La batería nuclear de ultralarga duración Omicrono
Adiós a baterías y cargadores: la diminuta pila nuclear que durará más de 1.000 años sin necesidad de recarga
Esta batería betavoltaica utiliza carbono-14 para ofrecer una fuente de energía de larga duración con potencial en aplicaciones médicas y tecnológicas.
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"Podemos poner energía nuclear segura en dispositivos del tamaño de un dedo". Esta afirmación, que a muchos les sonará a ciencia ficción, es una realidad desde hace más de un siglo, cuando se demostró por primera vez la posibilidad de generar una corriente eléctrica por radiación de partículas cargadas con radiactividad. Eso sí, por aquel entonces la tecnología era de todo menos segura, y los científicos todavía no habían explorado las posibilidades que ofrecían distintos isótopos para alargar su vida útil o fabricar baterías nucleares en miniatura para que no tengas que volver a cargar el móvil nunca más.
La constante necesidad de recargar baterías, además de una molestia cotidiana, supone un obstáculo para diversas tecnologías, desde los implantes médicos hasta los drones y los sistemas de detección remota. Además, el impacto ambiental de las baterías de iones de litio es considerable, tanto en la fase de extracción de los materiales como por su difícil reciclaje una vez terminado su ciclo de vida. Por eso especialistas como Su-Il In, investigador coreano del DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology) y autor de la frase con la que empieza este artículo, llevan años explorando las oportunidades que ofrecen las baterías nucleares.
Para avanzar en esta tecnología, el equipo que dirige ha desarrollado un prototipo de batería betavoltaica utilizando carbono-14, una variante radiactiva del carbono también conocida como radiocarbono, que se usa habitualmente en arqueología para obtener dataciones de hasta 50.000 años. "Elegimos este isótopo porque solo emite radiación beta", explica Su-Il In. Además, el radiocarbono es un subproducto de los reactores nucleares y puede obtenerse de manera económica y sostenible. Su lenta degradación permite que una batería basada en este material tenga una durabilidad teórica de más de 1.000 años.
Baterías atómicas
Las primeras pruebas con este tipo de tecnología se remontan a 1913, cuando Henry Moseley demostró por primera vez la posibilidad de generar una corriente eléctrica por radiación de partículas cargadas con radiactividad. A mediados del siglo XX, los científicos se centraron en desarrollar nuevas aplicaciones para el sector aeroespacial, que requerían fuentes de energía de larga duración.
En 1954, la empresa RCA desarrolló una pequeña batería atómica para pequeños receptores de radio y audífonos. Desde entonces, se han diseñado muchos tipos distintos y existen diferentes métodos para extraer energía eléctrica de fuentes nucleares, potenciados en los últimos años por la tecnología a escala nanométrica y la fabricación de nuevos semiconductores. A diferencia de las baterías químicas, la longevidad de las pilas micronucleares está ligada a la vida media del radioisótopo utilizado, lo que permite una vida útil de varias décadas, siglos o hasta milenios, como en este caso.
La batería nuclear de Betavolt
Sin embargo, el uso de estas soluciones se ha visto limitado por la escasa eficiencia de conversión y las preocupaciones sobre la seguridad de los dispositivos. Afortunadamente, no todas las formas de radiación son tan peligrosas para los organismos vivos, y algunas pueden bloquearse usando las propiedades de determinados materiales. Un ejemplo de esto son las partículas beta, que pueden ser detenidas por una fina capa de aluminio, lo que convierte a las baterías betavoltaicas en una opción relativamente segura dentro de la categoría de baterías nucleares.
En una batería betavoltaica convencional, los electrones emitidos por la desintegración radiactiva impactan contra un semiconductor, generando electricidad. La eficiencia de conversión de energía es un factor crucial en estos dispositivos, y los científicos buscan constantemente materiales semiconductores que optimicen este proceso.
Para mejorar la eficiencia, Su-Il In y su equipo incorporaron un semiconductor basado en dióxido de titanio, un material empleado habitualmente en las placas solares. Este semiconductor fue sensibilizado con un colorante a base de rutenio, cuya adhesión al dióxido de titanio se mejoró mediante un tratamiento con ácido cítrico.
Cuando los rayos beta interactúan con el colorante, generan una reacción en cadena de transferencia de electrones conocida como avalancha de electrones, que posteriormente es capturada por la capa de dióxido de titanio, permitiendo la generación de electricidad con una eficiencia mayor.
Carbono-14
Para potenciar el rendimiento de la batería, los investigadores incorporaron radiocarbono tanto en el ánodo sensibilizado con colorante como en el cátodo. Este diseño innovador incrementó la cantidad de radiación beta disponible y redujo las pérdidas energéticas derivadas de la distancia entre los electrodos.
Las pruebas del prototipo en el laboratorio demostraron que los rayos beta liberados por el radiocarbono en ambos electrodos activaban el colorante de rutenio en el ánodo, lo que provocaba la generación de una avalancha de electrones recolectada por la capa de dióxido de titanio. Esta corriente de electrones viajaba a través del circuito externo, produciendo electricidad utilizable.
De izquierda a derecha, Su Il-in y Jong-Sung Yu, investigadores del DGIST. Omicrono
Comparada con diseños anteriores que solo contenían radiocarbono en el cátodo, esta nueva batería alcanzó una eficiencia de conversión significativamente mayor, pasando del 0,48% al 2,86%. Aunque sigue muy por debajo del rendimiento de las baterías de iones de litio, el avance representa un gran paso hacia el desarrollo de baterías nucleares viables para diversas aplicaciones.
Un marcapasos, por ejemplo, podría operar durante toda la vida de un paciente sin necesidad de reemplazo quirúrgico. Otros usos incluyen sensores remotos en entornos extremos, como el espacio o las profundidades oceánicas, donde la sustitución de baterías convencionales es inviable y se necesitan operaciones de muy larga duración.
A pesar del potencial del dispositivo desarrollado por Su-Il In y su equipo, el diseño actual convierte solo una pequeña fracción de la energía liberada por la desintegración radiactiva en electricidad, lo que limita sus posibilidades. Para superar esta barrera, los científicos trabajan en optimizar la geometría del emisor de radiación beta y en materiales absorbentes aún más eficientes.
