Conheça A Bateria Que Não Precisa Recarregar

No futuro não muito distante, nossos smartphones, ou mesmo carros elétricos, poderão ser alimentados por uma bateria nuclear, em lugar das tradicionais baterias de íons de lítio, graças a um avanço feito por pesquisadores russos. E não é preciso se preocupar, porque a radiação envolvida nessa bateria nuclear é de baixa energia, podendo ser bloqueada até mesmo por uma simples folha de papel e o invólucro da bateria é mais do que suficiente para torná-la segura para nossa saúde.

Uma bateria nuclear sem riscos

A tecnologia das baterias nucleares (betabaterias ou também betavoltaica) já foi usada na década de 1970 para alimentar marcapassos cardíacos, antes de ser superada pelas baterias de íons de lítio, com vidas úteis muito mais curtas, mas também mais baratas. Além disso, naquela época, as baterias nucleares ainda não haviam sido miniaturizadas e seu uso ainda não era viável.

A bateria nuclear, que funciona a partir do decaimento beta de um isótopo radioativo do níquel, foi criada por uma equipe composta por pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, Instituto Tecnológico de Materiais Superduros e Avançados de Carbono e da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia.

O protótipo fornece cerca de 3.300 miliwatts-hora de energia por grama, mais do que em qualquer outra bateria nuclear do mesmo tipo e 10 vezes mais do que a energia específica das baterias químicas atuais.

Para continuarmos, vamos entender como funcionam as pilhas e baterias

As baterias químicas comuns, como as pilhas e as baterias de lítio dos smartphones, também conhecidas como células galvânicas, usam a energia das reações químicas de redução-oxidação, ou redox. Nessas reações, os elétrons são transferidos de um eletrodo para outro através de um eletrólito, dando origem a uma diferença de potencial entre os eletrodos. Se os dois terminais da bateria forem conectados por um condutor, os elétrons começam a fluir para equilibrar a diferença de potencial, gerando uma corrente elétrica.

Essas baterias químicas são caracterizadas por uma alta densidade de potência, que envolve a relação entre a potência da corrente gerada e o volume da bateria. No entanto, as atuais pilhas/baterias descarregam em um tempo relativamente curto ou precisam ser recarregadas. Essa não é uma boa ideia em aplicações como marcapassos cardíacos, porque isso exige cirurgias adicionais ou para alimentar espaçonaves, por exemplo.

Felizmente, as reações químicas são apenas uma das possíveis fontes de geração de energia elétrica!

Mas o que são baterias nucleares?

Uma bateria nuclear pode ser um nome que gera medo e terror, mas na verdade é constituída de materiais semicondutores para converter a energia do decaimento beta em eletricidade. As partículas beta de baixa energia (emitidas pelo elemento radioativo), ionizam os átomos do semicondutor, criando o mesmo desequilíbrio de cargas visto nas baterias químicas. Na presença do campo estático de uma estrutura, as cargas fluem numa direção, resultando em uma corrente elétrica.

A principal vantagem das células betavoltaicas sobre as células galvânicas é a sua longevidade: os isótopos radioativos usados nas baterias nucleares têm uma meia-vida, a qual varia de dezenas à centenas de anos, de modo que sua potência permanece quase constante por muito tempo.

Em termos práticos, são baterias para a vida toda, ou mesmo para várias vidas!

Embora essa tecnologia seja conhecida há décadas, agora, pela primeira vez, as baterias nucleares alcançaram uma densidade de energia que as torna competitivas com as baterias químicas.

É importante saber:

É importante saber que as baterias betavoltaicas não devem ser confundidas com os geradores termoelétricos de radioisótopos, usados nos robôs enviados para Marte, como o Curiosity, e na sonda espacial New Horizons, que explorou Plutão e continua em busca de outros corpos celestes.

Esse tipo de gerador nuclear converte o calor liberado pelo decaimento radioativo em eletricidade usando termopares, mas com uma eficiência de poucos pontos percentuais. O seu uso prático é limitado na Terra devido ao combustível radioativo, tipicamente o plutônio-238, que impõe riscos à saúde, é difícil de reciclar e pode vazar para o ambiente, mas a betavoltaica não impõe esses riscos.

Uma bateria para a vida toda

A nova bateria betavoltaica usa níquel-63 como fonte de radiação e diodos de barreira Schottky feitos de diamante para a conversão de energia. Várias equipes vêm tentando usar semicondutores de diamante para fazer baterias que dispensam recarga, mas ninguém havia alcançado a eficiência obtida pelo grupo russo.

O protótipo contém 200 conversores de diamante intercalados com camadas de níquel-63 e camadas de isótopos estáveis de níquel. A quantidade de energia gerada depende da espessura da folha de níquel e do próprio conversor, porque ambos afetam quantas partículas beta são absorvidas.

Além disso, o protótipo alcançou uma potência de saída de cerca de 1 microwatt, enquanto a densidade de potência por centímetro cúbico foi de 10 microwatts, o que é suficiente para alimentar um marcapasso.

Futuro das baterias nucleares

A eficiência alcançada pela equipe abre perspectivas reais para o retorno das baterias nucleares às aplicações médicas. A maioria dos marcapassos cardíacos de última geração tem mais de 10 centímetros cúbicos de tamanho e requer cerca de 10 microwatts de energia. Isso significa que a nova bateria nuclear pode ser usada para alimentar esses dispositivos sem qualquer alteração significativa em seu design e tamanho. Com isso, seriam então “marcapassos perpétuos”, cujas baterias não precisariam ser substituídas ou recarregadas, melhorando a qualidade de vida dos pacientes e eliminando o risco das cirurgias de reposição.

A indústria espacial também pode se beneficiar bastante das baterias nucleares compactas. Em particular, existe uma demanda por sensores externos sem fio autônomos e chips de memória com sistemas integrados de fornecimento de energia para espaçonaves. E o diamante é um dos semicondutores mais resistentes à radiação e aos rigores das temperaturas espaciais.

A tecnologia, agora, irá ser otimizada e não deverá demorar para chegar em várias aplicações!

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Bibliografia: High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes. V. S. Bormashov, S. Yu. Troschiev, S. A. Tarelkin, A. P. Volkov, D. V. Teteruk, A. V. Golovanov, M. S. Kuznetsov, N. V. Kornilov, S. A. Terentiev, Vladimir D. Blank. Diamond and Related Materials. Vol.: 84, Pages 41-47, 2018.

DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006

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