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Embora a tecnologia de baterias nucleares esteja disponível desde a década de 1950, o impulso atual para eletrificar e descarbonizar aumenta a necessidade de encontrar fontes de energia livres de emissões e armazenamento de energia confiável. Como resultado, inovações estão trazendo um foco renovado para a energia nuclear em baterias.
As baterias nucleares — aquelas que usam o decaimento natural de material radioativo para criar uma corrente elétrica — têm sido usadas em aplicações espaciais ou operações remotas, como faróis no Ártico, onde trocar uma bateria é difícil ou até impossível. O rover Mars Science Laboratory, por exemplo, usa sistemas de energia radioisotópica (RPS), que convertem o calor do decaimento radioativo em eletricidade por meio de um gerador termoelétrico. A inovação da Betavolt, no entanto, é uma bateria betavoltaica que usa partículas beta em vez de calor como fonte de energia.
Antes de esperar encontrar essas baterias de longa duração em dispositivos comuns, é importante entender algumas compensações fundamentais. A longa vida útil das baterias betavoltaicas é contrabalançada por sua potência de saída relativamente baixa por unidade de massa, conhecida como densidade de potência. A densidade de potência das baterias betavoltaicas atuais é tão baixa que elas não conseguem alimentar um celular ou laptop.
Existem desafios adicionais que dificultam o uso mais amplo dessas e de todos os tipos de baterias nucleares, particularmente o fornecimento de materiais e o desconforto com o uso de materiais radioativos. No entanto, a ciência física e de materiais por trás dessa tecnologia pode desbloquear avanços importantes para energia livre de CO2 e fornecer energia para aplicações onde as tecnologias de armazenamento de energia atualmente disponíveis são insuficientes.
Como funcionam as baterias betavoltaicas?
As baterias betavoltaicas contêm emissores radioativos e absorvedores semicondutores. À medida que o material emissor decai naturalmente, ele libera partículas beta, ou elétrons de alta velocidade, que atingem o material absorvedor na bateria, separando elétrons dos núcleos atômicos no absorvedor semicondutor. A separação dos pares elétron-lacuna resultantes gera uma corrente elétrica no absorvedor, resultando em energia elétrica que pode ser fornecida pela bateria.
No entanto, o processo não está na escala de uma grande usina nuclear. Emissores e absorvedores são filmes finos prensados juntos dentro das baterias, que, como as da Betavolt, têm o tamanho de uma moeda ou de um doce. Isso ocorre porque a maioria das partículas beta é absorvida e sua energia é convertida em eletricidade perto da superfície do absorvedor.
Um processo semelhante produz correntes elétricas em painéis solares com células fotovoltaicas. Nessa aplicação, fótons do sol deslocam elétrons, formando pares elétron-lacuna no absorvedor, enquanto partículas beta geradas pelo decaimento radioativo natural são responsáveis por esse processo em uma bateria betavoltaica.
Desafios com baterias nucleares
Devido às limitações físicas do processo de decaimento e da conversão de partículas beta em eletricidade, essas baterias produzem apenas uma pequena quantidade de energia — na ordem de microwatts. Como visto na Figura 1, as baterias betavoltaicas têm densidade de potência muito baixa, mas oferecem densidade de energia extremamente alta, ou seja, a energia total que a bateria contém por unidade de massa, em comparação com outros tipos de baterias.
As betavoltaicas têm uma densidade de energia tão alta porque os emissores radioativos decaem lentamente ao longo do tempo, levando à reação que emite elétrons por muitos anos. Sua vida útil é medida por sua meia-vida, que é o tempo que levam para atingir metade da intensidade inicial de emissão de partículas beta. Os emissores mais comuns em baterias betavoltaicas têm meias-vidas de 2,5 a 100 anos.
Seriam necessárias pilhas extremamente grandes de baterias betavoltaicas para produzir watts ou quilowatts de potência. Construir baterias desse tamanho é proibitivo em termos de custo com a tecnologia atual. Uma razão importante é que os emissores não são feitos de substâncias naturais. Em vez disso, esse material radioativo deve ser sintetizado artificialmente, e o custo de desenvolvimento de grandes baterias para aplicações de maior potência é inviável.
