Dispositivo betavoltaico

Un dispositivo betavoltaico ( celda betavoltaica o batería betavoltaica ) es un tipo de batería nuclear que genera corriente eléctrica a partir de partículas beta ( electrones o positrones ) emitidas por una fuente radiactiva , utilizando uniones semiconductoras . Una fuente común utilizada es el isótopo de hidrógeno tritio . A diferencia de la mayoría de las fuentes de energía nuclear , que utilizan radiación nuclear para generar calor que luego se usa para generar electricidad, los dispositivos betavoltaicos utilizan un proceso de conversión no térmico, convirtiendo los pares electrón-hueco producidos por la estela de ionización de las partículas beta que atraviesan un semiconductor. ^{[ 1 ]}

Las fuentes de energía betavoltaica (y la tecnología relacionada de fuentes de energía alfavoltaica ^{[ 2 ]} ) son particularmente adecuadas para aplicaciones eléctricas de baja potencia donde se necesita una larga vida útil de la fuente de energía, como dispositivos médicos implantables o aplicaciones militares y espaciales . ^{[ 1 ]}

Los betavoltaicos se inventaron en la década de 1970. ^{[ 3 ]} Algunos marcapasos de la década de 1970 utilizaban betavoltaicos basados ​​en prometio , ^{[ 4 ]} pero se dejaron de usar a medida que se desarrollaron baterías de litio más baratas. ^{[ 1 ]}

Los primeros materiales semiconductores eran ineficientes para convertir electrones de la desintegración beta en corriente, lo que requería isótopos de mayor energía, más caros y potencialmente peligrosos . Los materiales semiconductores más eficientes utilizados a partir de 2019^{[ 5 ]} se puede combinar con isótopos relativamente benignos como el tritio, que producen menos radiación. ^{[ 1 ]}

La Betacel , desarrollada por Larry C. Olsen , fue una de las primeras y más exitosas baterías betavoltaicas comercializadas, y sirvió de base para el diseño de dispositivos betavoltaicos modernos como las baterías de nanotritio .

El uso principal de la betavoltaica es para aplicaciones remotas y de larga duración, como naves espaciales que requieren energía eléctrica durante una o dos décadas. Los avances recientes han llevado a algunos a sugerir el uso de betavoltaica para la carga lenta de baterías convencionales en dispositivos de consumo, como teléfonos celulares y computadoras portátiles . ^{[ 6 ]} Ya en 1973, se sugirió el uso de betavoltaica en dispositivos médicos de larga duración, como marcapasos . ^{[ 4 ]}

En 2018 se presentó un diseño ruso basado en láminas de níquel-63 de 2 micras de espesor intercaladas entre capas de diamante de 10 micras. Producía una potencia de salida de aproximadamente 1  μW con una densidad de potencia de 10 μW /cm³ ^. Su densidad de energía era de 3,3 kW·h/kg. La vida media del níquel-63 es de 100 años. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}  

En 2019, un artículo indicó la viabilidad de dispositivos betavoltaicos en entornos de alta temperatura superiores a 733 K (460 °C; 860 °F), como la superficie de Venus . ^{[ 10 ]}   

Un prototipo de batería betavoltaica, revelado en enero de 2024 por la empresa emergente china Betavolt, contiene una oblea delgada que proporciona una fuente de partículas beta (ya sea carbono-14 o níquel-63 ) intercalada entre dos capas delgadas de semiconductor de diamante cristalográfico . ^{[ 11 ] [ 12 ]} La empresa emergente china afirma tener el dispositivo en miniatura en la etapa de prueba piloto. ^{[ 13 ]} Supuestamente, genera 100 microvatios de potencia a un voltaje de 3 V y tiene una vida útil de 50 años sin necesidad de carga ni mantenimiento. ^{[ 13 ]} Betavolt afirma que es el primer dispositivo miniaturizado de este tipo jamás desarrollado, con un tamaño de 15x15x15 milímetros. ^{[ 13 ]} Su fuente de energía es una lámina de níquel-63, un isótopo que se desintegra en Cu-63 estable y no radiactivo que no representa una amenaza ambiental adicional. ^{[ 11 ] [ 13 ]}

En marzo de 2025, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk (DGIST) desarrollaron una batería betavoltaica de alta eficiencia que utiliza carbono-14. A diferencia de los diseños tradicionales, incorporaba radiocarbono tanto en el ánodo como en el cátodo , lo que aumentaba la eficiencia de conversión de energía al 2,86 %. Un semiconductor de dióxido de titanio con un colorante a base de rutenio mejoraba la transferencia de electrones, creando un efecto de avalancha de electrones . ^{[ 14 ]}

A medida que un material radiactivo emite radiación, su actividad disminuye gradualmente (véase la vida media ). Por lo tanto, con el tiempo, un dispositivo betavoltaico proporcionará menos energía. En dispositivos prácticos, esta disminución se produce a lo largo de muchos años. Para los dispositivos de tritio , la vida media es de 12,32 años. En el diseño de dispositivos, es fundamental considerar las características de la batería requeridas al final de su vida útil y asegurar que las propiedades iniciales tengan en cuenta la vida útil deseada.

