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A startup chinesa Betavolt anunciou recentemente que desenvolveu uma bateria nuclear com vida útil de 50 anos. Embora a tecnologia das baterias nucleares esteja disponível desde a década de 1950, o esforço atual para eletrificar e descarbonizar aumenta o ímpeto para encontrar fontes de energia livres de emissões e que armazenam energia de maneira confiável. Como consequência, inovações como a da Betavolt estão proporcionando uma renovação no foco para usar energia nuclear em baterias.
As baterias nucleares, que utilizam o decaimento natural de material radioativo para criar uma corrente elétrica, são utilizadas em aplicações espaciais ou operações remotas, como faróis árticos, onde trocar uma bateria é difícil ou até mesmo impossível. O rover da Mars Science Laboratory, por exemplo, usa sistemas de energia radioisotópica (RPS), que convertem o calor do decaimento radioativo em eletricidade por meio de um gerador termoelétrico. A inovação da Betavolt, no entanto, é uma bateria betavoltaica que usa partículas beta em vez de calor como fonte de energia.
Antes de criar a expectativa de encontrar essas baterias de longa duração em dispositivos comuns, é importante compreender algumas vantagens importantes. A longa vida útil das baterias betavoltaicas é contrabalançada pela sua relativamente baixa potência por unidade de massa, conhecida como densidade de potência. A densidade de potência das baterias betavoltaicas atuais é tão baixa que elas não conseguem alimentar um telefone celular ou notebook.
Existem desafios adicionais que dificultam a utilização mais ampla desses e de todos os tipos de baterias nucleares, particularmente o fornecimento de materiais e o desconforto com o uso de materiais radioativos. No entanto, a ciência física e dos materiais por trás dessa tecnologia poderia viabilizar avanços importantes para a energia livre de CO2 e fornecer energia para aplicações onde as tecnologias de armazenamento de energia atualmente disponíveis são insuficientes.
Como funcionam as baterias betavoltaicas?
As baterias betavoltaicas contêm emissores radioativos e absorvedores semicondutores. À medida que o material emissor decai naturalmente, ele libera partículas beta, ou elétrons de alta velocidade, que atingem o material absorvedor da bateria, separando os elétrons dos núcleos atômicos no absorvedor semicondutor. A separação dos pares elétron-buraco resultantes gera uma corrente elétrica no absorvedor, resultando em energia elétrica que pode ser fornecida pela bateria.
Contudo, o processo não está na escala de uma grande usina nuclear. Emissores e absorvedores são películas finas imprensadas dentro das baterias, que, como as da Betavolt, são do tamanho de uma moeda ou de uma bala. Isso ocorre porque a maioria das partículas beta são absorvidas e a sua energia é convertida em eletricidade próximo da superfície do absorvedor.
Um processo similar produz correntes elétricas em painéis solares com células fotovoltaicas. Nessa aplicação, os fótons do Sol desalojam os elétrons, formando pares de elétron-buraco no absorvedor, enquanto as partículas beta geradas pelo decaimento radioativo natural são responsáveis por esse processo em uma bateria betavoltaica.
Os desafios das baterias nucleares
Devido às limitações físicas do processo de decaimento e à conversão de partículas beta em eletricidade, essas baterias produzem apenas uma pequena quantidade de energia, da ordem de microwatts. Conforme mostra a Figura 1, as baterias betavoltaicas têm densidade de potência muito baixa, mas oferecem densidade de energia extremamente alta, ou a energia total que a bateria contém por unidade de massa, em comparação com outros tipos de baterias.
As betavoltaicas têm uma densidade de energia tão alta porque os emissores radioativos decaem lentamente ao longo do tempo, fazendo com que a reação emita elétrons por muitos anos. Sua vida útil é medida pela meia-vida, que é a quantidade de tempo que levam para atingir metade da intensidade inicial de emissão de partículas beta. Os emissores mais comuns em baterias betavoltaicas têm meia-vida de 2,5 a 100 anos.
Seriam necessárias pilhas extremamente grandes de baterias betavoltaicas para produzir watts ou quilowatts de energia. O custo para produzir baterias desse tamanho é proibitivo com a tecnologia atual. Uma das principais razões é que os emissores não são feitos de substâncias naturais. Pelo contrário, o material radioativo deve ser sintetizado artificialmente, e o custo para desenvolver grandes baterias para aplicações de maior potência é inviável.
