Imagínese un teléfono móvil cuya batería dure años y que no necesite enchufarlo en el tomacorriente para su recarga. O bien, un dron que sea capaz de sobrevolar indefinidamente la Amazonia, registrando focos de desmontes y actividades mineras ilegales. Situaciones como estas podrían hacerse realidad, en poco tiempo más, con el inicio de la producción comercial de nuevos sistemas de almacenamiento de energía que utilizan material radiactivo para generar electricidad en forma ininterrumpida, por decenas o centenas de años.
Una de estas innovaciones fue presentada a principios de año por la startup china Betavolt. La empresa desarrolló una batería nuclear que podrá generar energía durante 50 años sin necesidad de recarga. El dispositivo, que suministra una tensión de 3 voltios (V) y 100 microvatios (µW) de potencia, todavía está en la fase de proyecto piloto y funciona a partir de la conversión de la energía liberada por el decaimiento de isótopos de níquel radiactivos (Ni-63). Betavolt tiene previsto sacar al mercado una versión más potente de la batería en 2025, con 1 vatio (W) de potencia. Funcionando como un módulo, podría emplearse conectada en serie para suministrar energía a drones o teléfonos móviles.
En Brasil se han realizado estudios en este campo. Un equipo del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen), con sede en São Paulo, presentó a finales de 2023 el primer prototipo de una batería nuclear termoeléctrica fabricada en el país. El principio de funcionamiento del dispositivo, también conocido como generador termoeléctrico radioisotópico (RTG), es diferente al sistema de Betavolt: se genera una corriente eléctrica a partir de la conversión del calor generado por la desintegración de un isótopo de americio (Am-241) (véase la infografía al lado). En el módulo chino, las partículas beta (electrones) se transforman en una corriente eléctrica mediante el uso de un sistema conversor específico.
El proceso de decaimiento o desintegración radiactiva se produce cuando el núcleo inestable de un elemento químico se transforma en el núcleo de otro elemento, que tiene menos energía. Así libera radiación electromagnética y puede emitir partículas. Este fenómeno se caracteriza por su vida media, que es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los átomos del isótopo radiactivo presentes en una muestra.
“En nuestro desarrollo, tuvimos que dimensionar un módulo generador termoeléctrico, responsable de la conversión de la energía térmica en eléctrica”, explica el ingeniero químico y doctor en tecnología nuclear Carlos Alberto Zeituni, gerente del Centro de Tecnología de Radiaciones (Ceter) del Ipen, una de las unidades participantes en el proyecto; la otra es el Centro de Ingeniería Nuclear (Ceeng).
La ventaja principal de las baterías nucleares reside en que pueden proporcionar carga durante un extenso período de tiempo. “Una batería química convencional tiene una duración de cinco años, mientras que una de litio llega a durar 10 años. Las nucleares pueden tener una vida útil de 50, 100 o más años, dependiendo del material radiactivo utilizado. La nuestra, según nuestros cálculos, durará más de 200 años”, dice Zeituni. La investigación, que comenzó hace dos años, está siendo financiada por una empresa nacional interesada en comercializar la tecnología. Según estipula el contrato, su nombre no puede revelarse.
Los investigadores del Ipen utilizaron 11 fuentes de americio, empleadas originalmente en instrumentos de medición del espesor de chapas. Para garantizar que no haya riesgo de fuga del material radiactivo, las fuentes se apilaron y encapsularon en un tubo de aluminio. “El criterio inicial de cualquier proyecto nuclear tiene que ser la seguridad. La batería solo se comercializará cuando haya garantías de que el riesgo de fuga es nulo”, explica el ingeniero mecánico Eduardo Lustosa Cabral, investigador del Ceeng y miembro del proyecto.
Las baterías o pilas nucleares comenzaron a estudiarse a principios del siglo pasado. Estos dispositivos aún no se fabrican a escala comercial. Su producción, limitada, principalmente corre por cuenta del gobierno de los países que dominan la tecnología nuclear, tales como Estados Unidos, Rusia, Francia, China e Inglaterra.
La tecnología se utiliza en dispositivos situados en lugares de difícil acceso, por ejemplo, faros de islas desiertas, cuevas y laboratorios en el Ártico y en la Antártida. En la década de 1970, se utilizó en marcapasos, dispositivos que monitorean y regulan los latidos del corazón, implantados en más de 300 personas. “No hubo ningún informe de fuga o fallas”, dice la ingeniera química y doctora en tecnología nuclear Maria Alice Morato Ribeiro, investigadora del Ceeng y líder del grupo. Los rovers, vehículos de exploración de la Nasa, la agencia espacial estadounidense, y las sondas Voyager, lanzadas al espacio en 1977, también usan estas baterías. El módulo desarrollado en el Ipen estará destinado a aplicaciones en lugares remotos.
BetavoltLa batería de Betavolt mide 15 milímetros (mm) de largo, por 15 mm de ancho y 5 mm de espesorBetavolt
“El uso de esta tecnología es acotado debido a su costo de fabricación, la disponibilidad de materia prima y la dificultad de su producción”, informa Ribeiro. Hay que ser muy cuidadosos para evitar las fugas durante la fabricación y manipulación del dispositivo. Otra dificultad extra tiene que ver con el hecho de que toda la parte eléctrica está expuesta a la radiación, lo que puede acarrear daños al sistema.
Una dura competencia
Para el físico Hudson Zanin, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Campinas (Unicamp) y coordinador de una investigación que apunta al desarrollo de una pila a base de sodio (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 329), la labor realizada en el Ipen es prometedora, pero tendrá que superar desafíos hasta la obtención de un producto comercial.
“En un momento en el que estamos debatiendo cómo avanzar hacia una sociedad 100 % eléctrica y basada en fuentes de energía renovables, que sustituirán a los combustibles fósiles, el almacenamiento de energía es una tecnología clave. Por eso es importante el desarrollo de muchos tipos diferentes de baterías, incluida esta del Ipen”, dice.
“El largo tiempo de funcionamiento sin recarga de las baterías nucleares es su gran ventaja, pero necesitan evolucionar para aumentar el voltaje de salida”, objeta el físico de la Unicamp. “Además”, subraya, “tendrán que hacer frente a una dura competencia con otras tecnologías avanzadas, más baratas y ya afianzadas, como las baterías de litio-fosfato-hierro (LFP) y de níquel-cobalto-manganeso (NCM)”.
Republicar