Investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), el Instituto Tecnológico de Materiales de Carbono Superduro y Novedoso (TISNCM), y el MISIS de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología han optimizado el diseño de una batería nuclear que genera energía a partir de la desintegración beta del níquel-63, un isótopo radiactivo. Su nuevo prototipo de batería contiene alrededor de 3, 300 milivatios-hora de energía por gramo, que es más que en cualquier otra batería nuclear basada en níquel-63, y 10 veces más que la energía específica de las células químicas comerciales. El artículo fue publicado en la revista Diamante y materiales relacionados .

Baterías ordinarias que alimentan los relojes, linternas, juguetes y otros dispositivos eléctricos utilizan la energía de las llamadas reacciones químicas redox en las que los electrones se transfieren de un electrodo a otro a través de un electrolito. Esto da lugar a una diferencia de potencial entre los electrodos. Si los dos terminales de la batería están conectados por un conductor, los electrones comienzan a fluir para eliminar la diferencia de potencial, generando una corriente eléctrica. Baterías químicas, también conocidas como celdas galvánicas, se caracterizan por una alta densidad de potencia, es decir, la relación entre la potencia de la corriente generada y el volumen de la batería. Sin embargo, las células químicas se descargan en un tiempo relativamente corto, limitando sus aplicaciones en dispositivos autónomos. Algunas de estas baterías, llamados acumuladores, son recargables, pero incluso ellos necesitan ser reemplazados para cargarlos. Esto puede ser peligroso como en el caso de un marcapasos cardíaco, o incluso imposible, si la batería está alimentando una nave espacial.

Afortunadamente, Las reacciones químicas son solo una de las posibles fuentes de energía eléctrica. En 1913, Henry Moseley inventó el primer generador de energía basado en la desintegración radiactiva. Su batería nuclear consistía en una esfera de vidrio plateada en el interior con un emisor de radio montado en el centro sobre un electrodo aislado. Los electrones resultantes de la desintegración beta del radio provocaron una diferencia de potencial entre la película de plata y el electrodo central. Sin embargo, el voltaje inactivo del dispositivo era demasiado alto (decenas de kilovoltios) y la corriente era demasiado baja para aplicaciones prácticas.

En 1953, Paul Rappaport propuso el uso de materiales semiconductores para convertir la energía de la desintegración beta en electricidad. Las partículas beta (electrones y positrones) emitidas por una fuente radiactiva ionizan los átomos de un semiconductor, creando portadores de carga no compensados. En presencia de un campo estático de estructura p-n, las cargas fluyen en una dirección, resultando en una corriente eléctrica. Las baterías alimentadas por desintegración beta llegaron a conocerse como betavoltaicos. La principal ventaja de las células betavoltaicas sobre las células galvánicas es su longevidad. Los isótopos radiactivos utilizados en baterías nucleares tienen vidas medias que van desde decenas a cientos de años, por lo que su potencia de salida permanece casi constante durante mucho tiempo. Desafortunadamente, la densidad de potencia de las células betavoltaicas es significativamente menor que la de sus homólogas galvánicas. A pesar de esto, Los betavoltaicos se utilizaron en la década de 1970 para alimentar marcapasos cardíacos, antes de ser eliminado por baterías de iones de litio más baratas, aunque estos últimos tienen una vida útil más corta.

Las fuentes de energía betavoltaica no deben confundirse con los generadores termoeléctricos de radioisótopos, o RTG, que también se llaman baterías nucleares, pero operan con un principio diferente. Las células termoeléctricas convierten el calor liberado por la desintegración radiactiva en electricidad mediante termopares. La eficiencia de los RTG es solo de varios por ciento y depende de la temperatura. Pero debido a su longevidad y diseño relativamente simple, Las fuentes de energía termoeléctrica se utilizan ampliamente para impulsar naves espaciales como la sonda New Horizons y el rover de Marte Curiosity. Los RTG se usaban anteriormente en instalaciones remotas no tripuladas, como faros y estaciones meteorológicas automáticas. Sin embargo, esta práctica fue abandonada, porque el combustible radiactivo usado era difícil de reciclar y se filtraba al medio ambiente.

