Estado de la investigación de las microbaterías nucleares
La investigación sobre sistemas microelectromecánicos y nanotecnología ha logrado enormes avances en los últimos 20 años, y los investigadores han desarrollado varios tipos de dispositivos micrométricos y nanométricos. Sin embargo, es difícil miniaturizar el dispositivo de suministro de energía al tamaño correspondiente. Las baterías o dispositivos de suministro de energía tradicionales todavía se utilizan en dispositivos micrométricos y nanométricos, lo que provoca un aumento del volumen de todo el sistema, cargas frecuentes o dificultades de funcionamiento. organización de grupos de unidades de baterías Por lo tanto, los investigadores Desde la década de 1990, hemos comenzado a centrar nuestra atención en el desarrollo de diversas tecnologías de microbaterías. Entre ellos, los dispositivos de microgeneración de energía y las micropilas de combustible basadas en la combustión de turbinas tienen como objetivo convertir la energía mecánica, la energía térmica y la energía química en energía eléctrica. Todas estas tecnologías requieren estructuras de microfluidos externas y fuentes de energía externas para impulsar el motor y suministrar combustible a la cámara de trabajo, o para promover reacciones químicas para lograr la conversión de energía. También se están estudiando las baterías de microcilindros, pero estas baterías tienen una baja densidad de energía y una vida útil corta. Uno de los puntos calientes de la investigación son los conjuntos de células microsolares, que tienen la desventaja de requerir luz como fuente de energía original. La energía radiactiva se puede utilizar en muchos campos diferentes, como la industria, la agricultura y los servicios médicos. La generación de energía es su área de aplicación más importante. Esto se debe a que la energía nuclear es en muchos casos un método de generación de energía más eficiente que las formas convencionales de generación de energía.
En 1999, investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison, con financiación del Departamento de Energía de Estados Unidos, fueron los primeros en proponer una combinación de tecnología de sistemas microelectromecánicos y ciencia y tecnología de energía nuclear para desarrollar sistemas micronucleares. baterías o radioisótopos La investigación sobre la batería continuó posteriormente en la Universidad de Cornell en los Estados Unidos con financiación del Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Muchos grupos de investigación nacionales y extranjeros, incluido el Centro de Investigación Microelectromecánica Sabendong de la Universidad de Xiamen, también han comenzado a trabajar en esta investigación. En comparación con otras tecnologías, las baterías micronucleares tienen perspectivas de aplicación en muchos campos, especialmente en aplicaciones que requieren funcionalidad a largo plazo, como microdispositivos biomédicos implantables y microsensores o redes de sensores para el monitoreo ambiental. La densidad de la energía de los radioisótopos es dos veces mayor que la de la energía. densidad de los combustibles fósiles o químicos, y si se seleccionan los isótopos radiactivos apropiados, se pueden lograr baterías micronucleares de larga duración.
Las agencias de investigación espacial como la NASA reconocen desde hace tiempo el potencial de los materiales radiactivos para generar electricidad. La NASA ha adoptado el método en una serie de misiones espaciales a partir de la década de 1960, como la sonda Voyager y la sonda Cassini recientemente lanzada que actualmente orbita alrededor de Saturno Generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Estas sondas espaciales están demasiado lejos del sol para ser alimentadas por paneles solares.
RTG convierte la energía térmica en energía eléctrica mediante el efecto termoeléctrico (también conocido como efecto Seebeck). El llamado efecto Seebeck significa que cuando se calienta un extremo de una varilla de metal (hecha de dos metales o materiales semiconductores unidos entre sí - Nota del traductor), los electrones en el extremo calentado ganan más energía cinética y fluyen hacia el otro extremo. un voltaje en ambos extremos. La mayoría de los RTG utilizados por la NASA son del tamaño de una lavadora y utilizan los rayos de alta energía del plutonio-238 para generar una enorme energía térmica.
Pero RTG no puede reducir significativamente el tamaño. Para microdispositivos como MEMS, la relación entre su superficie y su volumen es muy grande. La gran superficie relativa hace que el problema de la pérdida de calor sea difícil de resolver y, para mantener el funcionamiento normal del RTG, se debe mantener una determinada temperatura. Por tanto, tenemos que encontrar otras formas de convertir la energía nuclear en electricidad.
A principios de 2003, se desarrolló una microbatería que puede convertir directamente partículas de alta energía emitidas por materiales radiactivos en corriente eléctrica. En esta batería, se coloca una pequeña cantidad de níquel-63 cerca de una unión p-n de silicio normal (básicamente un diodo). El níquel-63 emite partículas beta cuando se desintegra. Las partículas beta son electrones de alta energía emitidos espontáneamente desde los núcleos inestables de isótopos radiactivos. En una batería, las partículas beta ionizan los átomos del diodo, creando pares electrón-hueco. Estos electrones y huecos están divididos a ambos lados de la interfaz de unión pn. Estos electrones y huecos separados fluyen en dirección opuesta a la unión pn, formando una corriente eléctrica.
