Un dispositivo betavoltaico ( celda betavoltaica o batería betavoltaica ) es un tipo de batería nuclear que genera corriente eléctrica a partir de partículas beta ( electrones ) emitidas por 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, que convierte los pares electrón-hueco producidos por el rastro de ionización de las partículas beta que atraviesan un semiconductor. [1]
Las fuentes de energía betavoltaica (y la tecnología relacionada de fuentes de energía alfavoltaica [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]
La energía betavoltaica se inventó en los años 1970. [3] Algunos marcapasos de la década de 1970 utilizaban energía betavoltaica basada en prometio , [4] pero fueron eliminados gradualmente a medida que se desarrollaron baterías de litio más baratas. [1]
Los primeros materiales semiconductores no eran eficientes a la hora de convertir electrones de la desintegración beta en corriente utilizable, por lo que se utilizaron isótopos de mayor energía, más caros y potencialmente peligrosos . Los materiales semiconductores más eficientes utilizados a partir de 2019 [5] pueden combinarse con isótopos relativamente benignos como el tritio, que producen menos radiación. [1][actualizar]
Betacel fue considerada la primera batería betavoltaica comercializada con éxito.
El uso principal de la energía betavoltaica es remoto y a 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 energía betavoltaica para cargar baterías convencionales en dispositivos de consumo, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles . [6] [ ¿ fuente poco confiable? ] Ya en 1973 se sugirió el uso de la energía betavoltaica en dispositivos médicos de larga duración, como los marcapasos . [4]
En 2018 , se introdujo un diseño ruso basado en losas 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 con una densidad de potencia de 10 μW /cm 3 . Su densidad energética era 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]
Los betavoltaicos convierten 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, los betavoltaicos ofrecen conversión no térmica. [11]
Un prototipo de batería betavoltaica anunciado a principios de 2024 por la empresa Betavolt de China contiene una fina oblea que proporciona una fuente de electrones de partículas beta ( 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 jamás desarrollado. [14] Obtiene su energía de una hoja de níquel-63 ubicada en un módulo del tamaño de una moneda muy pequeña. [12] [14] Una vez que ha pasado el período de desintegración, los isótopos se convierten en isótopos de cobre estables y no radiactivos , que no representan ninguna amenaza ambiental. [14]
A medida que el material radiactivo emite radiación, su actividad disminuye lentamente (consulte la vida media ). Por 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. Para los dispositivos de tritio , la vida media es de 12,32 años. En el diseño del dispositivo, se deben tener en cuenta qué características de la batería se requieren al final de su vida útil y garantizar que las propiedades al comienzo de su vida útil tengan en cuenta la vida útil deseada.
La responsabilidad relacionada con las leyes medioambientales y la exposición humana al tritio y su desintegración beta también debe tenerse en cuenta en la evaluación de riesgos y el desarrollo de productos . Naturalmente, esto aumenta tanto el tiempo de comercialización como el ya elevado coste asociado al tritio. Un informe de 2007 del Grupo Asesor sobre Radiaciones Ionizantes 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 eran el doble de los establecidos anteriormente por la Comisión Internacional de Protección Radiológica con sede en Suecia. [15]
Como la desintegración radiactiva no se puede detener, acelerar o ralentizar fácilmente, no hay forma de "apagar" la batería o regular su potencia. Para algunas aplicaciones esto es irrelevante, pero otras necesitarán una batería química de respaldo para almacenar energía cuando no sea necesaria y cuando sí lo sea. Esto reduce la ventaja de la alta densidad de potencia.
Las baterías nucleares betavoltaicas se pueden adquirir comercialmente. Los dispositivos disponibles en 2012 incluían 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 poca energía y se detiene fácilmente con unos pocos milímetros de blindaje . Con una construcción adecuada del dispositivo (es decir, blindaje y contención adecuados), un dispositivo betavoltaico no emitiría radiación peligrosa. La fuga del material encerrado generaría riesgos para la salud, del mismo modo que la fuga de materiales en otros tipos de baterías (como el litio , el cadmio y el plomo ) genera importantes preocupaciones para la salud y el medio ambiente. [17] La seguridad puede aumentarse 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 de potencia de los radioisótopos y a la necesidad de fiabilidad por encima de todo en muchas aplicaciones de la energía 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 a la producción de electricidad, pero se están realizando investigaciones para lograr una mayor eficiencia. [18] [19] En comparación, la eficiencia térmica en el rango del 30% se considera relativamente baja para las nuevas centrales térmicas a gran escala y las plantas de energía de ciclo combinado avanzadas alcanzan una eficiencia del 60% o más si se mide por la producción de electricidad por entrada de calor. [20] Si el dispositivo betavoltaico funciona también como una unidad calentadora de radioisótopos, es en realidad una planta de cogeneración y logra eficiencias totales mucho más altas, ya que gran parte del calor residual es útil. Al igual que en la energía fotovoltaica , el límite de Shockley-Queisser también impone un límite absoluto para un dispositivo betavoltaico de banda prohibida única. [21]
Dado que la energía más alta que se puede extraer de un solo EHP es la energía de banda prohibida, la eficiencia final de una batería beta se puede estimar como:
donde y son la energía de creación de pares de electrones y huecos de banda prohibida de semiconductores, respectivamente. Se sabe que la energía para generar un solo EHP mediante una partícula beta escala linealmente con la banda prohibida como con A y B, dependiendo de las características del semiconductor. [22]
