misma fuente de calor, a medida que el calor fluye desde los extremos calientes a los extremos fríos. Los termopares metálicos tienen una baja eficiencia térmica a eléctrica. Sin embargo, la densidad y la carga del portador se pueden ajustar en materiales semiconductores como el telururo de bismuto y el germanio de silicio para lograr eficiencias de conversión mucho más altas. ^[7]

Las células termofotovoltaicas (TPV) funcionan según los mismos principios que una célula fotovoltaica , excepto que convierten la luz infrarroja (en lugar de la luz visible ) emitida por una superficie caliente en electricidad. Las células termofotovoltaicas tienen una eficiencia ligeramente superior a la de los pares termoeléctricos y se pueden superponer sobre ellos, duplicando potencialmente la eficiencia. El esfuerzo de desarrollo de la tecnología de conversión de energía por radioisótopos TPV de la Universidad de Houston apunta a combinar células termofotovoltaicas simultáneamente con termopares para proporcionar una mejora de 3 a 4 veces en la eficiencia del sistema en comparación con los generadores de radioisótopos termoeléctricos actuales. ^{[ cita requerida ]}

Un generador de radioisótopos Stirling es un motor Stirling impulsado por la diferencia de temperatura producida por un radioisótopo. La NASA estaba desarrollando una versión más eficiente, el generador de radioisótopos Stirling avanzado , pero se canceló en 2013 debido a sobrecostos a gran escala. ^[8]

Los convertidores no térmicos extraen energía de la radiación emitida antes de que se degrade en calor. A diferencia de los convertidores termoeléctricos y termoiónicos, su salida no depende de la diferencia de temperatura. Los generadores no térmicos se pueden clasificar por el tipo de partícula utilizada y por el mecanismo por el cual se convierte su energía.

Se puede extraer energía de las partículas cargadas emitidas cuando su carga se acumula en un conductor , creando así un potencial electrostático . Sin un modo de disipación, el voltaje puede aumentar hasta alcanzar la energía de las partículas radiadas, que puede variar desde varios kilovoltios (para la radiación beta) hasta megavoltios (radiación alfa). La energía electrostática acumulada se puede convertir en electricidad utilizable de una de las siguientes maneras.

Un generador de carga directa consiste en un condensador cargado por la corriente de partículas cargadas de una capa radiactiva depositada en uno de los electrodos. El espaciado puede ser de vacío o dieléctrico . Se pueden utilizar partículas beta con carga negativa o partículas alfa con carga positiva , positrones o fragmentos de fisión . Aunque esta forma de generador nuclear-eléctrico se remonta a 1913, en el pasado se han encontrado pocas aplicaciones para las corrientes extremadamente bajas y los voltajes inconvenientemente altos que proporcionan los generadores de carga directa. Se emplean sistemas de oscilador/transformador para reducir los voltajes, luego se utilizan rectificadores para transformar la energía de CA nuevamente en corriente continua.

El físico inglés H. G. J. Moseley construyó el primero de ellos. El aparato de Moseley consistía en un globo de vidrio plateado en el interior con un emisor de radio montado en la punta de un alambre en el centro. Las partículas cargadas del radio creaban un flujo de electricidad a medida que se desplazaban rápidamente desde el radio hasta la superficie interior de la esfera. En 1945, el modelo de Moseley guió otros esfuerzos para construir baterías experimentales que generaran electricidad a partir de las emisiones de elementos radiactivos.

