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Una batteria che non necessita di ricarica, che duri per decenni e che occupi uno spazio piccolissimo. Tre benefici che chiedono in cambio la rinuncia in termini di efficienza del dispositivo. La ricerca nel campo delle batterie betavoltaiche fornisce soluzioni sempre più innovative per incrementare le performance. E già si pensa ad un loro impiego per risolvere il problema dei rifiuti legati all’industria del nucleare.

L’interesse verso le batterie nucleari ebbe origine agli inizi del 1900 e ancora oggi catalizzano l’attenzione della comunità scientifica per un aspetto molto importante: la possibilità di usufruire di una batteria con un tempo di vita molto lungo. Per molto tempo l’attenzione si è concentrata su dispositivi capaci di convertire il calore di decadimento di un radioisotopo attraverso l’effetto Seebeck, alla base del funzionamento dei generatori di energia termoelettrici [1]. La bassa efficienza e le grandi dimensioni sono state le principali cause dell’abbandono dell’interesse verso questo tipo di batterie. La crescita delle conoscenze in ambito della fisica nucleare e subnucleare dopo gli anni ‘50 ha permesso di recuperare il progetto di una batteria con un lungo tempo di vita ottenendo, questa volta, energia dai radioisotopi attraverso le radiazioni di decadimento.

Radiazione e tempi di decadimento

I termini radioisotopo e radiazione di decadimento sono spesso citati in occasione di incidenti nucleari o a seguito del ritrovamento di una discarica abusiva di rifiuti tossici, acquisendo così un’accezione negativa. Uno sguardo più distaccato ci permette di comprendere a pieno le potenzialità in termini di produzione di energia dietro a questi due termini. Gli isotopi di uno stesso elemento chimico sono nuclidi che differiscono nel numero di neutroni ma con uguale numero di protoni (particelle subatomiche costituenti il nucleo atomico). Il bilanciamento di queste particelle all’interno di un atomo ne determina la stabilità e conseguentemente la sua abbondanza in natura.

Tabella periodica con isotopi.

Gli isotopi instabili, indicati con il termine radioisotopi, tendono a trasformarsi in isotopi stabili attraverso l’emissione una radiazione di decadimento, appunto, consistente nella fuoruscita di particelle atomiche. La natura di quest’ultime determina il tipo di radiazione di decadimento:

  • radiazione alfa (α): emissione di protoni e neutroni
  • radiazione beta (β): emissione di elettroni e positroni (l’antielettrone)
  • radiazione gamma (γ): emissione di un fotone
  • fissione spontanea: decadimento in nuclei di atomi meno pesanti.

Un’altra importante grandezza tipica di un elemento radioattivo è il tempo che impiega a trasformarsi in un elemento stabile o, più correttamente, il tempo che impiegano la metà degli atomi presenti in un campione di materiale radioattivo puro a trasformarsi in atomi di un elemento stabile. Tale tempo è indicato come tempo di dimezzamento o emivita di un radioisotopo. Gli elementi radioattivi presentano dei tempi di decadimento che possono variare da qualche frazione di secondo fino a miliardi anni. Minore è il tempo di emivita e maggiore è la densità di energia associata alla radiazione di decadimento.

Energia naturale: come sfruttarla?

Radiazione di decadimento, emissione di particelle subatomiche e di frammenti nucleari richiamano inevitabilmente dei concetti legati ai vettori energetici e alla possibilità di produrre energia. La fabbricazione di un dispositivo capace di fornire energia elettrica sfruttando le radiazioni ionizzanti di un radioisotopo è influenzata dal ruolo cruciale ricoperto dal trasduttore e dal materiale che lo caratterizza. Una radiazione ionizzante, interagendo con la materia, le trasferisce la sua energia determinando processi di ionizzazione e innalzamento della temperatura. Quest’ultimo trasferimento di energia, come è stato anticipato, è stato abbandonato ormai da tempo, mentre è di grande interesse la possibilità di ottenere all’interno di un materiale delle cariche elettriche in grado di muoversi opportunamente per produrre una corrente elettrica. Tra le particelle emesse in un processo di decadimento di un radioisotopo, le beta sono quelle che maggiormente attraggono l’attenzione dei ricercatori.

Cosa avviene quando una radiazione beta colpisce la materia?

Le particelle beta (elettroni e positroni) penetrano il materiale-target ad una profondità di qualche millimetro. Durante il loro percorso incontrano, da un punto di vista quantistico, gli elettroni interni al materiale e gli trasferiranno la loro energia attraverso urti elastici (scattering coulombiano) o attraverso emissione di radiazione elettromagnetica per frenamento (emissione di Bremsstrahlung). L’energia trasmessa è, in taluni casi, sufficiente ad estrarre un elettrone dalla sua orbita creando una coppia elettrone-lacuna. L’elettrone estratto può causare successive ionizzazioni, generando così, all’interno del materiale, i portatori di carica necessari alla produzione di energia elettrica.

