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La batería atómica
El escenario típico de la tecnología del futuro requiere millones de dispositivos de radiofrecuencia de baja potencia repartidos por todo nuestro entorno, desde matrices de sensores en las fábricas hasta implantes médicos y dispositivos inteligentes para los campos de batalla.
Sin embargo, debido a la vida útil corta e impredecible de las baterías químicas, se requerirían reemplazos regulares para mantener estos dispositivos funcionando. Las celdas de combustible y las celdas solares requieren poco mantenimiento, pero las primeras son demasiado caras para aplicaciones tan modestas y de bajo consumo de energía, y las segundas necesitan mucho sol.
Sin embargo, una tercera opción puede proporcionar una alternativa poderosa y segura. Se llama Celda de Conversión de Energía Directa (DEC), una batería nuclear basada en energía betavoltaica que puede funcionar durante más de una década con los electrones generados por la desintegración natural del isótopo radiactivo tritio. Está desarrollado por investigadores de la Universidad de Rochester y una startup, BetaBatt, en un proyecto descrito en la edición del 13 de mayo de Advanced Materials y financiado en parte por la National Science Foundation.
Debido a que la vida media del tritio es de 12,3 años (el tiempo en el que se ha emitido la mitad de su energía radiactiva), la celda DEC podría proporcionar una década de energía para muchas aplicaciones. Claramente, eso sería una ventaja económica, especialmente para aplicaciones en las que el reemplazo de baterías es muy inconveniente, como en las industrias de la medicina, el petróleo y la minería, que a menudo colocan los sensores en lugares peligrosos o de difícil acceso.
Uno de nuestros principales mercados es el de sensores remotos, muy difíciles de reemplazar, dice Larry Gadeken, inventor principal y presidente de BetaBatt. Puede colocar esta [batería] una vez y dejarla en paz.
Los dispositivos betavoltaicos utilizan radioisótopos que emiten partículas beta relativamente inofensivas, en lugar de fotones gamma más peligrosos. En realidad, se han probado en laboratorios durante 50 años, pero generan tan poca energía que aún no se ha encontrado un papel comercial más importante para ellos. Hasta ahora, los betavoltaicos alimentados con tritio, que requieren un blindaje mínimo y no pueden penetrar la piel humana, se han utilizado para iluminar señales de salida y relojes que brillan en la oscuridad. Es probable que una versión comercial del DEC Cell no tenga suficiente energía para alimentar un teléfono celular, pero sí suficiente para un sensor o marcapasos.
La clave para hacer que la celda DEC sea más viable es aumentar la eficiencia con la que genera energía. En el pasado, los investigadores de la energía betavoltaica han utilizado un diseño similar a una celda solar: una oblea plana está recubierta con un material de diodo que crea corriente eléctrica cuando es bombardeada por electrones emitidos. Sin embargo, todo menos las partículas de electrones que se disparan hacia los diodos se pierden en ese diseño, dice el profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Rochester Phillipe Fauchet, quien desarrolló el diseño más eficiente basado en el concepto de Gadeken.
La solución fue exponer más superficie reactiva a las partículas creando una oblea de diodo de silicio poroso rociado con hoyos de una micra de ancho y 40 micras de profundidad. Cuando el gas radiactivo ocupa estos pozos, crea la máxima oportunidad para aprovechar la reacción.
Igual de importante, el proceso es fácilmente reproducible y económico, dice Fauchet, una necesidad para que la celda DEC sea comercialmente viable.
Las técnicas de fabricación pueden ser asequibles, pero el tritio en sí, un subproducto de la producción de energía nuclear, es aún más caro que el litio en la batería de su teléfono celular. Sin embargo, el costo es un problema menor para los dispositivos diseñados específicamente para recopilar datos difíciles de obtener.
El costo es solo una de las razones por las que Gadeken dice que no perseguirá el mercado de la electrónica de consumo que consume baterías. Otros problemas incluyen los obstáculos regulatorios y de marketing que plantea la alimentación de dispositivos del mercado masivo con materiales radiactivos y el gran tamaño de la batería que se requeriría para generar suficiente energía. Aún así, dice, la tecnología podría usarse algún día como un dispositivo de recarga lenta para baterías de iones de litio.
En cambio, su empresa está apuntando a sectores del mercado que necesitan energía de batería a largo plazo y están familiarizados con los materiales nucleares.
Estamos apuntando a aplicaciones como la tecnología médica, que ya utilizan radiactividad, dice Gadeken.
Por ejemplo, muchos pacientes de implantes continúan sobreviviendo a sus baterías y requieren una cirugía de reemplazo costosa y arriesgada.
Eventualmente, Gadeken espera servir también a la NASA, si la compañía puede encontrar una manera de extraer suficiente energía del tritio para alimentar un objeto espacial. Las agencias espaciales están interesadas en fuentes de energía más seguras y ligeras que los generadores térmicos de radioisótopos (RTG) de plutonio que se utilizan en misiones robóticas, como la Voyager, que tiene una fuente de energía RTG que está destinada a funcionar hasta alrededor de 2020.
Además, una fuente de energía betavoltaica probablemente aliviaría las preocupaciones ambientales, como las expresadas en el lanzamiento de la misión del satélite Cassini a Saturno, cuando los manifestantes temían que una explosión pudiera provocar una lluvia radiactiva sobre Florida.
Por ahora, sin embargo, Gadeken espera interesar el campo médico y una variedad de nichos de mercado en aplicaciones de sensores polares, subterráneos y submarinos, con un enfoque en la industria petrolera.
Y el siguiente paso es adaptar la tecnología para su uso en baterías muy pequeñas que podrían alimentar dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS), como los que se utilizan en los interruptores ópticos o los sensores de polvo inteligentes que flotan libremente que están desarrollando los militares.
De hecho, otro dispositivo betavoltaico, en desarrollo en la Universidad de Cornell, también apunta al mercado de energía MEMS. El generador piezoeléctrico alimentado por radioisótopos, que se presentará en forma de prototipo en unos pocos años, combinará una celda betavoltaica con un dispositivo en voladizo electromecánico alimentado con tritio que se demostró por primera vez en 2002.
Amit Lal, uno de los investigadores de Cornell, ofrece tanto elogios como cauteloso escepticismo sobre la Célula DEC. Si bien está impresionado con la salida de energía de la celda DEC, dijo que todavía hay problemas con las fugas de energía. Para evitar esos posibles problemas de fugas, Cornell está utilizando un diseño de oblea de escala ligeramente mayor. También planean cambiar a un diseño poroso y tritio sólido o líquido para mejorar la eficiencia.
Lal también señala que el mercado para el dispositivo de Cornell o la celda DEC podría verse exprimido por baterías de litio más nuevas y de mayor duración. Aún así, cree que existe un nicho para los dispositivos muy pequeños, especialmente aquellos que deben funcionar por más de diez años.