Las baterías atómicas electromecánicas utilizan la acumulación de carga entre dos placas para atraer una placa flexible hacia la otra, hasta que las dos placas se tocan, se descargan, igualando la acumulación electrostática y vuelven a su estado original. El movimiento mecánico producido se puede utilizar para producir electricidad mediante la flexión de un material piezoeléctrico o mediante un generador lineal. Los milivatios de potencia se producen en pulsos según la tasa de carga, en algunos casos varias veces por segundo (35 Hz). ^[9]

Un dispositivo radiovoltaico (RV) convierte la energía de la radiación ionizante directamente en electricidad utilizando una unión semiconductora , de forma similar a la conversión de fotones en electricidad en una célula fotovoltaica . Dependiendo del tipo de radiación a la que se dirija, estos dispositivos se denominan alfavoltaicos (AV, αV), betavoltaicos (BV, βV) y/o gammavoltaicos (GV, γV). Los betavoltaicos han recibido tradicionalmente la mayor atención, ya que los emisores beta (de baja energía) causan la menor cantidad de daño radiativo, lo que permite una vida útil más larga y un menor blindaje. El interés en los dispositivos alfavoltaicos y (más recientemente) gammavoltaicos está impulsado por su posible mayor eficiencia.

Los dispositivos alfavoltaicos utilizan una unión semiconductora para producir energía eléctrica a partir de partículas alfa energéticas . ^{[10] [11]}

Los dispositivos betavoltaicos utilizan una unión semiconductora para producir energía eléctrica a partir de partículas beta energéticas ( electrones ). Una fuente de uso común es el isótopo de hidrógeno tritio , que se emplea en las baterías NanoTritium de City Labs .

Los dispositivos betavoltaicos son particularmente adecuados para aplicaciones eléctricas de bajo consumo donde se necesita una larga vida útil de la fuente de energía, como dispositivos médicos implantables o aplicaciones militares y espaciales. ^[12]

La startup china Betavolt afirmó en enero de 2024 tener un dispositivo en miniatura en la etapa de prueba piloto. ^[13] Supuestamente genera 100 microvatios de potencia y un voltaje de 3 V y tiene una vida útil de 50 años sin necesidad de carga ni mantenimiento. ^[13] Betavolt afirma que es el primer dispositivo miniaturizado de este tipo jamás desarrollado. ^[13] Obtiene su energía del isótopo níquel-63 , contenido en un módulo del tamaño de una moneda muy pequeña. ^[14] A medida que se consume, el níquel-63 se desintegra en isótopos estables y no radiactivos de cobre, que no representan una amenaza ambiental. ^[14] Contiene una fina oblea de níquel-63 que proporciona electrones de partículas beta intercalados entre dos delgadas capas semiconductoras de diamante cristalográfico . ^{[15] [16]}

Los dispositivos gammavoltaicos utilizan una unión semiconductora para producir energía eléctrica a partir de partículas gamma energéticas ( fotones de alta energía ). Recién en la década de 2010 se los consideró ^{[17] [18] [19] [20],} pero se propusieron ya en 1981. ^[21]

Se ha informado de un efecto gammavoltaico en células solares de perovskita . ^[17] Otro diseño patentado implica la dispersión de la partícula gamma hasta que su energía haya disminuido lo suficiente como para ser absorbida en una célula fotovoltaica convencional. ^[18] También se están investigando diseños gammavoltaicos que utilizan diodos Schottky y de diamante . ^{[19] [20]}

En un dispositivo radiofotovoltaico (RPV), la conversión de energía es indirecta: las partículas emitidas primero se convierten en luz mediante un material radioluminiscente (un centelleador o fósforo ), y luego la luz se convierte en electricidad mediante una célula fotovoltaica . Dependiendo del tipo de partícula objetivo, el tipo de conversión se puede especificar con mayor precisión como alfafotovoltaica (APV o α-PV), ^[22] betafotovoltaica (BPV o β-PV) ^[23] o gammafotovoltaica (GPV o γ-PV). ^[24]

La conversión radiofotovoltaica se puede combinar con la conversión radiovoltaica para aumentar la eficiencia de conversión. ^[25]

Medtronic y Alcatel desarrollaron un marcapasos alimentado con plutonio , el Numec NU-5, alimentado por una bala de 2,5 Ci de plutonio 238, implantado por primera vez en un paciente humano en 1970. Se espera que los 139 marcapasos nucleares Numec NU-5 implantados en la década de 1970 nunca necesiten ser reemplazados, una ventaja sobre los marcapasos no nucleares, que requieren un reemplazo quirúrgico de sus baterías cada 5 a 10 años. Se espera que las "baterías" de plutonio produzcan suficiente energía para hacer funcionar el circuito durante más tiempo que la vida media de 88 años del plutonio-238. ^{[26] [27] [28] [29]} La última de estas unidades se implantó en 1988, ya que los marcapasos alimentados con litio, que tenían una vida útil esperada de 10 o más años sin las desventajas de las preocupaciones por la radiación y los obstáculos regulatorios, hicieron que estas unidades quedaran obsoletas.

