Em um futuro próximo, seu smartphone, carro elétrico ou outros produtos que usam baterias convencionais e de lítio poderão ser alimentados por uma bateria nuclear, graças a um avanço feito por cientistas russos. E não é preciso se preocupar, pois a radiação emitida por essa bateria nuclear é de baixa energia, podendo ser bloqueada até mesmo por uma folha de papel. O invólucro da bateria é mais do que suficiente para torná-la segura.
Pesquisadores russos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), do Instituto Tecnológico de Materiais Superficiais e Avançados de Carbono (TISNCM) e da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia MISIS otimizaram o projeto de uma bateria nuclear que gera energia a partir do decaimento beta de níquel-63, um isótopo radioativo.
Seu novo protótipo de bateria contém cerca de 3.300 miliwatts-hora de energia por grama, sendo mais do que qualquer outra bateria nuclear baseada em níquel-63, e 10 vezes mais do que a energia das baterias químicas convencionais.
Baterias comuns que alimentam relógios, lanternas, brinquedos e outros dispositivos elétricos usam a energia das chamadas reações químicas redox, nas quais os elétrons são transferidos de um eletrodo para outro por meio de um eletrólito. Isso dá origem a uma diferença de potencial entre os eletrodos. Se os dois terminais da bateria são então conectados por um condutor, os elétrons começam a fluir para remover a diferença de potencial, gerando uma corrente elétrica.
No entanto, elas descarregam em um tempo relativamente curto (pilhas comuns) ou precisam ser recarregadas (baterias recarregáveis). Essa não é uma boa ideia em aplicações como marcapassos cardíacos, porque isso exige cirurgias adicionais, ou pode até mesmo ser impossível, no caso de a bateria estar alimentando uma espaçonave.
As baterias de células químicas (ou de lítio), também conhecidas como células galvânicas, são caracterizadas por uma alta densidade de potência – ou seja, a relação entre a potência da corrente gerada e o volume da bateria. No entanto, elas descarregam em um tempo relativamente curto (pilhas comuns) ou precisam ser recarregadas (baterias recarregáveis), limitando suas aplicações em dispositivos autônomos. Isso pode ser perigoso, como no caso de um marca-passo cardíaco, ou mesmo impossível, se a bateria estiver alimentando uma espaçonave. Felizmente, as reações químicas são apenas uma das possíveis fontes de energia elétrica.
Uma equipe de pesquisa liderada por Vladimir Blank, diretor da TISNCM e presidente de física e química de nanoestrutura no MIPT, surgiu com uma maneira de aumentar a densidade de energia de uma bateria nuclear quase dez vezes. Os físicos desenvolveram e fabricaram uma bateria betavoltaica usando níquel-63 como fonte de radiação e diodos de diamante baseados em barreira de Schottky para conversão de energia.
O protótipo da bateria nuclear 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 um moderno marcapasso artificial.
O níquel-63 tem uma meia-vida de 100 anos, então a bateria acumula cerca de 3.300 miliwatts-hora de energia por 1 grama. A potência máxima de saída de 0,93 microwatts é obtida em 0,92 volts, o que é 10 vezes mais que as células eletroquímicas comerciais ou a bateria anterior de níquel-63 nuclear projetada no TISNCM.
O objetivo dos pesquisadores era maximizar a densidade de energia de sua bateria de níquel-63. Para fazer isso, eles simularam numericamente a passagem de elétrons através da fonte beta e dos conversores.
Em 2016, pesquisadores russos da MISIS já haviam apresentado um protótipo de bateria betavoltaica baseada no níquel-63. Outro protótipo funcional, criado na TISNCM e na LUCH, foi demonstrado na Atomexpo 2017, com volume útil de 1,5 centímetro cúbico.
O principal revés na comercialização de baterias nucleares na Rússia é a falta de instalações de produção e enriquecimento de níquel-63. No entanto, há planos para lançar a produção de níquel-63 em escala industrial em meados de 2020.
Há um radioisótopo alternativo para uso em baterias nucleares: os conversores Dimond podem ser feitos usando carbono radioativo 14, que tem uma meia-vida extremamente longa de 5.700 anos. O trabalho em tais geradores foi relatado anteriormente por físicos da Universidade de Bristol.
A pesquisa dessa nova bateria nuclear tem perspectivas para aplicações médicas. A maioria dos marca-passos 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 poderia ser usada para alimentar esses dispositivos sem qualquer alteração significativa em seu design e tamanho. Seriam “Marcapassos perpétuos” cujas baterias não precisam ser substituídas ou consertadas, melhorando a qualidade de vida dos pacientes.
A indústria espacial também se beneficiaria muito 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. O diamante é um dos semicondutores menos propensos a radiação. Como também possui um grande bandgap, ele pode operar em uma ampla faixa de temperaturas, tornando-o o material ideal para baterias nucleares que alimentam espaçonaves.
Os pesquisadores planejam continuar seu trabalho em baterias nucleares e já identificaram várias linhas de pesquisa que podem trabalhar. O diretor da TISNCM, Vladimir Blank, que também é presidente de física e química de nanoestrutura no MIPT, comentou o estudo:
Os resultados até agora já são notáveis e podem ser aplicados em medicina e tecnologia espacial, mas planejamos fazer mais. Nos últimos anos, nosso instituto teve bastante sucesso na síntese de diamantes dopados de alta qualidade, particularmente aqueles com condutividade tipo N. Isso nos permitirá fazer a transição das barreiras de Schottky para as estruturas de pinos e, assim, alcançar uma potência de bateria três vezes maior. Quanto maior a densidade de potência do dispositivo, mais aplicações ele terá. Temos capacidades decentes para a síntese de diamantes de alta qualidade, por isso, estamos planejando utilizar as propriedades exclusivas desse material para criar novos componentes eletrônicos à prova de radiação e projetar novos dispositivos eletrônicos e óticos.”
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