A veces, los teléfonos móviles se descargan antes de lo esperado o los vehículos eléctricos no tienen suficiente carga para llegar a su destino. Las baterías recargables de iones de litio (Li-ion) de estos y otros dispositivos suelen durar horas o días sin recargarse. Sin embargo, con el uso repetido, las baterías se degradan y requieren recargas con mayor frecuencia. Ahora, los investigadores están considerando el radiocarbono como una fuente de baterías nucleares seguras, pequeñas y asequibles que podrían durar décadas o más sin recargarse.
Su-Il In, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk, ha presentado sus resultados en la reunión de primavera de la Sociedad Química Americana (ACS). Dicha reunión se ha celebrado del 23 al 27 de marzo y contó con unas 12 000 presentaciones sobre diversos temas científicos.
La carga frecuente que requieren las baterías de iones de litio no solo es un inconveniente. Limita la utilidad de las tecnologías que las utilizan para generar energía, como los drones y los equipos de teledetección. Además, las baterías son perjudiciales para el medio ambiente: la minería de litio consume mucha energía y su eliminación inadecuada puede contaminar los ecosistemas. Sin embargo, con la creciente ubicuidad de los dispositivos conectados, los centros de datos y otras tecnologías informáticas, la demanda de baterías de larga duración está en aumento.
Y es probable que unas mejores baterías de iones de litio no sean la solución a este desafío. "El rendimiento de las baterías de iones de litio está prácticamente saturado", afirma In, quien investiga tecnologías energéticas del futuro. Por ello, In y su equipo están desarrollando baterías nucleares como alternativa al litio.
¿Qué son las baterías nucleares?
Las baterías nucleares generan energía aprovechando partículas de alta energía emitidas por materiales radiactivos. No todos los elementos radiactivos emiten radiación dañina para los organismos vivos, y ciertos materiales pueden bloquear cierta radiación. Por ejemplo, las partículas beta (también conocidas como rayos beta) pueden protegerse con una fina lámina de aluminio, lo que convierte a la energía betavoltaica en una opción potencialmente segura para las baterías nucleares.
Los investigadores produjeron un prototipo de batería betavoltaica con carbono-14, una forma inestable y radiactiva del carbono, llamada radiocarbono. "Decidí usar un isótopo radiactivo del carbono porque solo genera rayos beta", afirma In. Además, al ser un subproducto de las centrales nucleares, el radiocarbono es económico, fácil de conseguir y reciclar. Y dado que el radiocarbono se degrada muy lentamente, una batería alimentada con radiocarbono podría, en teoría, durar milenios.
En una batería betavoltaica típica, los electrones chocan con un semiconductor, lo que produce electricidad. Los semiconductores son un componente crucial en las baterías betavoltaicas, ya que son los principales responsables de la conversión de energía. Por ello, los científicos están explorando materiales semiconductores avanzados para lograr una mayor eficiencia de conversión de energía, una medida de la eficacia con la que una batería puede convertir electrones en electricidad utilizable.
Un semiconductor diferente al resto
Para mejorar significativamente la eficiencia de conversión energética de su nuevo diseño, In y su equipo utilizaron un semiconductor a base de dióxido de titanio, un material común en células solares, sensibilizado con un tinte a base de rutenio. Reforzaron la unión entre el dióxido de titanio y el tinte con un tratamiento de ácido cítrico. Cuando los rayos beta del radiocarbono colisionan con el tinte a base de rutenio tratado, se produce una cascada de reacciones de transferencia de electrones, denominada avalancha de electrones. A continuación, la avalancha atraviesa el tinte y el dióxido de titanio recoge eficazmente los electrones generados.
La nueva batería también contiene radiocarbono en el ánodo y el cátodo sensibilizados con colorante. Al tratar ambos electrodos con el isótopo radiactivo, los investigadores aumentaron la cantidad de rayos beta generados y redujeron la pérdida de energía de la radiación beta relacionada con la distancia entre ambas estructuras.
Durante las demostraciones del prototipo de batería, los investigadores descubrieron que los rayos beta liberados por el radiocarbono en ambos electrodos activaban el tinte a base de rutenio en el ánodo, generando una avalancha de electrones que la capa de dióxido de titanio recogía y pasaba a través de un circuito externo, generando electricidad utilizable. En comparación con un diseño anterior con radiocarbono solo en el cátodo, la batería de los investigadores, con radiocarbono en el cátodo y el ánodo, presentó una eficiencia de conversión energética mucho mayor, pasando del 0,48 % al 2,86 %.
Distintas soluciones
Estas baterías nucleares de larga duración podrían permitir muchas aplicaciones, afirma In. Por ejemplo, un marcapasos duraría toda la vida de una persona, eliminando la necesidad de reemplazos quirúrgicos.
Sin embargo, este diseño betavoltaico convertía solo una pequeña fracción de la desintegración radiactiva en energía eléctrica, lo que resultaba en un menor rendimiento en comparación con las baterías de iones de litio convencionales. Esto sugiere que nuevos esfuerzos para optimizar la forma del emisor de rayos beta y desarrollar absorbedores de rayos beta más eficientes podrían mejorar el rendimiento de la batería y aumentar la generación de energía.
A medida que crece la preocupación por el clima, la percepción pública de la energía nuclear está cambiando. Sin embargo, todavía se considera energía producida únicamente en una gran central eléctrica en una ubicación remota. Con estas baterías betavoltaicas sensibilizadas por colorante y de doble fuente, In afirma: que "podemos introducir energía nuclear segura en dispositivos del tamaño de un dedo".
Perroflauta
29/03/2025