Un equipo de investigación dirigido por Vladimir Blank, el director de TISNCM y presidente de física y química de nanoestructuras en MIPT, ideó una forma de aumentar la densidad de potencia de una batería nuclear casi diez veces. Los físicos desarrollaron y fabricaron una batería betavoltaica utilizando níquel-63 como fuente de radiación y diodos de diamante de barrera Schottky para la conversión de energía. La batería prototipo alcanzó una potencia de salida de aproximadamente 1 microvatio, mientras que la densidad de potencia por centímetro cúbico era de 10 microvatios, que es suficiente para un marcapasos artificial moderno. El níquel-63 tiene una vida media de 100 años, por lo que la batería contiene alrededor de 3, 300 milivatios-hora de energía por 1 gramo, 10 veces más que las celdas electroquímicas.

El prototipo de batería nuclear constaba de 200 convertidores de diamante intercalados con níquel-63 y capas de lámina de níquel estable (figura 1). La cantidad de energía generada por el convertidor depende del grosor de la lámina de níquel y del propio convertidor, porque ambos afectan la cantidad de partículas beta que se absorben. Los prototipos de baterías nucleares disponibles actualmente están mal optimizados, ya que tienen un volumen excesivo. Si la fuente de radiación beta es demasiado espesa, los electrones que emite no pueden escapar. Este efecto se conoce como autoabsorción. Sin embargo, a medida que la fuente se hace más delgada, el número de átomos que experimentan desintegración beta por unidad de tiempo se reduce proporcionalmente. Se aplica un razonamiento similar al grosor del convertidor.

El objetivo de los investigadores era maximizar la densidad de potencia de su batería de níquel-63. Para hacer esto, simularon numéricamente el paso de electrones a través de la fuente beta y los convertidores. Resultó que la fuente de níquel-63 es más efectiva cuando tiene 2 micrómetros de espesor, y el grosor óptimo del convertidor basado en diodos de diamante de barrera Schottky es de alrededor de 10 micrómetros.

Tecnología de fabricación

El principal desafío tecnológico fue la fabricación de una gran cantidad de celdas de conversión de diamantes con una estructura interna compleja. Cada convertidor tenía apenas decenas de micrómetros de espesor, como una bolsa de plástico en un supermercado. Las técnicas convencionales mecánicas e iónicas de adelgazamiento de diamantes no eran adecuadas para esta tarea. Los investigadores de TISNCM y MIPT desarrollaron una tecnología única para sintetizar placas de diamante delgadas en un sustrato de diamante y dividirlas para producir convertidores ultrafinos de producción masiva.

El equipo utilizó como sustrato 20 placas de cristal de diamante dopadas con boro. Se cultivaron utilizando la técnica de gradiente de temperatura a alta presión. La implantación de iones se utilizó para crear un defecto de 100 nanómetros de espesor, capa "dañada" en el sustrato a una profundidad de unos 700 nanómetros. Se hizo crecer una película de diamante dopada con boro de 15 micrómetros de espesor encima de esta capa usando deposición química en fase de vapor. Luego, el sustrato se sometió a un recocido a alta temperatura para inducir la grafitización de la capa defectuosa enterrada y recuperar la capa superior de diamante. Se utilizó grabado electroquímico para eliminar la capa dañada. Después de la separación de la capa defectuosa por grabado, el convertidor semiacabado estaba equipado con contactos óhmicos y Schottky.

A medida que se repitieron las operaciones, la pérdida de espesor del sustrato ascendió a no más de 1 micrómetro por ciclo. Se cultivaron un total de 200 convertidores en 20 sustratos. Esta nueva tecnología es importante desde el punto de vista económico, debido a que los sustratos de diamante de alta calidad son muy costosos y, por lo tanto, la producción en masa de convertidores mediante el adelgazamiento del sustrato no es factible.

