Dispositivo betavoltaico - Betavoltaic device

Este artigo é sobre dispositivos que geram eletricidade diretamente de partículas beta. Para dispositivos que usam fotocélulas, consulte bateria nuclear optoelétrica .

Um dispositivo betavoltaico ( célula betavoltaica ou bateria betavoltaica ) é um tipo de bateria nuclear que gera corrente elétrica a partir de partículas beta ( elétrons ) emitidas de uma fonte radioativa , usando junções semicondutoras . Uma fonte comum usada é o isótopo de hidrogênio trítio . Ao contrário da maioria das fontes de energia nuclear que usam radiação nuclear para gerar calor que é então usado para gerar eletricidade, os dispositivos betavoltaicos usam um processo de conversão não térmica, convertendo os pares de elétron-buraco produzidos pela trilha de ionização de partículas beta que atravessam um semicondutor.

As fontes de energia betavoltaica (e a tecnologia relacionada de fontes de energia alphavoltaicas ) são particularmente adequadas para aplicações elétricas de baixa potência onde é necessária uma longa vida da fonte de energia, como dispositivos médicos implantáveis ou aplicações militares e espaciais .

História

Os betavoltaicos foram inventados na década de 1970. Alguns marcapassos na década de 1970 usavam betavoltaicos baseados em promécio , mas foram eliminados à medida que baterias de lítio mais baratas foram desenvolvidas.

Os primeiros materiais semicondutores não eram eficientes na conversão de elétrons do decaimento beta em corrente utilizável, então, energia mais alta e isótopos mais caros - e potencialmente perigosos - foram usados. Os materiais semicondutores mais eficientes usados ​​hoje podem ser combinados com isótopos relativamente benignos, como o trítio, que produzem menos radiação.

A Betacel foi considerada a primeira bateria betavoltaica comercializada com sucesso.

Propostas

O uso principal dos betavoltaicos é para uso remoto e de longo prazo, como espaçonaves que requerem energia elétrica por uma ou duas décadas. O progresso recente levou alguns a sugerir o uso de betavoltaicos para carregar baterias convencionais em dispositivos de consumo, como telefones celulares e laptops . Já em 1973, os betavoltaicos foram sugeridos para uso em dispositivos médicos de longo prazo, como marca- passos .

Em 2016, foi proposto que o carbono-14 em uma estrutura de cristal de diamante poderia ser usado como um dispositivo betavoltaico de vida mais longa (uma bateria de diamante ). O carbono-14 pode ser obtido de blocos de grafite de reatores moderados de grafite desativados . Os blocos são tratados como lixo nuclear com meia-vida de 5.700 anos. Ao extrair o carbono-14 dos blocos de grafite e transformá-lo em uma estrutura de cristal de diamante , o isótopo de carbono radioativo pode ser usado como uma fonte de energia enquanto permite que o grafite não radioativo restante seja reutilizado para outras aplicações, como lápis ou energia elétrica escovas de motor . Embora a atividade específica do carbono-14 seja baixa e, portanto, a densidade de energia de uma bateria de diamante nuclear seja pequena, eles podem ser usados ​​para redes de sensores de baixa potência e monitoramento de integridade estrutural .

Em 2018, um projeto russo baseado em placas de níquel-63 de 2 mícrons de espessura imprensada entre camadas de diamante de 10 mícrons foi introduzido. Ele produziu uma potência de saída de cerca de 1 μW a uma densidade de potência de 10 μW / cm 3 . Sua densidade de energia era de 3,3 kWh / kg. A meia-vida do níquel-63 é de 100 anos.

Trabalhos recentes indicaram a viabilidade de dispositivos betavoltaicos em ambientes de alta temperatura acima de 733 K (460 ° C; 860 ° F) como a superfície de Vênus .

Inconvenientes

Conforme o material radioativo emite, ele diminui lentamente em atividade (consulte a meia-vida ). Assim, com o tempo, um dispositivo betavoltaico fornecerá menos energia. Para dispositivos práticos, essa diminuição ocorre ao longo de um período de muitos anos. Para dispositivos de trítio , a meia-vida é de 12,32 anos. No design do dispositivo, deve-se levar em consideração quais características da bateria são necessárias no final da vida útil e garantir que as propriedades do início da vida útil levem em consideração a vida útil desejada.

A responsabilidade relacionada com as leis ambientais e a exposição humana ao trítio e sua degradação beta também devem ser levadas em consideração na avaliação de risco e no desenvolvimento do produto. Naturalmente, isso aumenta o tempo de colocação no mercado e o já alto custo associado ao trítio. Um relatório de 2007 do Grupo Consultivo da Agência de Proteção à Saúde do Governo do Reino Unido sobre Radiação Ionizante declarou que os riscos à saúde da exposição ao trítio eram o dobro dos anteriormente definidos pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica localizada na Suécia.

Disponibilidade

Baterias nucleares betavoltaicas podem ser adquiridas comercialmente. Os dispositivos disponíveis incluem um dispositivo movido a trítio de 100 μW pesando 20 gramas.

Segurança

Embora os betavoltaicos usem um material radioativo como fonte de energia, as partículas beta usadas são de baixa energia e facilmente interrompidas por alguns milímetros de blindagem. Com a construção adequada do dispositivo (ou seja, proteção e contenção adequadas), um dispositivo betavoltaico não emitiria radiação perigosa. O vazamento do material fechado geraria riscos à saúde, da mesma forma que o vazamento dos materiais em outros tipos de baterias (como lítio , cádmio e chumbo ) leva a preocupações ambientais e de saúde significativas.

Veja também

Referências

links externos

Recursos de biblioteca sobre
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