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Hace poco, la startup china Betavolt anunció que había desarrollado una batería nuclear con una vida útil de 50 años. Aunque la tecnología de las baterías nucleares está disponible desde la década de 1950, los esfuerzos actuales por electrificar y descarbonizar han dado aún más impulso a los proyectos dirigidos a encontrar fuentes de alimentación sostenibles y almacenamiento energético fiable. Como resultado, algunas innovaciones, como las de Betavolt, están devolviendo el foco al uso de la energía nuclear en las baterías.
Las baterías nucleares —aquellas que utilizan el decaimiento natural del material radiactivo para crear una corriente eléctrica— se usan en aplicaciones espaciales y operaciones remotas, como los faros del Ártico, en las que cambiar una batería resulta difícil, cuando no imposible. El robot explorador de Mars Science Laboratory, por ejemplo, usa sistemas de producción de energía de radioisótopos (RPS) que convierten el calor del decaimiento radiactivo en electricidad con la ayuda de un generador termoeléctrico. La innovación de Betavolt, sin embargo, es una batería betavoltaica que usa partículas beta en lugar de calor como fuente de energía.
Aún habrá que esperar para que estas baterías de larga duración lleguen a los dispositivos de uso común. Para entender por qué, veamos algunas de sus principales limitaciones. La larga vida útil de las baterías betavoltaicas se ve contrarrestada por su producción de potencia por unidad de masa o densidad de potencia, que es relativamente baja. La densidad de potencia de las baterías betavoltaicas actuales es tan baja que no pueden alimentar un teléfono móvil o un portátil.
Hay otros problemas que dificultan un uso generalizado de estos y otros tipos de baterías nucleares, en particular los relacionados con las existencias de materiales y con la inquietud que despierta el uso de materiales radiactivos. A pesar de todo, la ciencia física y de materiales en la que se basa esta tecnología puede abrir la puerta a importantes avances en el campo de la energía sin emisiones de CO2 y suministrar energía en aplicaciones para las que las tecnologías de almacenamiento disponibles actualmente no bastan.
¿Cómo funcionan las baterías betavoltaicas?
Las baterías betavoltaicas contienen emisores radiactivos y absorbentes semiconductores. Cuando se produce el decaimiento natural en el material emisor, se liberan partículas beta —electrones de alta velocidad— que impactan en el material absorbente de la batería y separan los electrones de los núcleos atómicos en el absorbente semiconductor. La separación de los pares electrón-hueco resultantes genera una corriente eléctrica en el absorbente, lo que produce energía eléctrica que puede suministrada por la batería.
El proceso, sin embargo, no tiene la escala de una central nuclear grande. Los emisores y los absorbentes son películas finas emparedadas dentro de las baterías, que, como en el caso de la de Betavolt, tienen el tamaño de una moneda o de un caramelo. Esto se debe a que la mayoría de las partículas beta se absorbe y su energía se convierte en electricidad cerca de la superficie del absorbente.
Un proceso similar a este produce las corrientes eléctricas en los paneles solares con células fotovoltaicas. En esa aplicación, los fotones del sol desplazan a los electrones y forman pares electrón-hueco en el absorbente, mientras que las partículas betas generadas por el decaimiento radiactivo son las responsables de ese proceso en una batería betavoltaica.
Desafíos de las baterías nucleares
A causa de las limitaciones físicas del proceso de decaimiento y la conversión de las partículas beta en electricidad, estas baterías solo producen una cantidad muy pequeña de potencia, del orden de microvatios. Como se muestra en la figura 1, las baterías betavoltaicas tienen una densidad de potencia muy baja, pero tienen una densidad energética —la energía total que la batería contiene por unidad de masa— extremadamente alta si se comparan con otros tipos de baterías.
La elevada densidad energética de las baterías betavoltaicas se debe a que los emisores radiactivos decaen lentamente a lo largo del tiempo, de modo que la reacción emite electrones durante muchos años. Su vida útil se mide con una propiedad conocida como semivida, que es la cantidad de tiempo que tardan en llegar a la mitad de la intensidad inicial de emisión de partículas beta. Los emisores más habituales en las baterías betavoltaicas tienen semividas que van de 2,5 a 100 años.
Se necesitarían pilas extremadamente grandes de baterías fotovoltaicas para producir vatios o kilovatios de potencia. Con la tecnología actual, el coste de crear baterías de ese tamaño sería prohibitivo. Uno de los principales motivos es que los emisores no se componen de sustancias presentes en la naturaleza. En lugar de eso, estos materiales radiactivos se sintetizan artificialmente y el coste de desarrollar baterías grandes para aplicaciones que requieran más potencia es inasumible.