Simulazione interazione radiazione beta – materia. Linee rosse – scattering coulombiano; linee verdi – Bremsstrahlung

Le batterie betavoltaiche

Un materiale semiconduttore è il più idoneo per la fabbricazione di una batteria betavoltaica, poiché è dalla sua interazione con una radiazione beta che viene prodotta tipicamente la coppia elettrone-lacuna alla base del funzionamento come dispositivo di produzione di energia elettrica. Esistono però delle limitazioni fisiche che determinano delle difficoltà nella produzione di energia elettrica da radiazioni ionizzanti. Un lungo tempo di decadimento di una radiazione ionizzante, aspetto attrattivo nella produzione di batterie nucleari con lungo tempo di vita, è inversamente proporzionale alla densità energetica associata. Se a questo aspetto si aggiunge l’inevitabile ostacolo associato all’efficacia del trasferimento di energia tra radiazione e materia (semiconduttore), si conclude che l’enorme potenzialità espressa da questa tecnologia è limitata in fase realizzativa del dispositivo.

Un ulteriore aspetto che determina un limite nella produzione di batterie betavoltaiche è legato alla graduale riduzione delle performance nel tempo. La causa è da ricercarsi nella continua esposizione alla radiazione beta del materiale semiconduttore che ne danneggia la struttura cristallina. Al fine di minimizzare questo fenomeno, che inevitabilmente diminuisce il tempo di vita della batteria, è necessario ricorrere all’uso di semiconduttori capaci di resistere alle alte energie cinetiche associate alle particelle delle radiazioni ionizzanti. Una buona risposta, in termini di stabilità, è mostrata generalmente da materiali caratterizzati da una larga differenza di potenziale tra banda di valenza e banda di conduzione (band gap), ma al contempo si registra anche una perdita in efficienza del dispositivo. Ad oggi possono essere prodotte batterie capaci di un’efficienza del 3%, valore piuttosto sfavorevole, ma che sembra non essere rilevante rispetto al vantaggio di un tempo di vita che può arrivare anche a 10-12 anni.

Diverse sono le strade percorse al fine di aumentare l’efficienza di questi dispositivi, come ad esempio il ricorso ad un sistema in cui viene sfruttata l’interazione della radiazione ionizzante con un liquido [3] per ridurre gli effetti delle radiazioni ionizzanti, o utilizzando materiali semiconduttori con una band gap abbastanza ampia (come il silicio cristallino), e utilizzando come radiazione beta quella emessa dallo stronzio 90, 90Sr, e dal suo prodotto di decadimento (in gergo figlio), l’ittrio 90, 90Y. [4]

In commercio non esistono molte aziende che producono questi dispositivi e la prima società a costruire batterie betavoltaiche è stata la City Labs Inc. [4], che tra il 2008 e il 2011 realizzò il primo dispositivo, sfruttando come radioisotopo il trizio, isotopo dell’idrogeno con un protone e due neutroni, e utilizzandolo in applicazioni come la microelettronica, sensoristica e altri piccoli dispositivi (es. pacemaker) che richiedevano piccole quantità di energia.

Batteria betavoltaica City Lab Inc.

Anche la Widetronix [5] può vantare una discreta esperienza nello stesso campo e sempre utilizzando come radioisotopo il trizio.

Il raggiungimento di risultati significativi in termini di efficienza e di potenza energetica, espressa da questa tecnologia, potrebbe essere una risposta al problema legato alla gestione dei rifiuti radioattivi prodotti nell’industria nucleare e nella diagnostica medica con radioisotopi.

ilpositivismo.com

Fonti e approfondimenti betavoltaiche betavoltaiche betavoltaiche

[1] https://ilpositivismo.com/termoelettricita-calore-disperso
[2] Progress in Nuclear Energy, Volume 75, August 2014, Pages 117-148
[3] Nature, Scientific Reports 4, Article number: 5249 (http://www.nature.com/articles/srep05249)
[4] Nature, Scientific Reports 6, Article number: 38182 (http://www.nature.com/articles/srep38182)
[5] http://www.widetronix.com/

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Luca Pandolfi
Laureato in Chimica Industriale, Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali. Esperienza pluriennale nello studio con tecniche di caratterizzazione chimico-fisica e nella fabbricazione di materiali innovativi applicati sia nel campo della micro-nano elettronica in ambito del monitoraggio ambientale, sia come dispositivi presenti negli impianti rivolti alla produzione di energia da fonte rinnovabile. Analista chimico, responsabile di laboratorio e servizi tecnici in aziende di consulenza in Ambiente e Sicurezza nei Luoghi di lavoro. Esperienza maturata nella Buona Pratica di Laboratorio in ambito delle indagini ambientali in riferimento agli agenti chimici, cancerogeni/mutageni e a materiali contenenti amianto. Coautore di 39 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali ISI e oratore in diversi convegni internazionali riguardanti lo studio di materiali e processi innovativi.