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Este artículo trata sobre dispositivos que generan electricidad directamente a partir de partículas beta. Para dispositivos que utilizan fotocélulas, consulte batería nuclear optoeléctrica .

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 usan radiación nuclear para generar calor que luego se usa para generar electricidad, los dispositivos betavoltaicos usan un proceso de conversión no térmica, convirtiendo los pares de electrones y agujeros producidos por el rastro de ionización de 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 de la fuente de energía, como dispositivos médicos implantables o aplicaciones militares y espaciales . [1]

Historia [ editar ]

Los betavoltaicos se inventaron en la década de 1970. [3] Algunos marcapasos en la década de 1970 usaban energía betavoltaica basada en prometio , [4] pero fueron eliminados a medida que se desarrollaron baterías de litio más baratas. [1]

Los primeros materiales semiconductores no eran eficaces para convertir los electrones de la desintegración beta en corriente utilizable, por lo que se utilizaron isótopos de mayor energía, más costosos y potencialmente peligrosos . Los materiales semiconductores más eficientes que se utilizan en la actualidad [5] pueden combinarse con isótopos relativamente benignos como el tritio, que producen menos radiación. [1]

El Betacel fue considerado la primera batería betavoltaica comercializada con éxito.

Propuestas [ editar ]

El uso principal de la energía betavoltaica es para uso remoto y a largo plazo, como naves espaciales que requieren energía eléctrica durante una década o dos. El progreso reciente ha llevado a algunos a sugerir el uso de energía betavoltaica para cargar baterías convencionales en dispositivos de consumo, como teléfonos celulares y computadoras portátiles . [6] Ya en 1973, se sugirió el uso de betavoltaicos en dispositivos médicos a largo plazo, como marcapasos . [4]

En 2016 se propuso que el carbono-14 en una estructura de cristal de diamante podría usarse como un dispositivo betavoltaico de mayor duración (una batería de diamante ). El carbono-14 podría provenir de bloques de grafito de reactores moderados por grafito fuera de servicio . [7] [8] [9] Por lo demás, los bloques se manipulan como residuos nucleares con una vida media de 5.700 años. Al extraer el carbono 14 de los bloques de grafito y convertirlo en una estructura de cristal de diamante , el isótopo de carbono radiactivo se puede utilizar como fuente de energía y, al mismo tiempo, permite que el grafito no radiactivo restante se reutilice para otras aplicaciones, comolápices o cepillos de motor eléctrico . Aunque la actividad específica del carbono 14 es baja y, por lo tanto, la densidad de potencia de una batería de diamante nuclear es pequeña, se pueden usar para redes de sensores de baja potencia y monitoreo de la salud estructural . [10]

En 2018 se introdujo 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 / cm 3 . Su densidad de energía fue de 3,3 kWh / kg. La vida media del níquel-63 es de 100 años. [11] [12] [13]

Inconvenientes [ editar ]

A medida que se emite material radiactivo, 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 durante un período de muchos años. Para los dispositivos de tritio , la vida media es de 12,32 años. En el diseño de dispositivos, se deben tener en cuenta qué características de la batería se requieren al final de su vida útil y asegurarse de que las propiedades del comienzo de la vida útil tengan en cuenta la vida útil deseada.

La responsabilidad relacionada con las leyes ambientales 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 alto costo asociado con el tritio. Un informe de 2007 del Grupo Asesor de 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 eran el doble de los establecidos anteriormente por la Comisión Internacional de Protección Radiológica con sede en Suecia. [14]

Disponibilidad [ editar ]

Las baterías nucleares betavoltaicas se pueden comprar comercialmente. Los dispositivos disponibles incluyen un dispositivo de tritio de 100 μW que pesa 20 gramos. [15] [16]

Seguridad [ editar ]

Aunque los betavoltaicos utilizan un material radiactivo como fuente de energía, las partículas beta utilizadas son de baja energía y se detienen fácilmente con unos pocos milímetros de protección. Con la construcción adecuada del dispositivo (es decir, el blindaje y la 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 las de litio , cadmio y plomo ) genera importantes problemas de salud y medioambientales. [17]

Ver también [ editar ]

  • Batería atómica
  • Batería de diamante
  • Batería nuclear optoeléctrica
  • Tecnología de película fina de fluoruro de polivinilideno (PVDF)
  • Generador termoeléctrico de radioisótopos
  • Generador piezoeléctrico de radioisótopos
  • Lista de tipos de baterías

