p Pesquisadores russos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), o Instituto Tecnológico de Superhard e Novos Materiais de Carbono (TISNCM), e a Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia MISIS otimizaram o projeto de uma bateria nuclear gerando energia a partir do decaimento beta do níquel-63, um isótopo radioativo. Seu novo protótipo de bateria contém cerca de 3, 300 miliwatts-hora de energia por grama, que é mais do que qualquer outra bateria nuclear baseada em níquel-63, e 10 vezes mais do que a energia específica das células químicas comerciais. O artigo foi publicado na revista Diamante e materiais relacionados . p Baterias comuns alimentando 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 forem conectados por um condutor, elétrons começam a fluir para remover a diferença de potencial, gerar uma corrente elétrica. Baterias químicas, também conhecidas como células galvânicas, são caracterizados por uma alta densidade de potência, isto é, a relação entre a potência da corrente gerada e o volume da bateria. Contudo, células químicas descarregam em um tempo relativamente curto, limitando suas aplicações em dispositivos autônomos. Algumas dessas baterias, chamados acumuladores, são recarregáveis, mas mesmo eles precisam ser substituídos para carregar. Isso pode ser perigoso, como no caso de um marca-passo cardíaco, ou mesmo impossível, se a bateria está alimentando uma nave espacial.

p Felizmente, as reações químicas são apenas uma das possíveis fontes de energia elétrica. Em 1913, Henry Moseley inventou o primeiro gerador de energia baseado em decadência radioativa. Sua bateria nuclear consistia em uma esfera de vidro prateada por dentro com um emissor de rádio montado no centro em um eletrodo isolado. Os elétrons resultantes do decaimento beta do rádio causaram uma diferença de potencial entre o filme de prata e o eletrodo central. Contudo, a tensão ociosa do dispositivo era muito alta - dezenas de quilovolts - e a corrente era muito baixa para aplicações práticas.

p Em 1953, Paul Rappaport propôs o uso de materiais semicondutores para converter a energia do decaimento beta em eletricidade. Partículas beta - elétrons e pósitrons - emitidas por uma fonte radioativa ionizam os átomos de um semicondutor, criando portadores de carga não compensados. Na presença de um campo estático de uma estrutura p-n, as cargas fluem em uma direção, resultando em uma corrente elétrica. Baterias alimentadas por decaimento beta passaram a ser conhecidas como betavoltaicas. A principal vantagem das células betavoltaicas em relação às células galvânicas é sua longevidade. Os isótopos radioativos usados ​​em baterias nucleares têm meia-vida variando de dezenas a centenas de anos, portanto, sua potência de saída permanece quase constante por um longo tempo. Infelizmente, a densidade de potência das células betavoltaicas é significativamente menor do que a de suas contrapartes galvânicas. Apesar disso, os betavoltaicos foram usados ​​na década de 1970 para alimentar marca-passos cardíacos, antes de ser eliminado por baterias de íon de lítio mais baratas, mesmo que o último tenha uma vida útil mais curta.

p Fontes de energia betavoltaica não devem ser confundidas com geradores termoelétricos de radioisótopos, ou RTGs, que também são chamadas de baterias nucleares, mas operam em um princípio diferente. As células termoelétricas convertem o calor liberado pela decadência radioativa em eletricidade usando termopares. A eficiência dos RTGs é de apenas alguns por cento e depende da temperatura. Mas, devido à sua longevidade e design relativamente simples, fontes de energia termoelétrica são amplamente utilizadas para alimentar espaçonaves como a sonda New Horizons e o Mars rover Curiosity. Os RTGs eram usados ​​anteriormente em instalações remotas não tripuladas, como faróis e estações meteorológicas automáticas. Contudo, esta prática foi abandonada, porque o combustível radioativo usado era difícil de reciclar e vazava para o meio ambiente.

p Uma equipe de pesquisa liderada por Vladimir Blank, o diretor da TISNCM e cadeira de física e química nanoestruturas do MIPT, descobriu 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 à base de barreira Schottky para conversão de energia. O protótipo da bateria atingiu uma potência de saída de cerca de 1 microwatt, enquanto a densidade de potência por centímetro cúbico era de 10 microwatts, o que é suficiente para um marcapasso artificial moderno. O níquel-63 tem meia-vida de 100 anos, então a bateria carrega cerca de 3, 300 miliwatts-hora de potência por 1 grama - 10 vezes mais do que as células eletroquímicas.

p O protótipo da bateria nuclear consistia em 200 conversores de diamante intercalados com níquel-63 e camadas de folha de níquel estáveis ​​(figura 1). A quantidade de energia gerada pelo conversor depende da espessura da folha de níquel e do próprio conversor, porque ambos afetam a quantidade de partículas beta absorvidas. Os protótipos atualmente disponíveis de baterias nucleares são mal otimizados, uma vez que têm volume excessivo. Se a fonte de radiação beta for muito espessa, os elétrons que ele emite não podem escapar dele. Este efeito é conhecido como autoabsorção. Contudo, à medida que a fonte se torna mais fina, o número de átomos sofrendo decaimento beta por unidade de tempo é proporcionalmente reduzido. Raciocínio semelhante se aplica à espessura do conversor.

p 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. Descobriu-se que a fonte de níquel-63 é mais eficaz quando tem 2 micrômetros de espessura, e a espessura ideal do conversor com base nos diodos de diamante de barreira Schottky é de cerca de 10 micrômetros.

