Un dispositivo betavoltaico ( célula betavoltaica o batería betavoltaica ) es un tipo de batería nuclear que genera corriente eléctrica a partir de partículas beta ( electrones ) emitidas desde una fuente radiactiva , utilizando uniones semiconductoras . Una fuente común utilizada es el isótopo de hidrógeno tritio . A diferencia de la mayoría de las fuentes de energía nuclear que utilizan radiación nuclear para generar calor que luego se utiliza para generar electricidad, los dispositivos betavoltaicos utilizan un proceso de conversión no térmica, convirtiendo los pares electrón-hueco producidos por el rastro de ionización de las partículas beta que atraviesan un semiconductor. [1]
Las fuentes de energía betavoltaicas (y la tecnología relacionada de las fuentes de energía alfavoltaicas [2] ) son particularmente adecuadas para aplicaciones eléctricas de baja potencia donde se necesita una larga vida útil de la fuente de energía, como dispositivos médicos implantables o aplicaciones militares y espaciales . [1]
Las baterías betavoltaicas se inventaron en la década de 1970. [3] Algunos marcapasos de la década de 1970 usaban baterías betavoltaicas basadas en prometio , [4] pero se dejaron de usar a medida que se desarrollaron baterías de litio más baratas. [1]
Los primeros materiales semiconductores no eran eficientes a la hora de convertir los electrones de la desintegración beta en corriente utilizable, por lo que se utilizaban isótopos de mayor energía, más caros y potencialmente peligrosos. Los materiales semiconductores más eficientes que se utilizan a partir de 2019 [5] se pueden combinar con isótopos relativamente benignos como el tritio, que produce menos radiación. [1][actualizar]
Betacel , desarrollado por Larry C. Olsen , fue una de las primeras y más exitosas baterías betavoltaicas comercializadas, y serviría de base para el diseño de dispositivos betavoltaicos modernos como las baterías NanoTritium .
El uso principal de la energía betavoltaica es para uso remoto y de largo plazo, como naves espaciales que requieren energía eléctrica durante una década o dos. Los avances recientes han llevado a algunos a sugerir el uso de la energía betavoltaica para cargar baterías convencionales en dispositivos de consumo, como teléfonos celulares y computadoras portátiles . [6] [¿ Fuente poco confiable? ] Ya en 1973, se sugirió el uso de la energía betavoltaica en dispositivos médicos de largo plazo, como marcapasos . [4]
En 2018 se presentó un diseño ruso basado en placas de níquel-63 de 2 micrones de espesor intercaladas entre capas de diamante de 10 micrones. Produjo una potencia de salida de aproximadamente 1 μW a una densidad de potencia de 10 μW /cm3 . Su densidad de energía fue de 3,3 kWh/kg. La vida media del níquel-63 es de 100 años. [7] [8] [9]
En 2019, un artículo indicó la viabilidad de los dispositivos betavoltaicos en entornos de alta temperatura superiores a 733 K (460 °C; 860 °F) como la superficie de Venus . [10]
La energía betavoltaica convierte directamente la energía cinética de las partículas beta en energía eléctrica mediante uniones semiconductoras. A diferencia de los reactores nucleares tradicionales, que generan calor y luego lo convierten en electricidad, la energía betavoltaica ofrece una conversión no térmica. [11]
Un prototipo de batería betavoltaica anunciado a principios de 2024 por la empresa china Betavolt contiene una fina oblea que proporciona una fuente de electrones de partículas beta (ya sea carbono-14 o níquel-63 ) intercalada entre dos finas capas semiconductoras de diamante cristalográfico . [12] [13] La startup china afirma tener el dispositivo en miniatura en la etapa de prueba piloto. [14] Presentado en enero de 2024, 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. [14] Betavolt afirma que es el primer dispositivo miniaturizado de este tipo jamás desarrollado. [14] Obtiene su energía de una lámina de níquel-63 ubicada en un módulo del tamaño de una moneda muy pequeña. [12] [14] El isótopo se desintegra en Cu-63 estable y no radiactivo , que no supone ninguna amenaza medioambiental adicional.