Sin embargo, las baterías betavoltaicas se han usado en marcapasos y en otros dispositivos pequeños. Con el crecimiento reciente de los dispositivos corporales o wearables y los dispositivos domésticos inteligentes, se han disparado las aplicaciones potenciales gracias a la creación eficaz de pares de emisores y absorbentes.
Los emisores y absorbentes impulsan la tecnología betavoltaica
Encontrar fuentes de energía de larga duración sin emisiones de carbono es vital y, aunque las baterías betavoltaicas no pueden alimentar edificios enteros, entender la relación existente entre los materiales que pueden producir energía continua puede abrir la puerta a nuevas posibilidades. Un análisis de CAS Content CollectionTM, la mayor recopilación de información científica publicada seleccionada por expertos, nos permite identificar los materiales prometedores y las tendencias de investigación.
El emisor de partículas beta más común en la literatura es el níquel-63, un isótopo del elemento níquel que tiene una semivida de unos 100 años (véase la figura 2). Le siguen el hidrógeno-3 o tritio, que suele estar incorporado en el material de estado sólido trituro de titanio. El prometio-147 aparece también en nuestro análisis, aunque se cita con menos frecuencia y no ha experimentado un crecimiento comparable al de otros materiales emisores (figura 3).
Entre los absorbentes, el más citado es el silicio, que es el material más habitual en los dispositivos semiconductores (véase la figura 4). El uso del silicio en las células solares también demuestra su utilidad y su escalabilidad en estos tipos de aplicaciones de generación de corriente.
Otros materiales que se citan con frecuencia son el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN) y el arseniuro de galio (GaAs). Estos materiales tienen una banda prohibida grande, lo que aumenta la eficiencia de la conversión de partículas beta a electricidad. También ofrecen una buena resistencia a la degradación causada por la radiación de partículas beta (que también se conoce como "resistencia a la radiación"), lo que mejora la vida útil y la estabilidad del dispositivo. Estas dos propiedades son esenciales para los materiales absorbentes.
Llama la atención que el diamante también se encuentre entre los materiales absorbentes más investigados. En este caso se trata de la película de diamante sintético, no de las gemas naturales, pero también es eficaz como absorbente por su gran banda prohibida y su elevada resistencia a la radiación.
Nuestro análisis muestra que 63Ni-silicio es el par emisor-absorbente más común en las investigaciones. Más allá de estos materiales, la frecuencia de los pares emisor-absorbente se corresponde de forma aproximada con la frecuencia de los distintos materiales emisores y absorbentes en la literatura. Esto sugiere que los investigadores están probando actualmente muchas combinaciones de materiales (véase la figura 6).
Aplicaciones futuras de la tecnología de baterías nucleares
Si las baterías betavoltaicas logran aumentar su densidad de potencia y resolver los problemas relacionados con el tamaño y el coste, podrían alimentar dispositivos durante muchos años sin necesidad de ser reemplazadas. Como la profundidad de penetración de la radiación beta es relativamente baja, los emisores son más seguros que otros tipos de materiales radiactivos y se pueden blindar con materiales sencillos para que sean adecuados para los consumidores.
Un equipo de investigadores del Reino Unido ha desarrollado incluso una batería betavoltaica que usa carbono-14 procedente de residuos nucleares. Incrustaron el carbono-14 en el diamante para maximizar la eficiencia, en lugar de mantener el emisor y el absorbente en capas separadas. Si se producen a escala, podrían contribuir a resolver los problemas asociados con los residuos radiactivos y proporcionar una potencia uniforme a largo plazo.
Otra posible innovación consiste en usar nanomateriales como los nanotubos de carbono o las estructuras de nanoporos para aumentar el área superficial de los absorbentes. Esto permitiría generar y separar de manera eficiente más pares electrón-hueco y, por tanto, producir una corriente más alta sin aumentar el tamaño de la batería hasta un límite insostenible. Esta técnica consistente en aumentar el área superficial con la ayuda de nanomateriales se ha aplicado a las células solares y a baterías electroquímicas como las de iones de litio.
Si los investigadores logran controlar esta capacidad en las baterías betavoltaicas, sería posible usar este tipo de almacenamiento de energía en nuevas aplicaciones, lo que podría llevar a avances en el campo de la energía renovable y el almacenamiento de energía para impulsar la descarbonización. Para obtener más información sobre las oportunidades futuras en el ámbito de la energía verde, consulte nuestro artículo reciente sobre las tendencias de investigación con un crecimiento más rápido, los avances en el reciclaje de baterías de iones de litio y los componentes esenciales para crear economías del hidrógeno verde.
