Ricercatori russi dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT), l'Istituto tecnologico per i materiali di carbonio superduri e nuovi (TISNCM), e la National University of Science and Technology MISIS hanno ottimizzato la progettazione di una batteria nucleare che genera energia dal decadimento beta del nichel-63, un isotopo radioattivo. Il loro nuovo prototipo di batteria contiene circa 3, 300 milliwattora di energia per grammo, che è più che in qualsiasi altra batteria nucleare a base di nichel-63, e 10 volte superiore all'energia specifica delle celle chimiche commerciali. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Diamante e materiali correlati .

Le normali batterie che alimentano gli orologi, torce elettriche, giocattoli, e altri dispositivi elettrici utilizzano l'energia delle cosiddette reazioni chimiche redox in cui gli elettroni vengono trasferiti da un elettrodo all'altro tramite un elettrolita. Ciò dà luogo a una differenza di potenziale tra gli elettrodi. Se i due terminali della batteria sono poi collegati da un conduttore, gli elettroni iniziano a fluire per rimuovere la differenza di potenziale, generando una corrente elettrica. batterie chimiche, dette anche celle galvaniche, sono caratterizzati da un'elevata densità di potenza, ovvero il rapporto tra la potenza della corrente generata e il volume della batteria. Però, le cellule chimiche si scaricano in un tempo relativamente breve, limitando le loro applicazioni in dispositivi autonomi. Alcune di queste batterie, chiamati accumulatori, sono ricaricabili, ma anche loro devono essere sostituiti per la ricarica. Questo può essere pericoloso, come nel caso di un pacemaker cardiaco, o addirittura impossibile, se la batteria alimenta un veicolo spaziale.

Fortunatamente, le reazioni chimiche sono solo una delle possibili fonti di energia elettrica. Nel 1913, Henry Moseley ha inventato il primo generatore di energia basato sul decadimento radioattivo. La sua batteria nucleare consisteva in una sfera di vetro argentata all'interno con un emettitore di radio montato al centro su un elettrodo isolato. Gli elettroni risultanti dal decadimento beta del radio hanno causato una differenza di potenziale tra il film d'argento e l'elettrodo centrale. Però, la tensione al minimo del dispositivo era troppo alta, decine di kilovolt, e la corrente era troppo bassa per le applicazioni pratiche.

Nel 1953, Paul Rappaport ha proposto l'uso di materiali semiconduttori per convertire l'energia del decadimento beta in elettricità. Le particelle beta (elettroni e positroni) emesse da una sorgente radioattiva ionizzano gli atomi di un semiconduttore, creando portatori di carica non compensati. In presenza di un campo statico di una struttura p-n, le cariche fluiscono in una direzione, risultante in una corrente elettrica. Le batterie alimentate dal decadimento beta divennero note come betavoltaiche. Il principale vantaggio delle celle betavoltaiche rispetto alle celle galvaniche è la loro longevità. Gli isotopi radioattivi utilizzati nelle batterie nucleari hanno emivite che vanno da decine a centinaia di anni, quindi la loro potenza rimane pressoché costante per molto tempo. Sfortunatamente, la densità di potenza delle celle betavoltaiche è significativamente inferiore a quella delle loro controparti galvaniche. Nonostante questo, i betavoltaici sono stati utilizzati negli anni '70 per alimentare pacemaker cardiaci, prima di essere gradualmente eliminato dalle batterie agli ioni di litio più economiche, anche se questi ultimi hanno una vita più breve.

Le fonti di energia betavoltaica non devono essere confuse con i generatori termoelettrici a radioisotopi, o RTG, che sono anche chiamate batterie nucleari, ma operano su un principio diverso. Le celle termoelettriche convertono il calore rilasciato dal decadimento radioattivo in elettricità mediante termocoppie. L'efficienza degli RTG è solo di qualche punto percentuale e dipende dalla temperatura. Ma a causa della loro longevità e del design relativamente semplice, le fonti di energia termoelettrica sono ampiamente utilizzate per alimentare veicoli spaziali come la sonda New Horizons e il rover Mars Curiosity. Gli RTG erano precedentemente utilizzati su strutture remote non presidiate come fari e stazioni meteorologiche automatiche. Però, questa pratica è stata abbandonata, perché il combustibile radioattivo usato era difficile da riciclare e disperdeva nell'ambiente.