A medida que el material radiactivo emite radiación, su actividad disminuye lentamente (consulte la vida media ). Por lo tanto, con el tiempo, un dispositivo betavoltaico proporcionará menos energía. En el caso de los dispositivos prácticos, esta disminución se produce a lo largo de un período de muchos años. En el caso de los dispositivos de tritio , la vida media es de 12,32 años. En el diseño de dispositivos, se deben tener en cuenta las características necesarias de la batería al final de su vida útil y asegurarse de que las propiedades al comienzo de su vida útil tengan en cuenta la vida útil deseada.
En la evaluación de riesgos y el desarrollo de productos también se deben tener en cuenta la responsabilidad relacionada con las leyes ambientales y la exposición humana al tritio y su desintegración beta . Naturalmente, esto aumenta tanto el tiempo de comercialización como el costo ya alto asociado con el tritio. Un informe de 2007 del Grupo Asesor sobre Radiación Ionizante de la Agencia de Protección de la Salud del gobierno del Reino Unido declaró que los riesgos para la salud de la exposición al tritio son el doble de los establecidos previamente por la Comisión Internacional de Protección Radiológica con sede en Suecia. [15]
Como la desintegración radiactiva no se puede detener, acelerar ni ralentizar, no hay forma de "apagar" la batería ni regular su potencia de salida. Para algunas aplicaciones esto es irrelevante, pero otras necesitarán una batería química de respaldo para almacenar energía cuando no se la necesite. Esto reduce la ventaja de la alta densidad de potencia.
Las baterías nucleares betavoltaicas se pueden adquirir en el mercado. Entre los dispositivos disponibles en 2012 se encontraba un dispositivo alimentado con tritio de 100 μW que pesaba 20 gramos [16]
Aunque la energía betavoltaica utiliza un material radiactivo como fuente de energía, las partículas beta tienen una energía baja y se detienen fácilmente con unos pocos milímetros de blindaje . Con una construcción adecuada del dispositivo (es decir, con un blindaje y contención adecuados), un dispositivo betavoltaico no emitiría radiación peligrosa. La fuga del material encerrado generaría riesgos para la salud, al igual que la fuga de los materiales en otros tipos de baterías (como el litio , el cadmio y el plomo ) genera importantes problemas de salud y ambientales. [17] La seguridad se puede aumentar aún más transformando el radioisótopo utilizado en una forma químicamente inerte y mecánicamente estable, lo que reduce el riesgo de dispersión o bioacumulación en caso de fuga.
Debido a la alta densidad energética de los radioisótopos (los radioisótopos tienen órdenes de magnitud de densidad energética más alta que las fuentes de energía química, pero una densidad de potencia mucho menor. La densidad de potencia de un radioisótopo es inversamente proporcional a su vida media. Una vida media más corta = mayor densidad de potencia) y la necesidad de confiabilidad por encima de todo en muchas aplicaciones de betavoltaica, se aceptan eficiencias comparativamente bajas. La tecnología actual permite porcentajes de un solo dígito de eficiencia de conversión de energía desde la entrada de partículas beta hasta la salida de electricidad, pero la investigación para lograr una mayor eficiencia está en curso. [18] [19] En comparación, la eficiencia térmica en el rango del 30% se considera relativamente baja para nuevas plantas de energía térmica a gran escala y las plantas de energía de ciclo combinado avanzadas alcanzan el 60% y más de eficiencia si se mide por la salida de electricidad por entrada de calor. [20] Si el dispositivo betavoltaico funciona también como una unidad de calentamiento de radioisótopos , es en efecto una planta de cogeneración y logra eficiencias totales mucho más altas ya que gran parte del calor residual es útil. De manera similar a la energía fotovoltaica , el límite de Shockley-Queisser también impone un límite absoluto para un único dispositivo betavoltaico con banda prohibida . [21]
Dado que la energía más alta que se puede extraer de un solo EHP es la energía de banda prohibida, la eficiencia máxima de una batería beta se puede estimar como:
donde y son la banda prohibida del semiconductor y la energía de creación del par electrón-hueco respectivamente. Se sabe que la energía para generar un solo EHP por una partícula beta escala linealmente con la banda prohibida como con A y B dependiendo de las características del semiconductor. [22]