No entanto, baterias betavoltaicas são utilizadas em marcapassos e outros dispositivos pequenos. Com o recente crescimento de dispositivos vestíveis e domésticos inteligentes, hoje há mais aplicações possíveis do que nunca, devido ao emparelhamento bem-sucedido de emissores e absorvedores.
A tecnologia de emissores e absorvedores de energia betavoltaica
Fornecer fontes de energia livres de carbono a longo prazo é vital e, embora as baterias betavoltaicas possam não alimentar edifícios inteiros, compreender a relação entre os materiais que podem gerar energia contínua abre novas possibilidades. Ao analisar o CAS Content CollectionTM, a maior coleção do mundo de informações científicas publicadas com curadoria humana, podemos identificar materiais e tendências de pesquisa promissores.
O emissor de partículas beta mais comum que vemos na literatura é o níquel-63, um isótopo do elemento níquel que tem meia-vida de cerca de 100 anos (consultar Figura 2). Em seguida vem o hidrogênio-3 ou trítio, que é frequentemente incorporado no material de estado sólido triteto de titânio. O promécio-147 também aparece frequentemente em nossa análise, mas é menos citado e não teve o mesmo crescimento que outros materiais emissores (Figura 3).
Para absorvedores, o material mais citado é o silício, que é o material mais comum em dispositivos semicondutores (consultar Figura 4). O uso do silício em células solares também demonstra a sua utilidade e escalabilidade nesses tipos de aplicações de geração de corrente.
Outros materiais frequentemente citados incluem carboneto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN) e arsenieto de gálio (GaAs). Esses materiais apresentam uma grande lacuna de banda, o que aumenta a eficiência da conversão de partículas beta em eletricidade. Eles também apresentam boa resistência à degradação pela radiação de partículas beta (também conhecida como dureza de radiação), que melhora a vida útil e a estabilidade do dispositivo. Essas duas propriedades são fundamentais para materiais absorvedores.
Notavelmente, também vemos o diamante como um material absorvedor bastante pesquisado. Trata-se de um filme de diamante sintético, não de pedras naturais, mas também é eficaz como absorvedor devido ao seu grande intervalo de bandas e alta dureza de radiação.
Nossa análise mostra que o silício 63Ni é o par emissor-absorvedor mais comum pesquisado no momento. Além desses materiais, a frequência dos pares emissor-absorvedor corresponde aproximadamente à frequência dos materiais emissores e absorvedores individuais na literatura. Isso sugere que os pesquisadores estão atualmente testando muitas combinações de materiais (consultar Figura 6).
Aplicações futuras da tecnologia de baterias nucleares
Se for possível aumentar a densidade de energia das baterias betavoltaicas e, ao mesmo tempo, gerenciar desafios de tamanho e custo, essas baterias poderão alimentar dispositivos por muitos anos sem ser substituídas. Como a profundidade de penetração da radiação beta é relativamente pequena, os emissores são mais seguros do que outros tipos de materiais radioativos e podem ser protegidos com materiais simples para torná-los apropriados para uso pelos consumidores.
Pesquisadores do Reino Unido até desenvolveram uma bateria betavoltaica usando carbono-14 radioativo de resíduo nuclear. Eles incorporaram o carbono-14 no diamante para maximizar a eficiência, em vez de manter o emissor e o absorvedor em camadas separadas. Se produzidos em escala, eles podem ajudar a resolver problemas com resíduos radioativos, ao mesmo tempo que fornecem energia consistente e de longo prazo.
Outra inovação possível é usar nanomateriais, como nanotubos de carbono ou estruturas nanoporosas, para aumentar a área superficial dos absorvedores. Isso permitiria que gerassem e separassem com eficiência mais pares elétron-buraco e, portanto, produzissem uma corrente mais forte, sem aumentar o tamanho da bateria a um grau insustentável. O aumento da área de superfície usando nanomateriais tem sido aplicado a células solares e baterias eletroquímicas, como as de íons de lítio.
Se os pesquisadores conseguirem dominar essa capacidade nas baterias betavoltaicas, esse tipo de armazenamento de energia ampliaria ainda mais as aplicações e levaria a possíveis avanços nas energias renováveis e no armazenamento de energia para dar suporte à descarbonização. Para saber mais sobre oportunidades futuras em energia verde, consulte nosso recente artigo sobre tendências de pesquisas de crescimento mais rápido, avanços na reciclagem de baterias de íons de lítio e elementos essenciais para economias de hidrogênio verde.
