Majoritatea bateriilor reîncărcabile litiu-ion (Li-ion) întâlnite în numeroase dispozitive, de la telefoane mobile până la autovehicule, durează doar câteva ore sau zile înainte de a fi necesară reîncărcarea lor. Mai mult, în decursul timpului, performanța lor scade, având nevoie de reîncărcări tot mai dese. De aceea, cercetătorii vin cu o nouă abordare: bateriile cu carbon radioactiv (bateriile nucleare) – baterii mici și ieftine, care ar putea dura zeci de ani, fără a avea nevoie de reîncărcare.
Reîncărcarea frecventă a bateriilor nu este ceva convenabil și limitează utilizarea unor tehnologii precum dronele sau senzorii de la distanță, care se bazează pe o alimentare constantă pe termen lung. Bateriile Li-ion prezintă și dezavantaje ce țin de mediu: exploatarea litiului este mare consumatoare de energie, iar eliminarea necorespunzătoare poate dăuna ecosistemelor.
Pe măsură ce lumea noastră devine tot mai conectată și bazată pe date, crește nevoia de a găsi soluții mai sustenabile. Iar răspunsul la această provocare trebuie să fie altul decât bateriile litiu-ion, deoarece performanța acestora este aproape a maximul posibil. Drept urmare, bateriile cu carbon radioactiv ar putea reprezenta o alternativă la cele cu litiu.
Cum funcționează bateriile nucleare?
Bateriile nucleare generează energie prin valorificarea particulelor de înaltă energie emise de materialele radioactive. Nu toate elementele radioactive emit radiații ce dăunează organismelor vii, iar unele radiații pot fi blocate de anumite materiale. De exemplu, particulele beta (cunoscute și sub numele de raze beta) pot fi ecranate cu o foaie subțire de aluminiu, făcându-le o alegere potențial sigură pentru bateriile nucleare.
Cercetătorii au produs un prototip de baterie betavoltaică cu carbon-14, o formă instabilă și radioactivă de carbon denumită radiocarbon. Carbonul radioactiv este un produs secundar al centralelor nucleare și este ieftin, la îndemână și ușor de reciclat. Deoarece radiocarbonul se degradează foarte lent, bateriile pe baza acestui material ar putea dura timp de milenii, cel puțin în teorie.
Într-o bateria betavoltaică tipică, electronii lovesc un semiconductor, ceea ce duce la producerea electricității. Semiconductorii reprezintă o componentă critică a bateriilor betavoltaice, deoarece sunt principalii responsabili pentru conversia energiei. Drept urmare, cercetătorii caută materiale semiconductoare avansate care să atingă o rată ridicată de conversie a energiei – o măsură a eficienței cu care bateriile pot converti electronii în electricitate utilizabilă.
Pentru a îmbunătăți eficiența procesului de conversie a energiei, experții au utilizat un semiconductor pe bază de dioxid de titan, sensibilizat cu un pigment pe bază de ruteniu. Legătura dintre dioxidul de titan și pigmentul de ruteniu a fost întărită prin tratare cu acid citric. Atunci când razele beta provenite de la radiocarbon intră în coliziune cu pigmentul pe bază de ruteniu, are loc a cascadă de reacții de transfer de electroni, denumită avalanșă de electroni. Apoi avalanșa călătorește prin pigment, iar dioxidul de titan colectează electronii generați.
Inovație cu electrozi duali
Noua baterie conține radiocarbon în anodul și catodul sensibilizat cu pigment. Prin tratarea ambilor electrozi cu izotopul radioactiv, cercetătorii au crescut cantitatea de raze beta și au redus pierderile de radiații beta cauzate de distanță dintre două structuri.
În timpul demonstrațiilor, cercetătorii au descoperit că razele beta eliberate de radiocarbonul de pe ambii electrozi au determinat pigmentul pe bază de ruteniu de pe anod să genereze o avalanșă de electroni, care a fost colectată de stratul de dioxid de titan și trecută printr-un circuit extern, rezultând electricitate utilizabilă. Comparativ cu un design anterior cu radiocarbon doar pe catod, noua baterei cu radiocarbon pe catod și anod a avut o eficiență de conversie a energiei mult mai mare (crescută de la 0,48% la 2,86%).
Potențialul pe termen lung
Aceste baterii nucleare de lungă durată ar putea permite multe aplicații. De exemplu, un stimulator cardiac ar dura toată viața unei persoane, eliminând nevoia înlocuirii chirurgicale.
Cu toate acestea, acest design betavoltaic a convertit doar o mică parte din dezintegrarea radioactivă în energie electrică, ceea ce duce la o performanță mai scăzută în comparație cu bateriile Li-ion convenționale. Cercetătorii sugerează că eforturile suplimentare de optimizare a formei emițătorului de raze beta și de a dezvolta absorbanți de raze beta mai eficienți ar putea îmbunătăți performanța bateriei și ar putea crește generarea de energie.
Sursa: SciTechDaily