El Ni-63 es ideal para esta aplicación porque las partículas beta que emite pueden viajar hasta 21 μm en el material de silicio antes de descomponerse.
Si una partícula tiene más energía cinética, viajará una distancia más larga y, por tanto, irradiará fuera de la célula. En nuestra batería nuclear, cada miliCi de níquel-63 produce 3 nanómetros (10-9) vatios de potencia. Aunque la potencia no es alta, ya puede alimentar nanomemorias y microprocesadores simples utilizados en sensores ambientales y sensores de campo de batalla que están desarrollando otras instituciones. La selección de radioisótopos es el aspecto más importante en la fabricación de baterías nucleares de micras, basándose principalmente en el tipo de radiación, la seguridad, la energía, la radiactividad relativa, el precio y la vida media. La consideración más importante al utilizar isótopos radiactivos es siempre la seguridad. Los rayos gamma tienen una gran capacidad de penetración y requieren un blindaje externo considerable para reducir la relación de dosis de radiación. Las partículas alfa se pueden utilizar para crear pares de huecos de electrones en semiconductores, pero pueden provocar graves defectos en la red. Los generadores de rayos beta puros son la mejor opción para las microbaterías nucleares. La Tabla 1 muestra las fuentes radiactivas Beta puras consideradas para las baterías micronucleares en nuestro estudio. El níquel-63 tiene una vida de radiación de más de 100 años y fue elegido como la primera opción en nuestro estudio. Las partículas o electrones emitidos por el níquel-63 tienen una energía promedio y una energía máxima, que es inferior al umbral de energía de 200 ~ 250 KeV que causa daño permanente a la estructura cristalina del silicio
. Por otro lado, los electrones con la energía de movimiento más alta de 67 KeV no pueden penetrar la capa exterior de la piel humana, lo que garantiza la seguridad del operador. El primer tipo de batería micronuclear desarrollado se basa en el efecto voltaico radial Beta, el flujo de cargas positivas debido a pares electrón-hueco (EHP), que crean una diferencia de potencial. Como se muestra en la Figura 1, cuando los EHP se difunden en la región de agotamiento de la unión pn del semiconductor, bajo la acción del campo eléctrico incorporado de la unión pn, se logra la separación de los pares electrón-hueco, es decir, los electrones se mueven. a la región n y los agujeros se mueven a la región p, produce una salida actual.
Aunque el efecto radiativo voltaico es similar al efecto fotovoltaico, el desarrollo de células micronucleares es mucho más difícil que el desarrollo de células solares. La razón principal es que la densidad de flujo de electrones en las baterías nucleares es menor que la densidad de flujo de fotones en las células solares. En el caso de las microbaterías, la densidad del flujo de electrones también se reduce debido al uso de isótopos de muy baja intensidad de emisión. La distribución de energía de los electrones emitidos por los radioisótopos Beta suele tener un rango espectral muy amplio. Los electrones con diferentes energías permanecerán a diferentes profundidades en dispositivos semiconductores de unión pn. Por tanto, la distribución espacial de los EHP producidos es diferente. Para obtener una mayor producción de energía, es necesario optimizar el diseño de los dispositivos de unión pn y adoptar procesos de microfabricación para recolectar EHP en la capa de agotamiento tanto como sea posible. De hecho, la mayoría de los dispositivos microelectromecánicos y nanodispositivos, así como los dispositivos electrónicos de baja energía, consumen energía en el rango de los milivatios. Para aumentar la producción de energía de las baterías micronucleares, si se permite, se deben seleccionar emisores de alta energía con mayor intensidad de radiación. Aunque la vida media de los radioisótopos centrales es de sólo 2,6 años, su energía promedio es de 62 KeV y la energía máxima. es 250 KeV, que es el más alto en silicio y está permitido en dispositivos de unión pn base. Como se muestra en la Figura 5, se diseñó y produjo una microbatería de tipo Beta que utiliza el isótopo radiactivo prometio-147 como fuente de energía original. El área del dispositivo de unión pn plano como batería es de 10 mm * 100 mm y se utilizan aproximadamente 200 mCi de Ju-147. El voltaje de bucle abierto medido es de 0,29 V y la corriente de cortocircuito es de 0,033 mA. La energía de salida máxima es 5,7uW. El siguiente paso es utilizar métodos de apilamiento o conexión de matriz de chips para aumentar el voltaje de salida de la microbatería.
Se presentan dos baterías micronucleares utilizadas en sistemas microelectromecánicos y nanodispositivos, y una batería micronuclear de tipo Beta que utiliza el isótopo radiactivo prometio-147 para alcanzar una potencia de milivatios.