Todos los convertidores se conectaron en paralelo en una pila como se muestra en la figura 1. La tecnología para enrollar láminas de níquel de 2 micrómetros de espesor se desarrolló en el Instituto de Investigación y la Asociación Científica Industrial LUCH. La batería se selló con epoxi.

La batería prototipo se caracteriza por la curva corriente-voltaje que se muestra en la figura 3a. El voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito son 1.02 voltios y 1.27 microamperios, respectivamente. La potencia de salida máxima de 0,93 microvatios se obtiene a 0,92 voltios. Esta potencia de salida corresponde a una potencia específica de aproximadamente 3, 300 milivatios-hora por gramo, que es 10 veces más que en las celdas químicas comerciales o la anterior batería nuclear de níquel-63 diseñada en TISNCM.

En 2016, Los investigadores rusos de MISIS ya habían presentado un prototipo de batería betavoltaica basada en níquel-63. Otro prototipo funcional, creado en TISNCM y LUCH, se demostró en Atomexpo 2017. Tenía un volumen útil de 1,5 centímetros cúbicos.

El principal revés en la comercialización de baterías nucleares en Rusia es la falta de instalaciones de producción y enriquecimiento de níquel-63. Sin embargo, Hay planes para lanzar la producción de níquel-63 a escala industrial a mediados de la década de 2020.

Existe un radioisótopo alternativo para su uso en baterías nucleares:los convertidores Dimond podrían fabricarse utilizando carbono-14 radiactivo, que tiene una vida media extremadamente larga de 5, 700 años. El trabajo en tales generadores fue informado anteriormente por físicos de la Universidad de Bristol.

Baterías nucleares:perspectivas

El trabajo reportado en esta historia tiene perspectivas de aplicaciones médicas. La mayoría de los marcapasos cardíacos de última generación miden más de 10 centímetros cúbicos y requieren aproximadamente 10 microvatios de potencia. Esto significa que la nueva batería nuclear podría usarse para alimentar estos dispositivos sin ningún cambio significativo en su diseño y tamaño. Los "marcapasos perpetuos" cuyas baterías no necesitan ser reemplazadas o reparadas mejorarían la calidad de vida de los pacientes.

La industria espacial también se beneficiaría enormemente de las baterías nucleares compactas. En particular, Existe una demanda de sensores externos inalámbricos autónomos y chips de memoria con sistemas integrados de suministro de energía para naves espaciales. El diamante es uno de los semiconductores más resistentes a la radiación. Dado que también tiene una gran brecha de banda, puede funcionar en una amplia gama de temperaturas, lo que lo convierte en el material ideal para baterías nucleares que alimentan naves espaciales.

Los investigadores planean continuar su trabajo sobre baterías nucleares. Han identificado varias líneas de investigación que deben seguirse. Primeramente, el enriquecimiento de níquel-63 en la fuente de radiación aumentaría proporcionalmente la energía de la batería. En segundo lugar, El desarrollo de una estructura de diamante p-i-n con un perfil de dopaje controlado aumentaría el voltaje y, por lo tanto, podría aumentar la potencia de salida de la batería al menos en un factor de tres. En tercer lugar, mejorar el área de la superficie del convertidor aumentaría el número de átomos de níquel-63 en cada convertidor.

Vladimir Blank, director de TISNCM, quien también es presidente de física y química de nanoestructuras en MIPT, comentó sobre el estudio:"Los resultados hasta ahora son bastante notables y pueden aplicarse en medicina y tecnología espacial, pero estamos planeando hacer más. En los años recientes, nuestro instituto ha tenido bastante éxito en la síntesis de diamantes dopados de alta calidad, particularmente aquellos con conductividad de tipo n. Esto nos permitirá hacer la transición de las barreras Schottky a las estructuras p-i-n y así lograr tres veces más energía de la batería. Cuanto mayor sea la densidad de potencia del dispositivo, cuantas más aplicaciones tendrá. Tenemos capacidades decentes para la síntesis de diamantes de alta calidad, por lo que planeamos utilizar las propiedades únicas de este material para crear nuevos componentes electrónicos a prueba de radiación y diseñar nuevos dispositivos electrónicos y ópticos ".