La curta vida útil de la majoria de bateries suposa un fre a la generalització de certs vehicles propulsats per electricitat, especialment quan les possibilitats de recàrrega o de substitució de la bateria són inexistents o costoses: és el cas, per exemple, dels satèl·lits, dels drons de gran altitud o de les cosmonaus, aparells que tot i requerir baixes potències per funcionar necessiten una font d’energia de vida llarga. La Universitat de Bristol ha desenvolupat una tecnologia que podria satisfer les exigències d'aquesta mena de ginys.
Diamants de residus nuclears
La Universitat de Bristol (Anglaterra) ha desenvolupat una nova bateria de generació elèctrica: a diferència de les tecnologies habituals, on es genera corrent mitjançant el moviment d’un imant a través d’una bobina de cable, aquí es tracta de produir una mena de diamant artificial a partir de materials radioactius capaç de desencadenar el corrent a partir del decaïment atòmic. Indirectament, el nou mètode serviria per donar una utilitat a residus nuclears de baixa intensitat.
La tecnologia proposada per la Universitat de Bristol ofereix avantatges com ara la manca de peces mòbils, sense desgast mecànic doncs, i la no generació d’emissions contaminants ni carbòniques. A més, es tracta d’una producció elèctrica contínua, i converteix el problema de la semivida dels elements radioactius en una oportunitat: la bateria funcionarà mentre hi hagi radioactivitat, i això poden ser molts mil·lennis.
En el marc del Projecte ASPIRE (Advanced Self-Powered Sensor Units in Intense Radiation Environments), un equip de la Facultat de Física de la Universitat de Bristol va assajar, primerament, un prototip d’aquesta “bateria radioactiva” que utilitzava níquel-63 com a font de radiació, un radioisòtop de semivida relativament curta, uns cent anys, després dels quals acaba derivant en coure-63, estable. El 63Ni, però, ha estat posteriorment substituït per carboni-14, en un intent dels acadèmics de Bristol d’augmentar el rendiment (d'1,9 V a 2 V) i la durada operativa del conjunt, fins als 5.700 anys, aproximadament, el temps de semivida del 14C. El 14C emprat s’extreu dels blocs de grafit que s’utilitzen per alentir les reaccions en cadena a les centrals nuclears: el radioisòtop del carboni es concentra a la superfície dels blocs de grafit irradiat, cosa que en possibilita la fàcil obtenció. El 14C extret es transforma en un diamant (cal entendre: capes de gra gruixut policristal·lí, i no un cristall únic com en el diamant de joieria, per exemple) per produir una bateria d’energia nuclear.
Estructura de blocs de grafit (carboni en cristal·lització hexagonal) en una planta nuclear. L'equip de la Universitat de Bristol extreu el 14C del grafit irradiat de la central nuclear de Berkeley, en desmantellament, al comtat de Gloucestershire (© EDF Energy).
La capacitat d’aquesta nova bateria ha estat xifrada per la Universitat de Bristol en 15 joules per gram de 14C per dia, un rendiment més baix que el d’una pila AA, però amb l’avantatge que la producció pot durar, com s’ha apuntat, uns 5.700 anys, cosa que suposa un emmagatzemament total d'energia d’uns 31 megajoules al llarg de tota la seva vida útil. Els investigadors asseguren, a més, que l’estabilitat del diamant es manté a altes temperatures, com a mínim fins als 750 ºC segons els seus assajos, consistents, entre d’altres, a alimentar sensors plenament funcionals instal·lats en cràters volcànics.
Pel que fa a les dimensions, el prototip dissenyat fa 10 mm x 10 mm x 0,5 mm (50 mm3 de volum total), corresponents a la part activa del dispositiu, sense comptar els contactes ni els cablejats necessaris per completar el circuit. L’equip de recerca afirma que el conjunt és fàcilment escalable, i que com amb les bateries convencionals n’hi ha prou de col·locar juntes diverses cel·les perquè se’n sumin els rendiments.
El principi de funcionament d’aquesta mena de bateria és la reacció en cascada que els electrons beta (d’alta energia) provoquen en els electrons de baixa energia, que són captats en un elèctrode exterior: cada decaïment de 14C produeix una partícula beta que es difon per l’estructura del diamant originant successius forats en les bandes de valència. El diamant és semiconductor, i els corrents elèctrics flueixen quan els electrons adquireixen prou energia com per deixar les bandes de valència i pujar a les de conducció.
Els investigadors jutgen poc probable que la bateria de diamant pugui subministrar energia directa als dispositius connectats. Veuen més factible associar la bateria a un condensador i mantenir-lo sempre a càrrega màxima fins que arribi el moment de subministrar electricitat, per exemple a intervals regulars; o bé, és clar, per proporcionar-ne a dispositius de funcionament repetitiu i continu.
Respecte de la seguretat d’aquest tipus de bateries, el fet que el 14C només decaigui en radiació beta en facilita l'aïllament passiu mitjançant, per exemple, el recobriment del diamant radioactiu amb diamant convencional. Això no seria possible amb la utilització d’isòtops d’urani o neptuni, que decauen en radiació gamma capaç de superar l’aïllament, i que per tant necessitarien escuts de contenció suplementaris, la qual cosa faria augmentar les dimensions i el cost de la bateria.
Amb el temps, cal assenyalar, s’acabaria acumulant al sistema 14N, un isòtop estable, com a resultat de la desintegració del 14C. Els investigadors són del parer, però, que això no malmetria l’estructura del diamant, atès que el nitrogen és altament soluble, i que a més el corrent generat s’origina en les capes intermèdies del diamant, isotòpicament pures.
Cal fer esment també del fet que els costos de processament residus nuclears per fer-ne bateries de diamant no són clars, tot i que sí que ho són els de desfer-se del grafit irradiat: uns 49.000 euros per m3 en el cas dels residus de nivell intermedi (ILW) i uns 3.200 €/m3 en el cas de residus de nivell baix (LLW). Així, si l’extracció de 14C servís per poder requalificar els residus d’ILW a LLW, qualsevol cost per sota d’uns 45.800 €/m3 ja suposaria un estalvi respecte de les pràctiques actuals de desmantellament nuclear.
Autors
Redactat per: Alfonso Martínez Jaume
Per saber-ne més: University of Bristol, University of Bristol [vídeo]
Informació relacionada
- University of Bristol . Obre en una nova finestra.
- University of Bristol [vídeo . Obre en una nova finestra.]