Las baterías betavoltaicas también se están considerando como fuentes de energía de larga duración para marcapasos sin plomo. ^[30]

Las baterías atómicas utilizan radioisótopos que producen partículas beta de baja energía o, a veces, partículas alfa de energías variables. Las partículas beta de baja energía son necesarias para evitar la producción de radiación de frenado penetrante de alta energía que requeriría un blindaje pesado. Se han probado radioisótopos como el tritio , el níquel -63, el prometio -147 y el tecnecio -99. Se han utilizado plutonio -238, curio -242, curio -244 y estroncio -90. ^[31] Además de las propiedades nucleares del isótopo utilizado, también existen los problemas de las propiedades químicas y la disponibilidad. Un producto producido deliberadamente mediante irradiación de neutrones o en un acelerador de partículas es más difícil de obtener que un producto de fisión fácilmente extraído del combustible nuclear gastado .

El plutonio-238 debe producirse deliberadamente mediante la irradiación de neutrones del neptunio-237, pero se puede convertir fácilmente en una cerámica de óxido de plutonio estable. El estroncio-90 se extrae fácilmente del combustible nuclear gastado, pero debe convertirse en la forma perovskita de titanato de estroncio para reducir su movilidad química, lo que reduce la densidad de potencia a la mitad. El cesio-137, otro producto de fisión nuclear de alto rendimiento, rara vez se utiliza en baterías atómicas porque es difícil de convertir en sustancias químicamente inertes. Otra propiedad indeseable del Cs-137 extraído del combustible nuclear gastado es que está contaminado con otros isótopos de cesio que reducen aún más la densidad de potencia.

En el campo de los sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), los ingenieros nucleares de la Universidad de Wisconsin, Madison, han explorado las posibilidades de producir baterías minúsculas que explotan núcleos radiactivos de sustancias como el polonio o el curio para producir energía eléctrica. ^{[ cita requerida ]} Como ejemplo de una aplicación integrada y autoalimentada, los investigadores han creado una viga en voladizo oscilante que es capaz de oscilaciones periódicas y constantes durante períodos de tiempo muy largos sin necesidad de reabastecimiento de combustible. El trabajo en curso demuestra que este voladizo es capaz de transmitir radiofrecuencia, lo que permite que los dispositivos MEMS se comuniquen entre sí de forma inalámbrica.

Estas microbaterías son muy ligeras y suministran suficiente energía para funcionar como fuente de alimentación para su uso en dispositivos MEMS y además como fuente de alimentación para nanodispositivos. ^[32]

La energía de radiación liberada se transforma en energía eléctrica, que queda restringida al área del dispositivo que contiene el procesador y la microbatería que le suministra energía. ^{[33] : 180–181}

• Lista de tipos de baterías
• Pila de botón
• Emisión gamma inducida por núcleos excitados de larga duración de isómeros nucleares específicos.
• Unidad de calentamiento por radioisótopos
• Cohete de radioisótopos y cohete nuclear eléctrico

• Reseña histórica de la betavoltaica
• Batería atómica electromecánica Cantilever
• Tipos de baterías radioisotópicas
• Proponen un concepto de batería de americio para aplicaciones espaciales - Artículo de TFOT
• Baterías nucleares (25 MW)
• Presentan pequeñas 'baterías nucleares', artículo de la BBC sobre la investigación de Jae Wan Kwon et al. de la Universidad de Missouri .