Introducción a la patente de Diamond House
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 "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 prueba 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. "Normalmente, las paredes de las celdas son suficientes para evitar cualquier fuga", dijo Lance Hubbard, científico de materiales del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. "Esto hace que las baterías nucleares estén prácticamente libres de radiactividad y sean muy seguras para los humanos".
Además, añadió que cuando 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 baterías beta voltaicas apareció en el siglo XX. En la década de 1970, pero hasta hace poco, nadie los utilizaba originalmente en marcapasos, donde un paquete de energía defectuoso podía significar la diferencia entre la vida y la muerte, hasta que finalmente fueron reemplazados por alternativas más baratas de iones de litio. La proliferación de productos electrónicos de bajo consumo marca una nueva era para las baterías nucleares. “Son una excelente opción de fuente de energía para dispositivos de muy bajo consumo: estamos hablando de microvatios, incluso picovatios. Hubbard cree: “El Internet de las cosas ha facilitado el renacimiento de estas fuentes de energía. ”
Una celda beta voltaica típica consiste en una fina capa similar a una lámina de material radiactivo intercalada entre semiconductores. Genera electricidad emitiendo partículas de alta energía llamadas partículas beta cuando la materia nuclear se desintegra naturalmente. , dispersan electrones de un material semiconductor, creando una 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 células nucleares. estrictas limitaciones de energía. Su densidad de potencia disminuye a medida que la fuente de radiación se aleja del semiconductor, por lo que la potencia de la celda cae dramáticamente si el espesor de la capa celular excede unas pocas micras. Además, las partículas beta se emiten aleatoriamente en todas direcciones. , lo que significa que solo una pequeña fracción de las partículas realmente golpeará el semiconductor, y solo una pequeña fracción se convertirá en electricidad. En cuanto a cuánta electricidad puede convertir una celda de radiación nuclear, dijo Hubbard, “la eficiencia actual es de alrededor de 7. % es lo último en tecnología. ”
Se trata de la celda voltamétrica “Betalight” de Arkenlight, 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, que es de alrededor del 37%. Sin embargo, aquí es donde un isótopo radiactivo llamado "carbono-14" es más conocido por su papel en la datación por radiocarbono. 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. Su vida media también es de 5.700 años, lo que significa que las baterías nucleares de carbono-14. En principio, puede alimentar dispositivos electrónicos durante más tiempo que el lenguaje escrito humano.
Scott y sus colegas descubrieron que un reactor especial inyecta metano en un plasma de hidrógeno para cultivar diamantes artificiales de "carbono-14" cuando el gas se ioniza. , el metano se descompone y el carbono-14 se acumula en el sustrato del reactor y comienza a formarse en cristales de diamante que crecen en una red. Sin embargo, Scott y sus colegas utilizaron este diamante radiactivo en una configuración tradicional de celda "sándwich". en el que la fuente radiactiva y el semiconductor son capas discretas. Una patente para inyectar carbono-14 directamente en equipos de laboratorio para cultivar diamantes. El resultado es un diamante cristalino con una estructura perfecta que imita el movimiento de las partículas beta y maximiza la eficiencia de la batería nuclear. /p>
“Hasta ahora, la fuente radiactiva estaba separada del diodo que recibe la fuente radiactiva y la convierte en electricidad. "Fue un gran avance", dijo Boardman. "
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 grupos de grafito que contienen las barras de control de los reactores nucleares. Estos grupos eventualmente convertirse en desechos nucleares. Según Boardman, solo en el Reino Unido se encuentran 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 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 fabricar baterías nucleares. AEA, menos de 100 libras (aproximadamente 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 degradará a partir de desechos nucleares altamente radiactivos. -Residuos nucleares radiactivos de bajo nivel, haciéndolos más fáciles de manejar y más seguros para su almacenamiento a largo plazo.
Actualmente, Arkenlight aún no ha producido baterías beta a partir de residuos nucleares modificados. Boardman dijo que la batería de diamante nuclear de la compañía necesitará varios años de refinamiento en el laboratorio antes de poder usarse. 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