A bateria atômica no mundo moderno

A ciência está atualmente em constante progresso e desenvolvimento. Uma bateria nuclear já foi inventada. Essa fonte de energia pode durar até 50 anos, e em alguns casos até 100 anos. Tudo depende do tamanho e da substância radioativa utilizada.

A Rosatom foi a primeira a anunciar a produção de uma bateria nuclear. Em 2017, a empresa apresentou um protótipo em uma exposição.

Pesquisadores conseguiram otimizar as camadas de uma bateria nuclear que utiliza o decaimento beta do isótopo níquel-63 para gerar eletricidade.

Um grama dessa substância contém 3300 miliwatts-hora.

Como funciona uma bateria atômica

Uma bateria atômica, também conhecida como gerador de calor de radioisótopos (RIHG, na sigla em inglês), é uma fonte de energia que utiliza o processo de decaimento de isótopos radioativos para gerar calor e, por sua vez, convertê-lo em energia elétrica.

O princípio de funcionamento de uma bateria atômica baseia-se no decaimento radioativo, no qual os núcleos dos átomos se desintegram, emitindo partículas e energia. Um dos materiais mais comuns usados ​​em baterias atômicas é o plutônio-238, que possui uma longa meia-vida. O plutônio-238 se desintegra em urânio-234, emitindo partículas alfa. Essas partículas contêm alta energia, que é convertida em calor ao interagir com o ambiente.

A geração de calor é uma etapa fundamental no funcionamento de uma bateria atômica. O calor é transferido através de um trocador de calor para um conversor termoelétrico. Este conversor contém materiais capazes de gerar corrente elétrica quando submetidos a uma diferença de temperatura. Assim, o calor proveniente do decaimento radioativo do plutônio-238 é transferido para um dos lados do conversor termoelétrico, criando uma diferença de temperatura entre os dois lados. Essa diferença de temperatura possibilita a geração de energia elétrica utilizando o efeito termoelétrico de Seebeck.

A energia elétrica gerada por um conversor termoelétrico é usada para alimentar dispositivos elétricos. A principal vantagem das baterias atômicas é que elas fornecem uma fonte de energia estável e duradoura, não necessitando de substituição ou recarga por muitos anos. No entanto, devido ao uso de materiais radioativos, as baterias atômicas apresentam certos riscos e exigem precauções especiais de segurança durante o uso e manuseio.

 

As baterias nucleares são perigosas?

Os desenvolvedores afirmam que essas baterias são completamente seguras para pessoas comuns, pois seu invólucro é bem projetado.

Sabe-se que a radiação beta é prejudicial ao corpo. Mas, na bateria nuclear recém-criada, ela é suave e será absorvida pela célula de energia.

Atualmente, especialistas identificam diversos setores industriais nos quais a bateria nuclear russa A123 está planejada para ser utilizada:

1. Medicamento.
2. Indústria espacial.
3. Indústria.
4. Transporte.

Além dessas áreas, novas fontes de energia duradouras também podem ser utilizadas em outras.

Vantagens de uma bateria nuclear

Diversas qualidades positivas são destacadas:

• Durabilidade. Podem durar até 100.000 anos.
• Capacidade de suportar temperaturas críticas.
• Seu tamanho reduzido permite que sejam fabricados de forma portátil e utilizados em equipamentos compactos.

Desvantagens de uma bateria nuclear

• Complexidade da produção.
• Existe risco de exposição à radiação, especialmente se a estrutura estiver danificada.
• Caro. Uma única bateria nuclear pode custar entre 500.000 e 4.500.000 rublos.
• Disponível para um círculo limitado de pessoas.
• Pequena seleção.

A pesquisa e o desenvolvimento de baterias nucleares estão sendo conduzidos não apenas por grandes empresas, mas também por estudantes comuns. Um estudante em Tomsk, por exemplo, desenvolveu sua própria bateria movida a energia nuclear que pode operar por aproximadamente 12 anos sem recarga. A invenção se baseia no decaimento do trítio. As características dessa bateria permanecem inalteradas ao longo do tempo.

Bateria nuclear para smartphones

Em 2019, já estavam sendo produzidas fontes de energia nuclear para telefones celulares. Elas se parecem com a da imagem abaixo.

Elas se assemelham a um microchip que se encaixa em slots especiais em um celular. Uma bateria desse tipo pode durar 20 anos e não precisa ser recarregada durante esse período. Isso é possível graças ao processo de fissão nuclear. No entanto, essa fonte de energia pode ser alarmante para muitos. Afinal, todos sabem que a radiação é prejudicial e nociva ao corpo. E poucas pessoas gostariam de carregar um celular desses o dia todo.

Mas os cientistas afirmam que esta bateria nuclear é completamente segura. O trítio é usado como substância ativa. A radiação emitida durante seu decaimento é inofensiva. Você pode ver o trítio em ação em um relógio de quartzo que brilha no escuro. A bateria suporta temperaturas tão baixas quanto -50 °C e opera de forma confiável em temperaturas tão altas quanto 150 °C.⁰Ao mesmo tempo, não foram observadas flutuações em seu funcionamento.

