Ecco un prototipo di batteria nucleare



(foto: Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials. Una foto del prototipo di batteria nucleare)

Un nuovo prototipo di batteria nucleare sbaraglia le batterie chimiche convenzionali di uso comune, raggiungendo una potenza di 10 volte superiore. A metterlo a punto è un gruppo di ricerca internazionale, guidato dall’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, che ha combinato gli studi in fisica dei materiali, fisica nucleare e l’impiego delle tecnologie e dei materiali più avanzati per realizzare una nuova batteria nucleare. Il prototipo realizzato è sufficientemente potente per essere utilizzata nei moderni pacemaker. La potenza della batteria è elevata e i pacchi batteria raggiungono i 3.300 milliwatt(il watt misura la potenza) all’ora per un grammo di materiale.  I risultati dello studio sono pubblicati su Diamond and Related Materials.

Le batterie nucleari sono dette betavoltaiche ed hanno una storia che dura ormai da più di 100 anni. Tuttavia, fino ad oggi questi dispositivi non sono sufficientemente potenti e sono spesso troppo voluminose e ingombranti.

L’obiettivo dei ricercatori era quello di renderle più energetiche e maneggevoli e ci sono riusciti mediante la particolare progettazione e la scelta dei materiali.

In generale, le batterie che conosciamo (le pile), quelle utilizzate per orologi, telecomandi, giocattoli ed altri apparecchi elettici, sono quelle chimiche e trasformano appunto l’energia chimica in energia elettrica attraverso reazioni dette di ossidoriduzione (in cui avviene uno scambio di elettroni da una specie chimica ad un’altra), che permettono di generare e mantenere una differenza di potenziale elettrico ai capi del dispositivo, alla base del circuito elettrico.

Così si genera una corrente continua, che si mantiene fino a quando le reazioni chimiche si esauriscono, ovvero quando gli atomi non scambiano più elettroni e raggiungono uno stato di equilibrio: a questo punto la batteria è “finita”. Anche le batterie cosiddette accumulatori, che sono ricaricabili, prima o poi devono essere sostituite, un elemento che pone dei rischi se le si utilizza ad esempio come pacemaker.

Le batterie nucleari, invece, non vanno avanti grazie ad una reazione chimica, ma attraverso una reazione nucleare spontanea, in particolare un decadimento beta, un decadimento radioattivo in cui un elemento chimico (un atomo) si trasforma in un altro elemento con diverso numero atomico: quello che cambia è il numero di protoni nell’atomo e questo fa sì che si tratti di una reazione nucleare.

Il primo dispositivo fondato su questa reazione per produrre energia elettrica è stato creato per la prima volta nel 1913 da Henry Moseley: in quel caso, gli elettroni provenienti dal decadimento beta del radio generavano la differenza di potenziale tra due elementi del dispositivo ed erano alla base del circuito elettrico. Tuttavia, tale prototipo non era molto potente e la corrente era troppo bassa per trovare applicazioni pratiche. Un passo avanti fu compiuto nel 1953, quando Paul Rappaport propose l’uso di semiconduttori per convertire l’energia del decadimento beta in energia elettrica, queste batterie erano più energetiche e furono utilizzate negli anni ’70 nei pacemaker. Tuttavia, anche in questo caso le loro performance risultarono inferiori rispetto ai corrispettivi chimici, ovvero le batterie convenzionali.

Ma allora come fanno le batterie messe a punto oggi dai ricercatori di Mosca, basate su questo stesso decadimento, ad essere addirittura 10 volte più potenti di quelle chimiche di uso comune? I ricercatori hanno sviluppato una prototipo betavoltaica utilizzando il nichel-63 come elemento che decade, insieme a diodi di diamante, per convertire l’energia, che sfruttano la “barriera di Schottky”. Tali diodi, che permettono il flusso della corrente elettrica in una direzione, bloccandolo quasi completamente nell’altra, utilizzano la presenza della barriera di potenziale di Schottky – dal nome del fisico tedesco Walter Schottky che l’ha realizzata – e costituiscono uno strato sottile che grazie alle sue proprietà favorisce il flusso nella direzione giusta e rende più efficiente il sistema.

Per massimizzare la densità di potenza, gli autori hanno simulato il passaggio di elettroni e il meccanismo di conversione per produrre energia elettrica a partire dal decadimento. Dalla simulazione è emerso che il dispositivo avrebbe raggiunto la massima efficacia quando lo spessore della sorgente di nichel-63 (la base del dispositivo per avere il decadimento beta) fosse stato pari a 2 micrometri (millesimi di millimetro) e i diodi di Schottky di 10 micrometri. Anche l’elemento scelto, l’isotopo radioattivo nichel-63, rende il sistema più duraturo, dato che ha un’emivita – o tempo di dimezzamento, quello che occorre affinché metà degli atomi del campione decadano nell’altro elemento – pari a 100 anni, che insieme al particolare sistema di conversione dell’energia, fa sì che la potenza della batteria sia elevata, con un output power di 1 microwatt e una densità di potenza per centimetro cubo di 10 microwatt, corrispondente al valore di 3.300 milliwatt ora per grammo dei pacchi batterie. Il tutto corrisponde a una potenza 10 volte superiore rispetto a quella dei corrispettivi chimici, ovvero dei pacchi batterie tradizionali.


Fonte: WIRED.it