p Tecnologia de manufatura

p O principal desafio tecnológico foi a fabricação de um grande número de células de conversão de diamante com estrutura interna complexa. Cada conversor tinha apenas dezenas de micrômetros de espessura, como uma sacola plástica em um supermercado. As técnicas convencionais mecânicas e iônicas de desbaste de diamante não eram adequadas para esta tarefa. Os pesquisadores da TISNCM e da MIPT desenvolveram uma tecnologia exclusiva para sintetizar placas de diamante finas em um substrato de diamante e dividi-las em conversores ultrafinos de produção em massa.

p A equipe usou 20 placas de cristal de diamante dopado com boro como substrato. Eles foram cultivados usando a técnica de gradiente de temperatura sob alta pressão. A implantação de íons foi usada para criar um defeito de 100 nanômetros de espessura, camada "danificada" no substrato na profundidade de cerca de 700 nanômetros. Um filme de diamante dopado com boro com 15 micrômetros de espessura foi crescido no topo desta camada usando deposição química de vapor. O substrato foi então submetido a recozimento de alta temperatura para induzir grafitização da camada defeituosa enterrada e recuperar a camada superior de diamante. A gravação eletroquímica foi usada para remover a camada danificada. Após a separação da camada defeituosa por corrosão, o conversor semi-acabado foi equipado com contatos ôhmicos e Schottky.

p À medida que as operações foram repetidas, a perda de espessura do substrato não ultrapassava 1 micrômetro por ciclo. Um total de 200 conversores foram cultivados em 20 substratos. Esta nova tecnologia é importante do ponto de vista econômico, porque substratos de diamante de alta qualidade são muito caros e, portanto, a produção em massa de conversores por desbaste de substrato não é viável.

p Todos os conversores foram conectados em paralelo em uma pilha, conforme mostrado na figura 1. A tecnologia para laminar folha de níquel de 2 micrômetros de espessura foi desenvolvida no Instituto de Pesquisa e na Associação Industrial Científica LUCH. A bateria foi selada com epóxi.

p O protótipo da bateria é caracterizado pela curva corrente-tensão mostrada na figura 3a. A tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito são 1,02 volts e 1,27 microamperes, respectivamente. A potência máxima de saída de 0,93 microwatts é obtida com 0,92 volts. Esta saída de potência corresponde a uma potência específica de cerca de 3, 300 miliwatts-hora por grama, que é 10 vezes mais do que nas células químicas comerciais ou na bateria nuclear de níquel-63 anterior projetada na TISNCM.

p Em 2016, Pesquisadores russos do MISIS já haviam apresentado um protótipo de bateria betavoltaica baseada em níquel-63. Outro protótipo funcional, criado na TISNCM e LUCH, foi demonstrado na Atomexpo 2017. Ele tinha um volume útil de 1,5 centímetros cúbicos.

p O principal revés na comercialização de baterias nucleares na Rússia é a falta de instalações de produção e enriquecimento de níquel-63. Contudo, há planos de lançar a produção de níquel-63 em escala industrial até meados da década de 2020.

p Existe um radioisótopo alternativo para uso em baterias nucleares:conversores de Dimond podem ser feitos usando carbono-14 radioativo, 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.

p Baterias nucleares:perspectivas

p O trabalho relatado nesta história tem perspectivas para 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 potência. Isso significa que a nova bateria nuclear pode ser usada para alimentar esses dispositivos sem nenhuma alteração significativa em seu design e tamanho. "Marcapassos perpétuos", cujas baterias não precisam ser substituídas ou reparadas, melhorariam a qualidade de vida dos pacientes.

p A indústria espacial também se beneficiaria muito com baterias nucleares compactas. Em particular, há 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 mais à prova de radiação. Uma vez que também tem um grande espaçamento entre bandas, pode operar em uma ampla gama de temperaturas, tornando-o o material ideal para baterias nucleares que alimentam naves espaciais.

p Os pesquisadores planejam continuar seu trabalho com baterias nucleares. Eles identificaram várias linhas de investigação que devem ser seguidas. Em primeiro lugar, enriquecer o níquel-63 na fonte de radiação aumentaria proporcionalmente a energia da bateria. Em segundo lugar, desenvolver uma estrutura de diamante p-i-n com um perfil de dopagem controlado aumentaria a tensão e, portanto, poderia aumentar a produção de energia da bateria pelo menos por um fator de três. Em terceiro lugar, aumentar a área de superfície do conversor aumentaria o número de átomos de níquel-63 em cada conversor.

p Vladimir Blank, diretor da TISNCM, que também é presidente de física e química de nanoestruturas no MIPT, comentou sobre o estudo:“Os resultados até agora são bastante notáveis ​​e podem ser aplicados na medicina e na tecnologia espacial, mas estamos planejando fazer mais. Nos últimos anos, nosso instituto tem tido bastante sucesso na síntese de diamantes dopados de alta qualidade, particularmente aqueles com condutividade do tipo n. Isso nos permitirá fazer a transição das barreiras Schottky para as estruturas p-i-n e, assim, alcançar uma bateria três vezes maior. Quanto maior for a densidade de potência do dispositivo, mais aplicativos terá. Temos recursos decentes para síntese de diamante de alta qualidade, portanto, estamos planejando utilizar as propriedades exclusivas deste material para criar novos componentes eletrônicos à prova de radiação e projetar novos dispositivos eletrônicos e ópticos. "