Patente de tecnología de diamante sintético
El robot Dragon Egg puede ayudar a los científicos a estudiar este violento proceso natural con datos detallados sin precedentes, pero para el científico de materiales de la Universidad de Bristol, Tom Scott, la exploración volcánica es solo el comienzo. En los últimos años, el profesor Scott y un pequeño grupo de colaboradores han estado desarrollando una versión mejorada de la batería nuclear del "huevo de dragón" que podría durar miles de años sin necesidad de recargarla ni reemplazarla. A diferencia de la mayoría de las baterías de la electrónica moderna, que generan electricidad mediante reacciones químicas, la batería estudiada por la Universidad de Bristol recoge partículas expulsadas de diamantes radiactivos, que pueden fabricarse a partir de residuos nucleares artificiales.
A principios de este mes, Scott y su colaborador Neil Fox, un químico de la Universidad de Bristol, crearon una empresa llamada Arkenlight para comercializar su batería nuclear de diamante. Si bien la batería del tamaño de una uña aún se encuentra en la etapa de prototipo, ya ha mostrado mejoras en eficiencia y densidad de potencia en comparación con las baterías nucleares existentes. Una vez que el profesor Scott y su equipo de Arkenlight hayan perfeccionado su diseño, establecerán una instalación de pruebas de producción en masa. La compañía planea lanzar al mercado las primeras baterías nucleares comerciales para 2024, pero no esperamos encontrarlas en computadoras portátiles.
Las baterías químicas tradicionales o "baterías primarias", como las baterías de iones de litio de los teléfonos inteligentes o las baterías alcalinas de los controles remotos, pueden descargar grandes cantidades de energía en un corto período de tiempo. Las baterías de iones de litio solo pueden funcionar durante unas pocas horas sin cargarse, y su capacidad de recarga disminuirá drásticamente después de algunos años de uso. Por el contrario, una batería nuclear o celda beta (una celda beta voltaica, una batería que convierte la radiación beta radiactiva en corriente eléctrica) es una batería que puede producir continuamente pequeñas cantidades de electricidad durante largos períodos de tiempo. No producen suficiente electricidad para alimentar un teléfono inteligente, pero dependiendo del material nuclear que utilicen, podrían proporcionar una producción de energía estable para dispositivos pequeños durante miles de años.
“Entonces, ¿podemos usar baterías nucleares para alimentar vehículos eléctricos? La respuesta es: no”, dijo Morgan Boardman, director ejecutivo de Arkenlight. Para alimentar cosas, eso significa que "la 'masa' de la batería tendrá que ser igual. ser significativamente mayor que la 'masa' del vehículo". En cambio, la compañía está buscando aplicaciones donde el reemplazo regular de la batería es casi imposible o imposible, como depósitos de desechos nucleares y sensores en ubicaciones remotas o peligrosas en satélites. Boardman también ve aplicaciones más cercanas a nuestras vidas, como el uso de baterías nucleares de la empresa en marcapasos o dispositivos portátiles. Él imagina un futuro en el que la gente conserve las baterías y reemplace los dispositivos, en lugar de la situación actual de reemplazar frecuentemente las baterías del mismo dispositivo. "Vas a reemplazar algunas alarmas contra incendios antes de reemplazar las baterías porque las baterías han sobrevivido al equipo", dijo Boardman.
No es sorprendente que la mayoría de la gente boicotee definitivamente las baterías nucleares porque creen que producen materiales radiactivos que son dañinos para el cuerpo. Pero el informe de riesgos para la salud de las baterías betavoltaicas se puede comparar con los riesgos para la salud de las "señales de salida", que utilizan una sustancia radiactiva llamada "tritio" para lograr su característica fluorescencia roja. A diferencia de los rayos gamma u otros tipos de radiación más peligrosos, las partículas beta sólo pueden detenerse atravesando un escudo de unos pocos milímetros de espesor. "Por lo general, las paredes de las celdas son suficientes para evitar cualquier fuga", dijo Lance Hubbard, científico de materiales del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste. "Esto hace que las baterías nucleares estén prácticamente libres de radiactividad y sean muy seguras para los humanos". Una batería nuclear se queda sin energía, se descompone hasta un estado estable, lo que significa que no quedan residuos nucleares en su interior.
La primera generación de células betavoltaicas apareció en los años 70, pero hasta hace poco nadie las utilizaba. Originalmente se utilizaron en marcapasos. En este caso, un paquete de energía defectuoso podría significar la diferencia entre la vida y la muerte hasta que finalmente sean reemplazados por alternativas más baratas de iones de litio. Hoy en día, la popularidad de los productos electrónicos de bajo consumo marca que las baterías nucleares han entrado en una nueva era. "Es una excelente opción de fuente de energía para dispositivos de muy bajo consumo; estamos hablando de microvatios, incluso picovatios", cree Hubbard: "El Internet de las cosas ha facilitado el renacimiento de estas fuentes de energía".
A La celda betavoltaica típica consiste en una fina capa de material radiactivo similar a una lámina intercalada entre semiconductores.
Su principio de generación de energía es que cuando la materia nuclear se desintegra naturalmente, se liberan electrones o positrones de alta energía llamados partículas beta. Estos electrones dispersan electrones en materiales semiconductores, generando así corriente eléctrica. En este sentido, una batería nuclear es similar a un panel solar, excepto que su semiconductor absorbe partículas beta en lugar de fotones.
Al igual que los paneles solares, las baterías nucleares tienen límites energéticos estrictos. Su densidad de potencia disminuirá a medida que la fuente de radiación se aleje del semiconductor. Por lo tanto, si el espesor de la capa de la batería supera unas pocas micras, la potencia de la batería disminuirá drásticamente. Además, las partículas beta se emiten aleatoriamente en todas direcciones, lo que significa que sólo una pequeña fracción de las partículas impactará realmente en el semiconductor y sólo una pequeña fracción se convertirá en electricidad. En cuanto a cuánta energía eléctrica puede convertir una celda de radiación nuclear, Hubbard dijo: "Actualmente, una eficiencia de alrededor del 7% es lo último en tecnología".
