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Una batería de 25 años
Las baterías que recolectan energía de la desintegración nuclear de isótopos pueden producir niveles muy bajos de corriente y durar décadas sin necesidad de ser reemplazadas. Una nueva versión de las baterías, llamada betavoltaica, está siendo desarrollada por una empresa con sede en Ithaca, NY y probada por Lockheed Martin . Las baterías podrían alimentar circuitos eléctricos que protegen los aviones militares y los misiles de la manipulación al destruir la información almacenada en los sistemas o al enviar una señal de advertencia a un centro militar. Se espera que las baterías duren 25 años. La empresa, llamada Widetronix , también está trabajando con los fabricantes de dispositivos médicos para desarrollar baterías que podrían durar décadas para dispositivos médicos implantables.
La energía nuclear: El paquete dentro de este prototipo de batería betavoltaica contiene capas de carburo de silicio y una hoja de metal incrustadas con el isótopo radiactivo tritio. Cuando los electrones de alta energía emitidos por la desintegración del tritio golpean el carburo de silicio, se produce una corriente eléctrica que sale de la celda a través de las clavijas metálicas. Estas baterías están diseñadas para durar 25 años.
Las baterías de Widetronix funcionan mediante la desintegración de un isótopo de hidrógeno llamado tritio en electrones de alta energía. Mientras que las células solares usan semiconductores como el silicio para capturar energía de los fotones de la luz solar, las células betavoltaicas usan un semiconductor para capturar la energía en los electrones producidos durante la desintegración nuclear de los isótopos. Este tipo de desintegración nuclear se llama desintegración beta, por los electrones de alta energía, llamados partículas beta, que produce. La vida útil de los dispositivos betavoltaicos depende de la vida media, que va desde unos pocos años hasta 100 años, de los radioisótopos que los alimentan. Para fabricar una batería que dure 25 años a partir de tritio, que tiene una vida media de 12,3 años, Widetronix carga el paquete con el doble de tritio que se requiere inicialmente. Estos dispositivos pueden soportar condiciones mucho más duras que las baterías químicas. Esto, y su larga vida útil, es lo que hace que la energía betavoltaica sea atractiva como fuente de energía para implantes médicos y para la detección militar remota en entornos extremadamente cálidos y fríos.
El concepto de energía betavoltaica tiene unos 50 años. Los primeros marcapasos usaban betavoltaicos basados en el elemento radiactivo prometio, pero estos betavoltaicos se eliminaron gradualmente cuando se desarrollaron baterías de iones de litio más baratas. La tecnología ahora está resurgiendo, dice Peter Cabauy , Director ejecutivo de otra empresa betavoltaica, con sede en Miami Laboratorios de la ciudad , porque los materiales semiconductores han mejorado mucho. Los primeros materiales semiconductores no eran lo suficientemente eficientes para convertir los electrones de la desintegración beta en una corriente utilizable, por lo que tenían que usar isótopos de mayor energía, más costosos y potencialmente peligrosos. Los materiales semiconductores más eficientes se pueden combinar con isótopos relativamente benignos como el tritio, que producen una radiación débil.
Las baterías de Widetronix están compuestas por una lámina de metal impregnada con isótopos de tritio y un chip delgado de carburo de silicio semiconductor, que puede convertir el 30 por ciento de las partículas beta que golpean en una corriente eléctrica. El carburo de silicio es muy robusto y cuando lo reducimos, se vuelve flexible, dice el CEO de Widetronix. Jonathan Greene . Cuando apilamos chips y láminas en un paquete de un centímetro cuadrado y dos décimas de centímetro de alto, tenemos un producto de un microvatio. El prototipo que está probando Lockheed Martin produce 25 nanovatios de potencia.
Los betavoltaicos no son muy potentes. No tienen suficiente energía para manejar una computadora portátil o un teléfono celular. Pero su densidad de energía es alta: almacenan mucha energía en películas de apenas micrómetros de espesor y pueden fabricarse en envases muy pequeños. Nos estamos enfocando en lugares donde se necesita una vida útil y una densidad de energía muy largas, dice Greene.
Uno de esos lugares es el monitoreo de equipo militar. Todo lo que publica el Departamento de Defensa debe tener protección antisabotaje, de modo que si alguien pone sus manos en la cabeza buscadora de un misil, o de un avión completo, sería muy difícil realizar ingeniería inversa, dice Christian Adams, químico de Control de fuego y misiles Lockheed Martin . Los chips de memoria que controlan estos sistemas antisabotaje, dice Adams, requieren una potencia continua muy baja durante mucho tiempo. Las especificaciones militares también requieren que estos dispositivos soporten condiciones extremas que las baterías normales no pueden tolerar: deben funcionar a temperaturas de -65 a 150 ˚C y soportar vibraciones de alta frecuencia, alta humedad y explosiones de sal. Si la batería se congela o se agota, el circuito de memoria pierde su configuración y el dispositivo falla, dice Adams.
Widetronix es el primero en salir de la puerta con algo que se puede probar según las especificaciones militares, dice Adams. Lockheed recibió los prototipos de la empresa la semana pasada. Si los betavoltaicos pasan la prueba, Lockheed probablemente los tendrá en productos antivuelco en aproximadamente un año, dice. Lockheed también está trabajando con la compañía para desarrollar energía betavoltaica de mayor potencia para el monitoreo remoto de misiles. Enviar una señal de radio para decir que estoy sano requiere microvatios de potencia, dice Adams. Widetronix también está probando sus baterías con la empresa de dispositivos médicos Welch Allyn. Espera vender las baterías por 500 dólares.
Cabauy de City Lab dice que aunque la perspectiva de baterías nucleares, especialmente para implantes médicos, puede sorprender, el tritio es seguro. Además de la partícula beta, otros productos de la desintegración del tritio son un antineutrino y un isótopo del helio que no es radiactivo. Un trozo de papel puede detener la radiación del tritio, dice Cabauy.
La promesa futura de la energía betavoltaica podría estar en sensores muy baratos integrados en edificios y puentes donde nunca querrá cambiar la batería, dice Amit Lal , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Cornell. Sin embargo, esto requeriría que empresas como Widetronix pasaran a materiales de vida media más larga, como los isótopos de níquel que duran 100 años. Si bien el tritio tiene una vida media de solo 12,3 años, una de sus principales ventajas, además de la seguridad, es que puede obtenerse de forma económica de los reactores nucleares canadienses que producen agua pesada como subproducto. Los isótopos de vida media más larga, como el níquel-63, deben comprarse en el extranjero a precios elevados. Desde el final de la Guerra Fría, no hay apoyo gubernamental para la infraestructura de radioisótopos en los Estados Unidos, dice Lal. Hacer baterías que duren para siempre es probablemente una buena razón para construir esa infraestructura.