Un gruppo di ricerca guidato da Vladimir Blank, il direttore del TISNCM e presidente di fisica e chimica delle nanostrutture al MIPT, ha escogitato un modo per aumentare di quasi dieci volte la densità di potenza di una batteria nucleare. I fisici hanno sviluppato e prodotto una batteria betavoltaica utilizzando nichel-63 come fonte di radiazioni e diodi di diamante a base di barriera Schottky per la conversione dell'energia. La batteria del prototipo ha raggiunto una potenza di uscita di circa 1 microwatt, mentre la densità di potenza per centimetro cubo era di 10 microwatt, che è sufficiente per un moderno pacemaker artificiale. Il nichel-63 ha un'emivita di 100 anni, quindi la batteria è di circa 3, 300 milliwattora di potenza per 1 grammo, 10 volte più delle celle elettrochimiche.

Il prototipo della batteria nucleare consisteva in 200 convertitori di diamanti intercalati con nichel-63 e strati di lamina di nichel stabili (figura 1). La quantità di potenza generata dal convertitore dipende dallo spessore della lamina di nichel e dal convertitore stesso, perché entrambi influenzano quante particelle beta vengono assorbite. I prototipi attualmente disponibili di batterie nucleari sono scarsamente ottimizzati, poiché hanno un volume eccessivo. Se la sorgente di radiazioni beta è troppo spessa, gli elettroni che emette non possono sfuggirgli. Questo effetto è noto come autoassorbimento. Però, come la sorgente si assottiglia, il numero di atomi che subiscono il decadimento beta per unità di tempo è proporzionalmente ridotto. Un ragionamento simile vale per lo spessore del convertitore.

L'obiettivo dei ricercatori era massimizzare la densità di potenza della loro batteria al nichel-63. Per fare questo, hanno simulato numericamente il passaggio degli elettroni attraverso la sorgente beta ei convertitori. Si è scoperto che la sorgente di nichel-63 è più efficace quando ha uno spessore di 2 micrometri, e lo spessore ottimale del convertitore basato su diodi diamantati a barriera Schottky è di circa 10 micrometri.

Tecnologia di produzione

La principale sfida tecnologica è stata la fabbricazione di un gran numero di celle di conversione del diamante con una struttura interna complessa. Ogni convertitore era spesso solo decine di micrometri, come un sacchetto di plastica in un supermercato. Le tecniche convenzionali meccaniche e ioniche di assottigliamento del diamante non erano adatte a questo compito. I ricercatori di TISNCM e MIPT hanno sviluppato una tecnologia unica per sintetizzare sottili lastre di diamante su un substrato di diamante e suddividerle per produrre in serie convertitori ultrasottili.

Il team ha utilizzato 20 spesse lastre di cristallo di diamante drogate con boro come substrato. Sono stati coltivati ​​utilizzando la tecnica del gradiente di temperatura ad alta pressione. L'impianto ionico è stato utilizzato per creare un difettoso di 100 nanometri di spessore, strato "danneggiato" nel substrato alla profondità di circa 700 nanometri. Un film di diamante drogato con boro dello spessore di 15 micrometri è stato coltivato sopra questo strato mediante deposizione chimica da vapore. Il substrato è stato quindi sottoposto a ricottura ad alta temperatura per indurre la grafitizzazione dello strato difettoso sepolto e recuperare lo strato di diamante superiore. L'incisione elettrochimica è stata utilizzata per rimuovere lo strato danneggiato. Dopo la separazione dello strato difettoso mediante incisione, il convertitore semilavorato era dotato di contatti ohmici e Schottky.

Man mano che le operazioni si ripetevano, la perdita di spessore del supporto è stata di non più di 1 micrometro per ciclo. Un totale di 200 converter sono stati coltivati ​​su 20 substrati. Questa nuova tecnologia è importante dal punto di vista economico, perché i substrati di diamante di alta qualità sono molto costosi e quindi la produzione in serie di convertitori mediante assottigliamento del substrato non è fattibile.

Tutti i convertitori sono stati collegati in parallelo in uno stack come mostrato nella figura 1. La tecnologia per laminare fogli di nichel di 2 micrometri di spessore è stata sviluppata presso l'Istituto di ricerca e l'Associazione scientifica industriale LUCH. La batteria è stata sigillata con resina epossidica.

