Batterie che durano anni? Sì grazie al decadimento nucleare

L’uomo del XXI secolo vive la sua vita strettamente dipendente dalla durata della batteria dei dispositivi che utilizza per semplificare la sua quotidianità. Quando compriamo uno smartphone uno dei requisiti che tutti di noi controllano e vogliono super performante è la durata della batteria. Più è alta la capacità, maggiore è la durata. Sono però tante le applicazioni che utilizziamo al giorno e spesso passiamo moltissime ore fuori casa, dunque malgrado la batteria dello smartphone sia superiore a 4000 mAh questo non ci basta per rimanere sempre connessi. Un altro aspetto molto importante riguarda il tempo di carica, solitamente vogliamo aspettare meno tempo possibile. Come risolvere tutto ciò? Alcune aziende stanno sviluppando batterie a decadimento nucleare. Una novità che si aggiunge alla recente scoperta delle batterie a flusso solare e all’utilizzo di biobatterie per ottenere energia da sudore e saliva.

Come funzionano le batterie a decadimento nucleare? Le principali differenze dalle classiche batterie elettrochimiche è che queste non possono essere caricate e ricaricate, sono molto costose, hanno un’alta densità energetica. I principali ambiti applicativi riguardano i settori automobilistico, aerospaziale, elettronica di consumo, impianti medici e difesa.

Batterie al trizio

A fine 2008 l’azienda City Labs sviluppò la batteria NanoTritium usando l’isotopo radioattivo dell’idrogeno: il trizio. Il trizio è l’isotopo radioattivo più benigno ed è già utilizzato come fonte di illuminazione nei cartelli segnalanti un’uscita. NanoTritium ha livelli di potenza dell’ordine dei nanowatt e temperatura di funzionamento nel range da -55°C a +150°C, senza rovinare le capacità operative. Nel 2010 City Labs ottenne la prima licenza del settore per la distribuzione delle batterie al trizio betavoltaico, in questo modo l’utente finale può acquistarle e riceverle senza necessità di avere una licenza o formazione sulle radiazioni.

In condizioni standard di pressione e temperatura il trizio crea un gas di molecole biatomiche; essendo radioattivo decade formando elettroni beta in elio-3, da qui il nome di batteria betavoltaica: genera corrente elettrica da elettroni beta. La batteria non solo è resistente alle vibrazioni, altitudini, alte temperature ma anche a un cambiamento dell’ambiente. La cella betavoltaica al trizio di City Labs opera seguendo il principio di generazione elettrone-lacuna con un composto metallico brevettato dall’azienda formato da una lamina di idruro di ossido di trizio.

In soli 12.3 anni il trizio arriva a metà del suo ciclo di decadimento ma la batteria continuerà a emettere elettroni a bassa potenza, indipendentemente dall’ambiente circostante. Questo è un grosso vantaggio rispetto alle classiche batterie il cui ciclo di vita è influenzato dalle impurità create dal cambiamento della temperatura ambiente. Con dei test specifici nei laboratori City Labs, le batterie betavoltaiche possono arrivare a circa 20 anni di continue emissioni di elettroni.

Applicazioni di City Labs

Combinando un condensatore o una batteria agli ioni di Litio in parallelo alla batteria betavoltaica, si ha un circuito continuo senza carica, si potrà dunque utilizzare NanoTritium per dispositivi medici. Una volta che il dispositivo è impiantato non saranno più necessari gli interventi per sostituire la batteria o incorrere in un malfunzionamento a causa della batteria scarica. In 6 giorni, una sorgente betavoltaica da 1μA potrebbe caricare una cella agli ioni di litio da 1,5 mAh scaricata del 10%. Con quest’ultima tecnica si possono alimentare dispositivi anti-manomissione in grado di proteggere da attacchi di reverse engineering. La sorgente ibrida fornirebbe corrente di standby e di scoppio per trasmettere e ricevere segnali in dispositivi RFID e controllo remoto di ordigni e attuatori.

NanoTritium potrà mantenere attive le chiavi di crittografia per oltre 20 anni nelle SRAM dei processori digitali come FPGA, alimentando le SRAM anche in ambienti con temperature rigide.

Batterie nucleari ai diamanti

L’azienda pioniera nella creazione di batterie nucleari ai diamanti è NDB: Nano Diamond Battery. Il loro scopo è fornire energia pulita e verde, migliorando lo standard di vita in maniera ecosostenibile, producendo meno rifiuti elettronici possibili. In breve, NDB è una soluzione sicura, ad alta potenza, verde e versatile utilizzando energia prodotta da scorie e combustibili nucleari riciclati a livello globale.

Una batteria nucleare a base di diamanti utilizza un semiconduttore metallico o ceramico per raccogliere la carica prodotta dal decadimento nucleare. Il semiconduttore è collegato in diverse unità ricreando la classica struttura a pila, conferendo una maggiore efficienza del sistema. In questa configurazione ogni stack è costituito da una fonte di elevata produzione di energia nucleare, facilitando lo scattering anelastico originato dalla presenza di diamante a singolo cristallino.

Il design flessibile assume ogni forma a seconda dell’applicazione, impedisce l’autoassorbimento del calore da parte del radioisotopo e consente una rapida conversione in elettricità utilizzabile. Le pile e la sorgente sono rivestite con uno strato di diamante policristallino, un ottimo schermo per la sicurezza. Per evitare un danneggiamento termico dovuto alle elevate temperature della sorgente nucleare, nella struttura sono presenti delle prese d’aria che conferiscono il calore verso il diamante policristallino. Per evitare la proliferazione nucleare è presente un impianto ionico che impedisce un utilizzo del nucleare diverso dalla generazione di energia.

L’energia prodotta non riguarda solo emissioni di radiazioni alfa e beta ma anche neutroniche utilizzando un drogaggio di boro-10 convertendo ogni neutrone in più raggi alfa. Al momento l’azienda non ha reso noto il materiale utilizzato per il nucleare ma trattandosi del riutilizzo di scorie nucleari si ipotizzano diversi materiali, tra i tanti, molti reattori nucleari sono composti dall’isotopo carbonio-14.

Applicazioni di NDB

Uno degli obiettivi di NDB è l’utilizzo di queste batterie per auto elettriche offrendo una modalità di guida ininterrotta con alto chilometraggio. Si applica anche a droni, aerei elettrici, rover e stazioni spaziali. Non solo, NDB si potrebbe utilizzare per alimentare l’elettronica di consumo arrivando ad avere smartphone con una durata della batteria di 9 anni. NDB potrebbe montare le proprie batterie anche in oggetti quotidiani aumentando la vita del dispositivo, diminuendo la produzione di rifiuti elettronici. In questo modo tutti gli oggetti sarebbero più intelligenti grazie a una grande capacità di calcolo dovuta a una batteria dalla lunga durata. Queste sono solo le idee realizzative di NDB, attualmente ancora non implementate.