Betacel

Betacel se considera la primera batería betavoltaica de éxito comercial . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Fue desarrollada a principios de la década de 1970 por Larry C. Olsen en la corporación estadounidense McDonnell Douglas , utilizando el radioisótopo prometio-147 como fuente de electrones beta acoplada a celdas semiconductoras de silicio . Esta fuente de energía se incorporó al marcapasos cardíaco Betacel-Biotronik . El dispositivo no tuvo una amplia adopción debido a su vida útil limitada y a las dudas sobre el uso de material radiactivo .

El programa betavoltaico, junto con el desarrollo del Betacel, fue liderado por el Dr. Olsen y un equipo de investigadores en los Laboratorios Donald W. Douglas (DWDL), McDonnell Douglas Corporation, a principios de la década de 1970. ^{[ 4 ]} Como la primera (y única) fuente de energía betavoltaica viable jamás desarrollada, se utilizó de inmediato para alimentar marcapasos cardíacos. Se implantaron marcapasos cardíacos alimentados por Betacel en numerosos pacientes durante la década de 1970. Biotronik GmbH & Co., Ingenieurburo, Berlín, adaptó sus marcapasos alimentados por baterías químicas para que aceptaran la batería Betacel alimentada con prometio. Se consideraba que los marcapasos Biotronik alimentados por Betacel tenían una vida útil de 7 a 10 años. ^{[ 5 ]} La investigación clínica del marcapasos Betacel-Biotronik comenzó en Europa en 1972 y se extendió a los Estados Unidos bajo licencia del estado de Washington en 1973. A principios de 1973, más de 60 marcapasos Betacel-Biotronik implantados estaban siendo monitoreados como parte de la investigación clínica. ^{[ 3 ] [ 6 ]} A mediados de 1974, la USAEC había autorizado la licencia en los Estados Unidos de un Programa de Investigación Clínica que permitía la implantación de 50 marcapasos Betacel-Biotronik por mes en las principales clínicas de los EE. UU. ^{[ 7 ]}

Los Betacels utilizaban fuentes beta de Pm-147 combinadas con uniones pn de silicio diseñadas a medida . Las configuraciones operativas implicaban apilar fuentes unidireccionales con uniones pn de Si en serie. La potencia de salida del Betacel era de aproximadamente 400 μW . La densidad de potencia de la batería era de aproximadamente 0,025 mW/cm³ ^. La batería tenía un volumen aproximado de una pulgada cúbica (16 cm³ ⁾ . La mayor parte del volumen se utilizaba para el blindaje, con el fin de contener la radiación gamma emitida por el contaminante Pm-146 dentro del Pm-147. ^{[ 8 ]}

Estas baterías Betacel presentaban una eficiencia de aproximadamente el 4%. Sin embargo, se estaban desarrollando dispositivos más eficientes que utilizaban fuentes beta bidireccionales. Estos dispositivos con fuentes bidireccionales habrían alcanzado eficiencias cercanas al 8%. No obstante, estos dispositivos de mayor eficiencia nunca se materializaron, ya que los fabricantes de marcapasos se centraron en el uso de baterías de iones de litio , que no utilizaban material radiactivo y podían alimentar los marcapasos durante 5 a 7 años.

Si bien los dispositivos betavoltaicos anteriores se degradaban rápidamente debido al daño por radiación, el Betacel no mostró efectos nocivos por dicha radiación. Los niveles de potencia disminuyeron como se esperaba. En particular, la potencia de la batería disminuyó exponencialmente con una vida media de 2,62 años, la misma que la del Pm-147.

El Pm-147 no es una fuente ideal, ya que su vida media es de tan solo 2,62 años y el contaminante Pm-146 emite rayos gamma que requieren un buen blindaje para las baterías. Este material es tóxico y difícil de conseguir. Además, en aquel entonces existía cierto estigma asociado al uso de la energía nuclear y los materiales radiactivos: el público temía y desconfiaba de cualquier tecnología nuclear. Este estigma, sumado a los avances (y al menor coste) de la tecnología de baterías de iones de litio, acabó eclipsando las aspiraciones de un futuro más lucrativo para el Betacel, relegando las baterías betavoltaicas al ámbito de la investigación académica en los años inmediatamente posteriores.

El Betacel no tuvo un gran éxito, pero sentó las bases para futuras investigaciones en tecnología betavoltaica e impulsó un resurgimiento del interés en la generación de energía betavoltaica. Se han considerado e implementado otras fuentes, como el tritio , en el desarrollo de baterías betavoltaicas. Entre 2001 y 2010, cuatro empresas comerciales (City Labs, Inc., BetaBatt Inc., Qynergy, Inc. y Widetronix, Inc.) incursionaron en el desarrollo de celdas de energía betavoltaica, mientras que la investigación universitaria sobre el tema continúa activa. Los rápidos avances en la tecnología de semiconductores y ciencia de materiales, el diseño y la fabricación de circuitos integrados, y los sistemas microelectromecánicos (MEMS) a micro/nanoescala, han convergido hasta tal punto que los dispositivos extremadamente pequeños con requisitos de energía mínimos se están volviendo cada vez más comunes. Estos dispositivos son ideales para fuentes de energía betavoltaica que pueden ofrecer de forma fácil y segura niveles de potencia de nanowatts a microwatts con una vida útil de 20 años.