No entanto, baterias betavoltaicas têm sido usadas em marca-passos e outros pequenos dispositivos. Com o crescimento recente de dispositivos vestíveis e de casa inteligente, há mais aplicações potenciais do que nunca, graças ao emparelhamento bem-sucedido de emissores e absorvedores.
Emissores e absorvedores impulsionam a tecnologia betavoltaica
Fornecer fontes de energia de longo prazo e livres de carbono é vital e, embora as baterias betavoltaicas possam não alimentar edifícios inteiros, entender a relação entre materiais que podem gerar energia contínua abre novas possibilidades. Ao analisar a CAS Content CollectionTM, a maior coleção de informações científicas publicadas do mundo com curadoria humana, podemos identificar materiais promissores e tendências de pesquisa.
O emissor de partículas beta mais comum que vemos na literatura é o níquel-63, um isótopo do elemento níquel que tem uma meia-vida de cerca de 100 anos (veja a Figura 2). Segue-se o hidrogênio-3 ou trítio, que é frequentemente incorporado no material de estado sólido triteto de titânio. O promécio-147 também aparece frequentemente em nossa análise, mas é menos citado e não apresentou o mesmo crescimento que outros materiais emissores (Figura 3).
Para absorvedores, o material mais citado é o silício, que é o material mais comum em dispositivos semicondutores (veja a Figura 4). O uso do silício em células solares também demonstra sua utilidade e escalabilidade nesses tipos de aplicações geradoras de corrente.
Outros materiais frequentemente citados incluem carboneto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN) e arseneto de gálio (GaAs). Esses materiais apresentam um grande band gap, o que aumenta a eficiência da conversão de partículas beta em eletricidade. Eles também possuem boa resistência à degradação por radiação de partículas beta (também conhecida como resistência à radiação), melhorando a vida útil e a estabilidade do dispositivo. Ambas são propriedades fundamentais dos materiais absorvedores.
Notavelmente, também estamos vendo o diamante como um material absorvedor bem pesquisado. Isso se refere a um filme de diamante sintético, não a gemas naturais, mas também é eficaz como absorvedor devido ao seu grande band gap e alta resistência à radiação.
Nossa análise mostra que o par 63Ni-silício é o par emissor-absorvedor mais pesquisado. Além desses materiais, a frequência dos pares emissor-absorvedor corresponde aproximadamente à frequência de materiais emissores e absorvedores individuais na literatura. Isso sugere que os pesquisadores estão testando atualmente muitas combinações de materiais (veja a Figura 6).
Aplicações futuras da tecnologia de bateria nuclear
Se as baterias betavoltaicas conseguirem aumentar sua densidade de energia enquanto gerenciam desafios de tamanho e custo, elas poderão alimentar dispositivos por muitos anos sem necessidade de substituição. Como a profundidade de penetração da radiação beta é relativamente pequena, os emissores são mais seguros do que outros tipos de materiais radioativos e podem ser blindados com materiais simples para torná-los adequados ao uso do consumidor.
Pesquisadores no Reino Unido até desenvolveram uma bateria betavoltaica usando carbono-14 radioativo proveniente de resíduos nucleares. Eles incorporaram o carbono-14 no diamante para maximizar a eficiência, em vez de manter o emissor e o absorvedor em camadas separadas. Se produzidas em escala, elas podem ajudar a resolver problemas com resíduos radioativos, fornecendo energia consistente e de longo prazo.
Outra inovação possível é usar nanomateriais, como nanotubos de carbono ou estruturas nanoporosas, para aumentar a área de superfície dos absorvedores. Isso permitiria gerar e separar eficientemente mais pares elétron-lacuna e, portanto, produzir uma corrente mais forte, sem aumentar o tamanho da bateria a um nível insustentável. O aumento da área de superfície por meio do uso de nanomateriais tem sido aplicado a células solares e baterias eletroquímicas, como as de íon-lítio.
Se os pesquisadores dominarem essa capacidade em baterias betavoltaicas, isso abriria esse tipo de armazenamento de energia para ainda mais aplicações e potencialmente levaria a avanços em energia renovável e armazenamento de energia para apoiar a descarbonização. Para saber mais sobre as oportunidades futuras em energia verde, veja nosso artigo recente sobre tendências de pesquisa de crescimento mais rápido, avanços na reciclagem de baterias de íon-lítio, e blocos de construção fundamentais para economias de hidrogênio verde.
