La batteria atomica

Il tipico scenario tecnologico del futuro richiede milioni di dispositivi a radiofrequenza a bassa potenza sparsi in tutto il nostro ambiente, dagli array di sensori in fabbrica agli impianti medici ai dispositivi intelligenti per i campi di battaglia.

A causa della durata breve e imprevedibile delle batterie chimiche, tuttavia, sarebbero necessarie sostituzioni regolari per mantenere il ronzio di questi dispositivi. Le celle a combustibile e le celle solari richiedono poca manutenzione, ma le prime sono troppo costose per applicazioni così modeste ea bassa potenza, mentre le seconde hanno bisogno di molto sole.

Una terza opzione, tuttavia, può fornire un'alternativa potente e sicura. Si chiama Direct Energy Conversion (DEC) Cell, una batteria nucleare basata su betavoltaici che può funzionare per oltre un decennio sugli elettroni generati dal decadimento naturale dell'isotopo radioattivo trizio. È stato sviluppato da ricercatori dell'Università di Rochester e da una startup, BetaBatt, in un progetto descritto nel numero del 13 maggio di Advanced Materials e finanziato in parte dalla National Science Foundation.

Poiché l'emivita del trizio è di 12,3 anni (il tempo in cui è stata emessa metà della sua energia radioattiva), la cella DEC potrebbe fornire un decennio di energia per molte applicazioni. Chiaramente, questo sarebbe un vantaggio economico, specialmente per le applicazioni in cui la sostituzione delle batterie è estremamente scomoda, come nei settori della medicina e del petrolio e delle miniere, che spesso posizionano i sensori in luoghi pericolosi o difficili da raggiungere.

Uno dei nostri mercati principali è quello dei sensori remoti, molto difficili da sostituire, afferma Larry Gadeken, capo inventore e presidente di BetaBatt. Potresti mettere questa [batteria] una volta e lasciarla stare.

I dispositivi betavoltaici utilizzano radioisotopi che emettono particelle beta relativamente innocue, piuttosto che fotoni gamma più pericolosi. In realtà sono stati testati in laboratorio per 50 anni, ma generano così poca energia che non è ancora stato trovato un ruolo commerciale più ampio per loro. Finora, i betavoltaici alimentati al trizio, che richiedono una schermatura minima e non sono in grado di penetrare nella pelle umana, sono stati utilizzati per illuminare i segnali di uscita e gli orologi fosforescenti. Una versione commerciale del DEC Cell probabilmente non avrà abbastanza energia per alimentare un telefono cellulare, ma abbastanza per un sensore o un pacemaker.

La chiave per rendere la DEC Cell più praticabile è aumentare l'efficienza con cui crea energia. In passato, i ricercatori del betavoltaico hanno utilizzato un design simile a una cella solare: un wafer piatto è rivestito con un materiale a diodi che crea corrente elettrica quando bombardato da elettroni emessi. Tuttavia, tutto tranne le particelle di elettroni che sparano verso i diodi si perdono in quel progetto, afferma il professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università di Rochester Phillipe Fauchet, che ha sviluppato il design più efficiente basato sul concetto di Gadeken.

La soluzione consisteva nell'esporre una parte maggiore della superficie reattiva alle particelle creando un wafer a diodo di silicio poroso cosparso di fossette larghe un micron e profonde 40 micron. Quando il gas radioattivo occupa questi pozzi, crea la massima opportunità per sfruttare la reazione.

Cosa altrettanto importante, il processo è facilmente riproducibile ed economico, afferma Fauchet, una necessità se la DEC Cell deve essere commercialmente valida.

Le tecniche di fabbricazione possono essere convenienti, ma il trizio stesso - un sottoprodotto della produzione di energia nucleare - è ancora più costoso del litio nella batteria del telefono cellulare. Il costo è meno problematico, tuttavia, per i dispositivi progettati specificamente per raccogliere dati difficili da ottenere.

Il costo è solo uno dei motivi per cui Gadeken afferma che non perseguirà il mercato dell'elettronica di consumo affamato di batterie. Altri problemi includono gli ostacoli normativi e di marketing posti dall'alimentazione dei dispositivi del mercato di massa con materiali radioattivi e le grandi dimensioni della batteria che sarebbero necessarie per generare energia sufficiente. Tuttavia, dice, la tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata come dispositivo di ricarica di mantenimento per le batterie agli ioni di litio.

Invece, la sua azienda si rivolge a settori di mercato che necessitano di alimentazione a batteria a lungo termine e hanno una familiarità confortevole con i materiali nucleari.

Stiamo prendendo di mira applicazioni come la tecnologia medica, che stanno già utilizzando la radioattività, afferma Gadeken.

Ad esempio, molti pazienti con impianto continuano a sopravvivere alle batterie e richiedono un intervento chirurgico di sostituzione costoso e rischioso.

Alla fine, Gadeken spera di servire anche la NASA, se l'azienda riesce a trovare un modo per estrarre energia sufficiente dal trizio per alimentare un oggetto spaziale. Le agenzie spaziali sono interessate a fonti di energia più sicure e leggere rispetto ai generatori termici di radioisotopi (RTG) alimentati al plutonio utilizzati nelle missioni robotiche, come Voyager, che ha una fonte di alimentazione RTG destinata a funzionare fino al 2020.

Inoltre, una fonte di energia betavoltaica potrebbe alleviare le preoccupazioni ambientali, come quelle espresse al lancio della missione satellitare Cassini su Saturno, quando i manifestanti temevano che un'esplosione potesse portare a ricadute sulla Florida.

Per ora, tuttavia, Gadeken spera di interessare il campo medico e una varietà di mercati di nicchia nelle applicazioni dei sensori sottomarini, sotto la superficie e polari, con particolare attenzione all'industria petrolifera.

E il prossimo passo è adattare la tecnologia per l'uso in batterie molto piccole che potrebbero alimentare dispositivi di sistemi microelettromeccanici (MEMS), come quelli utilizzati negli interruttori ottici o i sensori di polvere intelligenti fluttuanti sviluppati dai militari.

Infatti, anche un altro dispositivo betavoltaico, in fase di sviluppo presso la Cornell University, si rivolge al mercato dell'energia MEMS. Il generatore piezoelettrico alimentato da radioisotopi, in forma di prototipo tra pochi anni, combinerà una cella betavoltaica con un dispositivo a sbalzo elettromeccanico alimentato al trizio dimostrato per la prima volta nel 2002.

Amit Lal, uno dei ricercatori della Cornell, offre sia lodi che un cauto scetticismo sulla DEC Cell. Sebbene sia impressionato dalla potenza in uscita dalla cella DEC, ha affermato che ci sono ancora problemi con la dispersione di corrente. Per evitare questi potenziali problemi di perdite, Cornell utilizza un design di wafer su scala leggermente più grande. Stanno anche pianificando di passare a un design poroso e trizio solido o liquido per migliorare l'efficienza.

Lal osserva inoltre che il mercato del dispositivo di Cornell o della DEC Cell potrebbe essere schiacciato da batterie al litio più nuove e più durature. Tuttavia, c'è una nicchia per i dispositivi molto piccoli, crede, specialmente quelli che devono durare più di dieci anni.

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