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c d Una batería de 25 años: se están probando baterías nucleares de larga duración alimentadas por isótopos de hidrógeno para aplicaciones militares , Katherine Bourzac, Technology Review , MIT, 17 de noviembre de 2009.
  2. ↑ NASA Glenn Research Center, Alpha- and Beta-voltaics Archivado 2011-10-18 en Wayback Machine (consultado el 4 de octubre de 2011)
  3. ^ "Revisión y vista previa de la tecnología de baterías nucleares" . large.stanford.edu . Consultado el 30 de septiembre de 2018 .
  4. ↑ a b Olsen, LC (diciembre de 1973). "Conversión de energía betavoltaica". Conversión de energía . Elsevier Ltd. 13 (4): 117-124, IN1, 125-127. doi : 10.1016 / 0013-7480 (73) 90010-7 .
  5. ^ Maximenko, Sergey I .; Moore, Jim E .; Affouda, Chaffra A .; Jenkins, Phillip P. (diciembre de 2019). "Semiconductores óptimos para betavoltaicos 3H y 63Ni" . Informes científicos . 9 (1): 10892. Código Bibliográfico : 2019NatSR ... 910892M . doi : 10.1038 / s41598-019-47371-6 . ISSN 2045-2322 . PMC 6659775 . PMID 31350532 .   
  6. ^ "betavoltaic.co.uk" . Consultado el 21 de febrero de 2016 .
  7. ^ " ' Edad del diamante' de la generación de energía como se desarrollaron las baterías nucleares" . Instituto Cabot para el Medio Ambiente, Universidad de Bristol .
  8. ^ Universidad de Bristol (27 de noviembre de 2016). " 'La era del diamante' de la generación de energía como se desarrollaron las baterías nucleares" . phys.org . Consultado el 1 de septiembre de 2020 .
  9. ^ Duckett, Adam (29 de noviembre de 2016). "Batería de diamante a partir de residuos nucleares" . El ingeniero químico . Archivado desde el original el 2 de diciembre de 2016 . Consultado el 2 de diciembre de 2016 .
  10. ^ Overhaus, Daniel (31 de agosto de 2020). "¿Son las baterías de diamantes radiactivos una cura para los desechos nucleares?" . Consultado el 31 de agosto de 2020 , a través de Wired.com.
  11. ^ Bormashov, VS; Troschiev, S. Yu .; Tarelkin, SA; Volkov, AP; Teteruk, DV; Golovanov, AV; Kuznetsov, MS; Kornilov, NV; Terentiev, SA; En blanco, VD (2018-04-01). "Prototipo de batería nuclear de alta densidad de potencia basado en diodos Schottky de diamante" . Diamante y materiales relacionados . 84 : 41–47. doi : 10.1016 / j.diamond.2018.03.006 . ISSN 0925-9635 . 
  12. ^ "Prototipo de batería nuclear contiene 10 veces más potencia" . Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Consultado el 1 de septiembre de 2020 .
  13. ^ Irving, Michael (3 de junio de 2018). "Los científicos rusos incorporan más potencia al prototipo de batería nuclear" . newatlas.com . Consultado el 14 de junio de 2018 .
  14. ^ Edwards, Rob (29 de noviembre de 2007). "La clasificación de riesgo de tritio 'debería duplicarse ' " . NewScientist .
  15. ^ "Especificaciones de la serie NanoTritiumTM Betavoltaic P200" . 2018 . Consultado el 1 de septiembre de 2020 .
  16. ^ "La batería NanoTritium disponible comercialmente puede alimentar la microelectrónica durante más de 20 años" . Nuevo Atlas . 2012-08-16 . Consultado el 1 de septiembre de 2020 .
  17. ^ Maher, George (octubre de 1991). "Fundamentos de la batería" . Comisiones del Condado, Universidad Estatal de Dakota del Norte y Departamento de Agricultura de EE. UU . Universidad Estatal de Dakota del Norte . Consultado el 29 de agosto de 2011 .

Enlaces externos [ editar ]

Recursos de la biblioteca sobre el
dispositivo Betavoltaico
  • Recursos en su biblioteca
  • Recursos en otras bibliotecas
  • Comunicado de prensa de la Universidad de Rochester
  • Laboratorios de la ciudad
  • Widetronix
  • Armando Antoniazzi. "El amanecer de las baterías nucleares" . Blog.kinectrics.com. Archivado desde el original el 21 de marzo de 2012 . Consultado el 22 de agosto de 2012 .
  • "La batería NanoTritium disponible comercialmente puede alimentar la microelectrónica durante más de 20 años" . Gizmag.com. 2012-08-16 . Consultado el 22 de agosto de 2012 .