.avif)
Aunque la tecnología de las baterías nucleares existe desde la década de 1950, el impulso actual hacia la electrificación y la descarbonización aumenta la necesidad de encontrar fuentes de energía sin emisiones y un almacenamiento energético fiable. Como resultado, las innovaciones están centrando de nuevo la atención en la energía nuclear aplicada a las baterías.
Las baterías nucleares —aquellas que utilizan la desintegración natural de material radiactivo para crear una corriente eléctrica— se han utilizado en aplicaciones espaciales o en operaciones remotas, como faros en el Ártico, donde cambiar una batería resulta difícil o incluso imposible. El rover del Laboratorio Científico de Marte, por ejemplo, utiliza sistemas de energía radioisotópica (RPS), que convierten el calor de la desintegración radiactiva en electricidad mediante un generador termoeléctrico. La innovación de Betavolt, sin embargo, es una batería betavoltaica que utiliza partículas beta en lugar de calor como fuente de energía.
Antes de esperar encontrar estas baterías de larga duración en dispositivos comunes, es importante comprender algunas compensaciones clave. La larga vida útil de las baterías betavoltaicas se ve contrarrestada por su potencia de salida relativamente baja por unidad de masa, conocida como densidad de potencia. La densidad de potencia de las baterías betavoltaicas actuales es tan baja que no pueden alimentar un teléfono móvil o un ordenador portátil.
Existen desafíos adicionales que dificultan el uso más amplio de este y todos los tipos de baterías nucleares, en particular el suministro de materiales y la incomodidad ante el uso de materiales radiactivos. Sin embargo, la ciencia física y de materiales detrás de esta tecnología podría desbloquear avances importantes para la energía libre de CO2 y proporcionar energía para aplicaciones donde las tecnologías de almacenamiento de energía disponibles actualmente son insuficientes.
¿Cómo funcionan las baterías betavoltaicas?
Las baterías betavoltaicas contienen emisores radiactivos y absorbedores semiconductores. A medida que el material emisor se desintegra de forma natural, libera partículas beta, o electrones de alta velocidad, que impactan contra el material absorbedor de la batería, separando los electrones de los núcleos atómicos en el absorbedor semiconductor. La separación de los pares electrón-hueco resultantes genera una corriente eléctrica en el absorbedor, lo que da lugar a la energía eléctrica que puede suministrar la batería.
Sin embargo, el proceso no está a la escala de una gran central nuclear. Los emisores y absorbedores son películas delgadas intercaladas dentro de las baterías, las cuales, como las de Betavolt, tienen el tamaño de una moneda o de un caramelo. Esto se debe a que la mayoría de las partículas beta son absorbidas y su energía se convierte en electricidad cerca de la superficie del absorbedor.
Un proceso similar produce corrientes eléctricas en los paneles solares con células fotovoltaicas. En esa aplicación, los fotones del sol desplazan electrones, formando pares electrón-hueco en el absorbedor, mientras que las partículas beta generadas por la desintegración radiactiva natural son las responsables de ese proceso en una batería betavoltaica.
Desafíos de las baterías nucleares
Debido a las limitaciones físicas del proceso de desintegración y la conversión de partículas beta en electricidad, estas baterías solo producen una cantidad mínima de energía, del orden de los microvatios. Como se observa en la Figura 1, las baterías betavoltaicas tienen una densidad de potencia muy baja, pero ofrecen una densidad energética extremadamente alta, es decir, la energía total que contiene la batería por unidad de masa, en comparación con otros tipos de baterías.
Las betavoltaicas tienen una densidad energética tan alta porque los emisores radiactivos se desintegran lentamente con el tiempo, lo que provoca que la reacción emita electrones durante muchos años. Su vida útil se mide por su semivida, que es el tiempo que tardan en alcanzar la mitad de su intensidad inicial de emisión de partículas beta. Los emisores más comunes en las baterías betavoltaicas tienen semividas de entre 2,5 y 100 años.
Se necesitarían pilas extremadamente grandes de baterías betavoltaicas para producir vatios o kilovatios de potencia. Construir baterías de ese tamaño resulta prohibitivo en cuanto a costes con la tecnología actual. Una razón importante es que los emisores no están hechos de sustancias naturales. Por el contrario, este material radiactivo debe sintetizarse artificialmente, y el coste de desarrollar baterías grandes para aplicaciones de mayor potencia es inviable.
