Batería atómica

Un convertidor termoiónico (TEC) consta de un electrodo caliente que emite electrones termoiónicamente a través de una barrera de carga espacial hacia un electrodo más frío, produciendo una potencia útil. El vapor de cesio se utiliza comúnmente para optimizar las funciones de trabajo de los electrodos y proporcionar un suministro de iones (por ionización superficial ) para neutralizar la carga espacial de los electrones . ^{[ 17 ]} Sin embargo, aún se encuentra en fase experimental y no se utiliza plenamente con fines comerciales debido a su baja eficiencia y densidad de potencia, su baja función de trabajo y las limitaciones de los materiales que soportan altas temperaturas. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) produce electricidad mediante el efecto Seebeck utilizando termopares . ^{[ 20 ]} Cada termopar está formado por dos cables de metales diferentes (u otros materiales). Un gradiente de temperatura a lo largo de cada cable produce un gradiente de voltaje de un extremo al otro; sin embargo, los diferentes materiales producen voltajes distintos por grado de diferencia de temperatura. Al conectar los cables en un extremo, calentando ese extremo y enfriando el otro, se genera un voltaje útil, aunque pequeño (en milivoltios), entre los extremos no conectados. En la práctica, muchos termopares se conectan en serie (o en paralelo) para generar un voltaje (o corriente) mayor a partir de la misma fuente de calor, mientras el calor fluye de los extremos calientes a los fríos. Los termopares metálicos tienen una baja eficiencia de conversión térmica a eléctrica. Sin embargo, la densidad de portadores y la carga se pueden ajustar en materiales semiconductores como el telururo de bismuto y el silicio-germanio para lograr eficiencias de conversión mucho mayores. ^{[ 21 ]} Ayodele, Luta y Kahn mencionan el amplio uso de RTG como resultado de su "ausencia de residuos tóxicos, compacto, extremadamente confiable, simple, independiente de la posición, escalable, funcionamiento silencioso y prácticamente libre de mantenimiento" (Ayodele, Luta y Kahn 4422). ^{[ 22 ] [ 23 ]} Por otro lado, una de las limitaciones de RTG es su baja eficiencia. ^{[ 24 ]} A pesar de haber sido desarrollado por la NASA, actualmente no se utiliza con fines comerciales, sino más bien para misiones espaciales y proyectos de defensa. ^{[ 25 ]}

Las celdas termofotovoltaicas (TPV) funcionan según los mismos principios que una celda fotovoltaica , excepto que convierten la luz infrarroja (en lugar de la luz visible ) emitida por una superficie caliente en electricidad. ^{[ 26 ]} Sin embargo, aún se encuentran en fase experimental y no se utilizan plenamente con fines comerciales debido a su eficiencia y densidad de potencia insuficientes, su alto costo de materiales y su incompatible escalabilidad, longevidad y confiabilidad (Datas et al.) ^{[ 27 ]}

Un generador de radioisótopos Stirling es un motor Stirling impulsado por la diferencia de temperatura producida por un radioisótopo. La NASA estaba desarrollando una versión más eficiente, el generador avanzado de radioisótopos Stirling , pero el proyecto se canceló en 2013 debido a los elevados sobrecostos. ^{[ 28 ]}

Se puede extraer energía de las partículas cargadas emitidas cuando su carga se acumula en un conductor , creando así un potencial electrostático . Sin disipación, el voltaje puede aumentar hasta alcanzar la energía de las partículas radiactivas, que puede variar desde varios kilovoltios (para la radiación beta) hasta megavoltios (radiación alfa). La energía electrostática acumulada se puede convertir en electricidad utilizable de una de las siguientes maneras:

Un dispositivo radiovoltaico (RV) convierte la energía de la radiación ionizante directamente en electricidad mediante una unión semiconductora , de forma similar a la conversión de fotones en electricidad en una célula fotovoltaica . Según el tipo de radiación que se analiza, estos dispositivos se denominan alfavoltaicos (AV, αV), betavoltaicos (BV, βV) o gammavoltaicos (GV, γV). Los dispositivos betavoltaicos han recibido tradicionalmente mayor atención, ya que los emisores beta (de baja energía) causan el menor daño radiactivo, lo que permite una vida útil más prolongada y requiere menos blindaje. El interés en los dispositivos alfavoltaicos y (más recientemente) gammavoltaicos se debe a su potencial mayor eficiencia.

En un dispositivo radiofotovoltaico (RPV) , la conversión de energía es indirecta: las partículas emitidas se convierten primero en luz mediante un material radioluminiscente (un centelleador o fósforo ), y luego la luz se convierte en electricidad mediante una célula fotovoltaica . Dependiendo del tipo de partícula objetivo, el tipo de conversión se puede especificar con mayor precisión como fotovoltaica alfa (APV o α-PV), ^{[ 42 ]} fotovoltaica beta (BPV o β-PV) ^{[ 43 ]} o fotovoltaica gamma (GPV o γ-PV). ^{[ 44 ]}

La conversión radiofotovoltaica se puede combinar con la conversión radiovoltaica para aumentar la eficiencia de conversión. ^{[ 45 ]}

Medtronic y Alcatel desarrollaron un marcapasos alimentado por plutonio , el Numec NU-5, alimentado por un slug de 2,5 Ci de plutonio 238, implantado por primera vez en un paciente humano en 1970. Se espera que los 139 marcapasos nucleares Numec NU-5 implantados en la década de 1970 nunca necesiten ser reemplazados, una ventaja sobre los marcapasos no nucleares, que requieren el reemplazo quirúrgico de sus baterías cada 5 a 10 años. Se espera que las "baterías" de plutonio produzcan suficiente energía para impulsar el circuito durante más tiempo que la vida media de 88 años del plutonio-238. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} La última de estas unidades se implantó en 1988, cuando los marcapasos alimentados por litio, que tenían una vida útil esperada de 10 años o más sin las desventajas de las preocupaciones sobre la radiación y los obstáculos regulatorios, estuvieron disponibles.

Las baterías betavoltaicas también se están considerando como fuentes de energía de larga duración para marcapasos sin plomo. ^{[ 51 ]}

En el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), ingenieros nucleares de la Universidad de Wisconsin-Madison han explorado las posibilidades de producir baterías minúsculas que aprovechan núcleos radiactivos de sustancias como el polonio o el curio para generar energía eléctrica. Como ejemplo de una aplicación integrada y autoalimentada, los investigadores han creado una viga en voladizo oscilante capaz de oscilar de forma constante y periódica durante periodos muy prolongados sin necesidad de recarga. Los trabajos en curso demuestran que esta viga en voladizo es capaz de transmitir radiofrecuencia, lo que permite que los dispositivos MEMS se comuniquen entre sí de forma inalámbrica.

Estas microbaterías son muy ligeras y proporcionan suficiente energía para funcionar como fuente de alimentación para su uso en dispositivos MEMS y, además, para alimentar nanodispositivos. ^{[ 52 ]}

La energía de radiación liberada se transforma en energía eléctrica, la cual se limita al área del dispositivo que contiene el procesador y la microbatería que lo alimenta. ^{[ 53 ] : 180–181}