Seria ótimo ter uma bateria dessas à mão, pelo menos para recarregar o celular com uma bateria comum.

A voltagem de uma bateria desse tipo oscila entre 0,8 e 2,4 volts. Ela também gera entre 50 e 300 nanoamperes. E tudo isso ocorre ao longo de um período de 20 anos.

A capacidade é calculada da seguinte forma: C = 0,000001 W * 50 anos * 365 dias * 24 horas / 2 V = 219 mA

A bateria está atualmente avaliada em US$ 1.122. Convertendo para rublos à taxa de câmbio atual (65,42), isso equivaleria a 73.400 rublos.

Onde são utilizadas baterias nucleares?

O âmbito de aplicação é praticamente o mesmo das baterias convencionais. São utilizadas em:

• Microeletrônica.
• Sensores de pressão e temperatura.
• Implantes.
• Como carregadores portáteis para baterias de lítio.
• Sistemas de identificação.
• Horas.
• Memória SRAM.
• Para alimentar processadores de baixo consumo de energia, como FPGAs e ASICs.

Esses não são os únicos dispositivos; a lista deles aumentará significativamente no futuro.

Bateria nuclear de níquel-63 e suas características

Essa fonte de energia nuclear, baseada no isótopo 63, pode durar até 50 anos. Ela opera através do efeito beta-voltaico, que é quase idêntico ao efeito fotoelétrico. Nesse efeito, pares elétron-lacuna na rede cristalina do semicondutor são criados pela ação de elétrons rápidos ou partículas beta. No efeito fotoelétrico, eles são criados pela ação de fótons.

Uma bateria atômica de níquel-63 é produzida pela irradiação de alvos de níquel-62 em um reator. O pesquisador Gavrilov afirma que esse processo leva cerca de um ano. Os alvos necessários já estão disponíveis em Zheleznogorsk.

Se compararmos as novas baterias nucleares russas de níquel-63 com as baterias de íon-lítio, elas serão 30 vezes menores.

Especialistas afirmam que essas fontes de energia são seguras para humanos porque emitem raios beta fracos. Além disso, eles não são liberados externamente, permanecendo dentro do dispositivo.

Essa fonte de energia é atualmente ideal para marca-passos médicos. No entanto, os desenvolvedores não divulgaram o custo. Mesmo sem essa informação, é possível calculá-lo. Um grama de Ni-63 custa aproximadamente US$ 4.000. Portanto, uma bateria totalmente funcional exigiria um investimento considerável.

Composição de uma bateria nuclear

O níquel-63 é extraído de diamantes. No entanto, a obtenção desse isótopo exigiu o desenvolvimento de uma nova tecnologia para lapidar o diamante, um material resistente.

Uma bateria nuclear consiste em um emissor e um coletor separados por uma película especial. À medida que o elemento radioativo se desintegra, emite radiação beta. Isso resulta em sua carga positiva. Ao mesmo tempo, o coletor fica carregado negativamente. Isso cria uma diferença de potencial, gerando uma corrente elétrica.

Essencialmente, nossa célula de energia atômica é como uma torta em camadas. Duzentas fontes de energia de níquel-63 são intercaladas entre 200 semicondutores de diamante. A fonte de energia tem aproximadamente 4 mm de altura e pesa 250 miligramas. Seu tamanho reduzido é uma grande vantagem para a bateria atômica russa.

Encontrar as dimensões corretas é difícil. Um isótopo espesso impede que os elétrons que ele produz escapem. Um isótopo fino é desvantajoso, pois reduz o número de decaimentos beta por unidade de tempo. O mesmo se aplica à espessura do semicondutor. A bateria funciona melhor com uma espessura de isótopo de cerca de 2 micrômetros, enquanto um semicondutor de diamante requer 10 micrômetros.

Mas o que os cientistas conseguiram até agora não é o limite. As emissões de gases de escape poderiam ser aumentadas em pelo menos três vezes. Isso significa que uma bateria nuclear poderia ser fabricada a um custo três vezes menor.

Uma bateria nuclear de carbono-14 com duração de 100 anos.

Esta bateria atômica apresenta as seguintes vantagens em relação a outras fontes de energia de radiação:

1. Preço baixo.
2. Ecologicamente correto.
3. Longa vida útil, até 100 anos.
4. Baixa toxicidade.
5. Segurança.
6. Capaz de operar em condições de temperatura extremas.

O isótopo radioativo carbono-14 tem uma meia-vida de 5.700 anos. É completamente atóxico e barato.

Não apenas os EUA e a Rússia, mas também outros países estão trabalhando ativamente para modernizar as baterias nucleares! Pesquisadores aprenderam a cultivar filmes sobre um substrato de carbeto. Como resultado, o custo do substrato diminuiu em 100 vezes. Essa estrutura é resistente à radiação, tornando essa fonte de energia segura e durável. Ao utilizar carbeto de silício em baterias nucleares, é possível atingir temperaturas de 350 graus Celsius.

Assim, os cientistas conseguiram criar uma bateria atômica com as próprias mãos!