Este es el voltamperio "Betalight" de Arkenlight. celular, que integra un paquete de sensores. A diferencia de las baterías de carbono 14, "Betalight" es una batería nuclear tradicional "sándwich" hecha de tritio.
Esto está lejos de la eficiencia máxima teórica de las baterías nucleares (alrededor del 37%). Sin embargo, aquí es donde puede ayudar un isótopo radiactivo llamado carbono-14. El carbono-14 es mejor conocido por su papel en la datación por radiocarbono, que permite a los arqueólogos estimar la edad de artefactos antiguos, y también puede alimentar baterías nucleares, ya que puede usarse como fuente radiactiva y como semiconductor. También tiene una vida media de 5.700 años, lo que significa que una batería nuclear de carbono 14 podría, en principio, alimentar dispositivos electrónicos durante más tiempo que el lenguaje humano escrito.
Scott y sus colegas cultivaron diamantes artificiales de "carbono-14" inyectando metano en un plasma de hidrógeno en un reactor especial. A medida que el gas se ioniza, el metano se descompone y el carbono 14 se acumula en el sustrato del reactor y comienza a crecer en la red de diamantes. Sin embargo, Scott y sus colegas utilizaron este diamante radiactivo en una configuración tradicional de celda "sándwich", en la que la fuente radiactiva y el semiconductor son capas discretas. Además, solicitaron una patente para inyectar carbono-14 directamente en equipos de laboratorio para cultivar diamantes. Los diamantes fabricados de esta manera son similares a los que encontramos en nuestros anillos cotidianos. El resultado es un diamante de cristal con una estructura perfecta que minimiza la distancia de movimiento de las partículas beta y maximiza la eficiencia de las baterías nucleares.
"Hasta ahora, la fuente radiactiva se ha separado del diodo que recibe la fuente radiactiva y la convierte en energía eléctrica". Boardman dijo: "Esto es un gran avance".
Cuando el carbono-14 se forma naturalmente cuando los rayos cósmicos chocan con los átomos de nitrógeno en la atmósfera, pero también se produce como subproducto en los bloques de grafito que contienen las barras de control de los reactores nucleares. Estos cúmulos eventualmente se convertirán en desechos nucleares. Según Boardman, sólo en el Reino Unido hay casi 654,38 millones de toneladas de grafito irradiado. La Agencia de Energía Atómica del Reino Unido recuperó recientemente tritio, otro isótopo radiactivo utilizado en baterías nucleares, de 35 toneladas de bloques de grafito irradiados. El equipo de Arkenlight está trabajando con la agencia para desarrollar un proceso similar para recuperar carbono-14 de bloques de grafito.
Si Arkenlight tiene éxito, proporcionará un suministro casi inagotable de materias primas para la fabricación de baterías nucleares. Según la AEA británica, menos de 100 libras (unos 45,36 kilogramos) de carbono-14 son suficientes para fabricar millones de baterías nucleares. Además, al eliminar el carbono 14 radiactivo del bloque de grafito, se reducirá su calidad de residuo nuclear de alto a bajo nivel, lo que hará que sea más fácil de manejar y más seguro para el almacenamiento a largo plazo.
Actualmente, Arkenlight aún no ha producido baterías beta a partir de residuos nucleares modificados. Boardman dijo que la batería nuclear de diamante de la compañía necesitará varios años de refinamiento en el laboratorio antes de poder ponerse en uso. Pero la tecnología ya ha atraído el interés de las industrias espacial y nuclear. Boardman continuó diciendo que Arkenlight recibió recientemente un contrato de la Agencia Espacial Europea para desarrollar baterías de diamante para lo que él llama "etiquetas RFID de satélite" que pueden emitir señales de radio débiles e identificar satélites continuamente durante miles de años. Sin embargo, sus miras no se detuvieron en las baterías nucleares. Arkenlight también está desarrollando una batería de rayos gamma que puede absorber los rayos gamma emitidos por los depósitos de residuos nucleares y utilizarlos para generar electricidad.
El prototipo de batería gammavoltaica de Arkenlight convertirá los rayos gamma de los depósitos de residuos nucleares en electricidad.
Arkenlight no es la única empresa que trabaja en baterías nucleares. Empresas estadounidenses como City Labs y Widetronix llevan décadas desarrollando baterías de prueba. Estas empresas se centran en baterías nucleares en capas más tradicionales, que utilizan tritio como fuente de energía nuclear en lugar de diamante de carbono 14.
Michael Spencer, ingeniero eléctrico de la Universidad de Cornell y cofundador de Widetronix, dijo que los materiales radiactivos deben elegirse teniendo en cuenta su aplicación. Por ejemplo, el carbono 14 libera menos partículas beta que el tritio, pero su vida media es 500 veces más larga. De hecho, esto es una ventaja si necesita algo que dure para siempre, pero también significa que una batería nuclear de carbono 14 tendría que ser mucho más grande que una batería de tritio para proporcionar la misma cantidad de energía. "La elección del isótopo conlleva muchas compensaciones", dijo Spencer.
Si las baterías nucleares alguna vez fueron una tecnología marginal, ahora parecen estar listas para ingresar a la energía convencional. No necesariamente necesitamos (o queremos) que todos nuestros dispositivos electrónicos duren miles de años. Pero cuando hacemos eso, tenemos una batería que funciona todo el tiempo... y tal vez nuestra próxima, próxima, próxima generación seguirá funcionando.
Autor: GolevkaTech