La responsabilidad derivada de las leyes ambientales y la exposición humana al tritio y su desintegración beta también debe tenerse en cuenta en la evaluación de riesgos y el desarrollo de productos . Naturalmente, esto aumenta tanto el tiempo de comercialización como el ya elevado coste asociado al tritio. Un informe de 2007 del Grupo Asesor sobre Radiación Ionizante de la Agencia de Protección de la Salud del gobierno del Reino Unido declaró que los riesgos para la salud derivados de la exposición al tritio duplicaban los establecidos previamente por la Comisión Internacional de Protección Radiológica, con sede en Suecia. ^{[ 15 ]}

Dado que la desintegración radiactiva no se puede detener, acelerar ni ralentizar, no hay forma de "apagar" la batería ni de regular su potencia. Para algunas aplicaciones esto es irrelevante, pero otras necesitarán una batería química de respaldo para almacenar energía cuando no se necesite. Esto reduce la ventaja de una alta densidad energética.

Aunque los dispositivos betavoltaicos utilizan un material radiactivo como fuente de energía, las partículas beta son de baja energía y se detienen fácilmente con unos pocos milímetros de blindaje . Con una construcción adecuada del dispositivo (es decir, un blindaje y contención apropiados), un dispositivo betavoltaico no emitiría radiación peligrosa. La fuga del material confinado generaría riesgos para la salud, al igual que la fuga de materiales en otros tipos de baterías (como las de litio , cadmio y plomo ) genera importantes problemas de salud y medioambientales. ^{[ 16 ]} La seguridad puede incrementarse aún más transformando el radioisótopo utilizado en una forma químicamente inerte y mecánicamente estable, lo que reduce el riesgo de dispersión o bioacumulación en caso de fuga.

Las baterías nucleares betavoltaicas se pueden adquirir comercialmente. Los dispositivos disponibles en 2012 incluían un dispositivo de 100 μW alimentado por tritio que pesaba 20 gramos. ^{[ 17 ]}

Debido a la alta densidad de energía de los radioisótopos (los radioisótopos tienen órdenes de magnitud mayor densidad de energía que las fuentes de energía química, pero una densidad de potencia mucho menor; la densidad de potencia de un radioisótopo es inversamente proporcional a su vida media (es decir, una vida media más corta se traduce en una mayor densidad de potencia), y la necesidad de confiabilidad por encima de todo en muchas aplicaciones de la betavoltaica, se aceptan eficiencias comparativamente bajas. La tecnología actual permite porcentajes de un solo dígito de eficiencia de conversión de energía desde la entrada de partículas beta hasta la salida de electricidad, pero la investigación para una mayor eficiencia está en curso. ^{[ 18 ] [ 19 ]} En comparación, la eficiencia térmica en el rango del 30% se considera relativamente baja para las nuevas centrales térmicas a gran escala y las centrales eléctricas de ciclo combinado avanzadas alcanzan una eficiencia del 60% o más si se mide por la salida de electricidad por entrada de calor. ^{[ 20 ]} Si el dispositivo betavoltaico también funciona como una unidad de calentamiento de radioisótopos , es en efecto una planta de cogeneración y logra eficiencias totales mucho mayores, ya que gran parte del calor residual es útil. De manera similar a la fotovoltaica , la El límite de Shockley-Queisser también impone un límite absoluto para un dispositivo betavoltaico de banda prohibida única. ^{[ 21 ]}

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• Widetronix
• Armando Antoniazzi. "El amanecer de las baterías nucleares" . Blog.kinectrics.com. Archivado del original el 21 de marzo de 2012. Consultado el 22 de agosto de 2012 .
• "Una batería de nanotritio disponible comercialmente puede alimentar dispositivos microelectrónicos durante más de 20 años" . Gizmag.com. 16 de agosto de 2012. Consultado el 22 de agosto de 2012 .