Sin embargo, las baterías betavoltaicas se han utilizado en marcapasos y otros dispositivos pequeños. Con el reciente crecimiento de los dispositivos portátiles y los dispositivos domésticos inteligentes, existen más aplicaciones potenciales que nunca, gracias al éxito en la combinación de emisores y absorbedores.
Los emisores y absorbedores impulsan la tecnología betavoltaica
Proporcionar fuentes de energía a largo plazo y sin emisiones de carbono es vital. Aunque las baterías betavoltaicas no puedan alimentar edificios enteros, comprender la relación entre los materiales capaces de generar energía continua abre nuevas posibilidades. Al analizar la CAS Content CollectionTM, la mayor colección de información científica publicada curada por expertos del mundo, podemos identificar materiales prometedores y tendencias de investigación.
El emisor de partículas beta más común en la literatura es el níquel-63, un isótopo del níquel con una vida media de unos 100 años (véase la Figura 2). Le sigue el hidrógeno-3 o tritio, que a menudo se incorpora en el material de estado sólido trituro de titanio. El prometio-147 también aparece con frecuencia en nuestro análisis, pero está menos citado y no ha experimentado el mismo crecimiento que otros materiales emisores (Figura 3).
En cuanto a los absorbedores, el material más citado es el silicio, el más común en los dispositivos semiconductores (véase la Figura 4). Su uso en células solares también demuestra su utilidad y escalabilidad en este tipo de aplicaciones de generación de corriente.
Otros materiales citados con frecuencia incluyen el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN) y el arseniuro de galio (GaAs). Estos materiales presentan una banda prohibida amplia, lo que aumenta la eficiencia de la conversión de partículas beta en electricidad. Además, poseen una buena resistencia a la degradación por radiación beta (conocida como dureza radiológica), lo que mejora la vida útil y la estabilidad del dispositivo. Ambas son propiedades clave de los materiales absorbedores.
Cabe destacar que el diamante también se está investigando como material absorbedor. Se trata de una película de diamante sintético, no de gemas naturales, pero resulta eficaz como absorbedor debido a su amplia banda prohibida y su elevada dureza radiológica.
Nuestro análisis muestra que el par níquel-63/silicio es la combinación emisor-absorbedor más investigada. Más allá de estos materiales, la frecuencia de los pares emisor-absorbedor se corresponde aproximadamente con la frecuencia de los materiales individuales en la literatura. Esto sugiere que los investigadores están probando actualmente muchas combinaciones de materiales (véase la Figura 6).
Futuras aplicaciones de la tecnología de baterías nucleares
Si las baterías betavoltaicas logran aumentar su densidad energética y gestionar los retos de tamaño y coste, podrían alimentar dispositivos durante muchos años sin necesidad de reemplazo. Dado que la profundidad de penetración de la radiación beta es relativamente pequeña, los emisores son más seguros que otros tipos de materiales radiactivos y pueden blindarse con materiales sencillos para hacerlos aptos para el consumo.
Investigadores en el Reino Unido incluso han desarrollado una batería betavoltaica utilizando carbono-14 radiactivo procedente de residuos nucleares. Integraron el carbono-14 en el diamante para maximizar la eficiencia, en lugar de mantener el emisor y el absorbedor en capas separadas. Si se producen a escala, podrían ayudar a gestionar los residuos radiactivos y proporcionar energía constante a largo plazo.
Otra posible innovación es el uso de nanomateriales, como nanotubos de carbono o estructuras nanoporosas, para aumentar la superficie de los absorbedores. Esto permitiría generar y separar eficazmente más pares electrón-hueco y, por tanto, producir una corriente mayor sin aumentar el tamaño de la batería de forma insostenible. El aumento de la superficie mediante nanomateriales ya se aplica en células solares y baterías electroquímicas como las de iones de litio.
Si los investigadores logran dominar esta capacidad en las baterías betavoltaicas, se abrirían nuevas aplicaciones y se podría avanzar en energías renovables y almacenamiento para apoyar la descarbonización. Para saber más sobre las oportunidades en energía verde, consulte nuestro artículo reciente sobre tendencias de investigación de mayor crecimiento, avances en el reciclaje de baterías de iones de litio y pilares clave para economías de hidrógeno verde.