La batteria prototipo è caratterizzata dalla curva corrente-tensione mostrata in figura 3a. La tensione a circuito aperto e la corrente di cortocircuito sono 1,02 volt e 1,27 microampere, rispettivamente. La potenza massima in uscita di 0,93 microwatt si ottiene a 0,92 volt. Questa potenza corrisponde ad una potenza specifica di circa 3, 300 milliwattora per grammo, che è 10 volte di più rispetto alle celle chimiche commerciali o alla precedente batteria nucleare al nichel-63 progettata al TISNCM.

Nel 2016, I ricercatori russi del MISIS avevano già presentato un prototipo di batteria betavoltaica a base di nichel-63. Un altro prototipo funzionante, creato a TISNCM e LUCH, è stato dimostrato ad Atomexpo 2017. Aveva un volume utile di 1,5 centimetri cubi.

La principale battuta d'arresto nella commercializzazione delle batterie nucleari in Russia è la mancanza di impianti di produzione e arricchimento di nichel-63. Però, ci sono piani per lanciare la produzione di nichel-63 su scala industriale entro la metà del 2020.

Esiste un radioisotopo alternativo per l'uso nelle batterie nucleari:i convertitori Dimond potrebbero essere realizzati utilizzando carbonio 14 radioattivo, che ha un'emivita estremamente lunga di 5, 700 anni. Il lavoro su tali generatori è stato precedentemente segnalato da fisici dell'Università di Bristol.

Batterie nucleari:prospettive

Il lavoro riportato in questa storia ha prospettive di applicazioni mediche. La maggior parte dei pacemaker cardiaci all'avanguardia ha una dimensione di oltre 10 centimetri cubi e richiede circa 10 microwatt di potenza. Ciò significa che la nuova batteria nucleare potrebbe essere utilizzata per alimentare questi dispositivi senza modifiche significative al design e alle dimensioni. I "pacemaker perpetui" le cui batterie non devono essere sostituite o riparate migliorerebbero la qualità della vita dei pazienti.

Anche l'industria spaziale trarrebbe grandi vantaggi dalle batterie nucleari compatte. In particolare, c'è una richiesta di sensori esterni wireless autonomi e chip di memoria con sistemi di alimentazione integrati per veicoli spaziali. Il diamante è uno dei semiconduttori più resistenti alle radiazioni. Poiché ha anche un ampio margine di sicurezza, può operare in un'ampia gamma di temperature, rendendolo il materiale ideale per le batterie nucleari che alimentano i veicoli spaziali.

I ricercatori stanno pianificando di continuare il loro lavoro sulle batterie nucleari. Hanno individuato diverse linee di indagine che dovrebbero essere perseguite. in primo luogo, l'arricchimento del nichel-63 nella sorgente di radiazioni aumenterebbe proporzionalmente la potenza della batteria. In secondo luogo, sviluppare una struttura p-i-n a diamante con un profilo di drogaggio controllato aumenterebbe la tensione e quindi potrebbe aumentare la potenza della batteria almeno di un fattore tre. In terzo luogo, aumentare la superficie del convertitore aumenterebbe il numero di atomi di nichel-63 su ciascun convertitore.

Il direttore del TISNCM Vladimir Blank, che è anche presidente di fisica e chimica delle nanostrutture al MIPT, ha commentato lo studio:"I risultati finora sono già abbastanza notevoli e possono essere applicati in medicina e tecnologia spaziale, ma abbiamo intenzione di fare di più. Negli ultimi anni, il nostro istituto ha avuto un discreto successo nella sintesi di diamanti drogati di alta qualità, in particolare quelli con conduttività di tipo n. Questo ci consentirà di effettuare il passaggio dalle barriere Schottky alle strutture p-i-n e quindi di ottenere una potenza della batteria tre volte maggiore. Maggiore è la densità di potenza del dispositivo, più applicazioni avrà. Abbiamo capacità decenti per la sintesi di diamanti di alta qualità, quindi stiamo pianificando di utilizzare le proprietà uniche di questo materiale per creare nuovi componenti elettronici a prova di radiazioni e progettare nuovi dispositivi elettronici e ottici".