Las baterías betavoltaicas son dispositivos que generan electricidad a partir de la radiación beta de un material radiactivo. Alphavoltaics funciona de manera similar, utilizando radiación alfa. El concepto se inventó hace aproximadamente 50 años y son lo suficientemente seguros como para usarse, por ejemplo, en marcapasos.
Sin embargo, el artículo de Wikipedia sobre ellos afirma que "fueron eliminados a medida que se desarrollaban baterías de iones de litio más baratas". Sin embargo, siento que las baterías de iones de litio no están a la altura de la tarea que los consumidores querrían que realizaran: por ejemplo, los iPhone mantienen su carga durante aproximadamente un día y las computadoras portátiles a veces no pueden manejar más de cuatro horas. Los betavoltaicos, por otro lado, pueden mantener su carga durante años.
¿Por qué, entonces, no se utilizan en aplicaciones comerciales? ¿Cuáles son sus ventajas y desventajas relativas con respecto a las soluciones actuales y, en particular, a las baterías de iones de litio?
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La cantidad de electricidad está ligada a la vida media. Por ejemplo, si el Ni-63 tiene una vida media de 100 años, esto significa que ese mol de níquel producirá electrones Avogadro/2 durante esos 100 años. Esto significa 10^21 electrones por año y 10^14 electrones por segundo.
Esto significa hasta 0,1 mA o corriente eléctrica.
La energía de los electrones del níquel es de 67 keV. Esto significa que cada electrón tiene 67 kilovoltios de tensión eléctrica.
Entonces, el poder de la electricidad de un mol de Níquel-63 es 67000*0.0001 = hasta 6 watts.
Otra forma de calcular. Si el níquel-64 produce 10^14 electrones por segundo, cada uno de 67 keV de energía, entonces la potencia es 7 * 10^4 * 10^14 ev/s = 7 * 10^4 * 10^14 * 10^(- 19) = 0,7 vatios.
Entonces, los números son consistentes en el orden de magnitud.
Aproximadamente, un mol de Níquel-63 proporciona 1 vatio de electricidad aprox.
Esto parece suficiente para muchos casos, incluido el consumo de energía del iPhone.
1 mol de Níquel-63 pesa 63 gramos. El acumulador de iPhone puede pesar más de 100.
Entonces, las baterías atómicas pueden reemplazar a las baterías convencionales y servir durante años.
Entonces, ¿por qué no los usamos?
Hay muchas razones para esta situación.
La energía producida no es ajustable . La batería produce energía a una velocidad casi constante (decayendo lentamente con el tiempo). No se puede aumentar y si no se consume (o almacena) la potencia se pierde.
(Mencionado por DumpsterDoofus) baja densidad de potencia . por ejemplo, produce ~ 5 W / kg (y kg aquí es solo una masa de material radiactivo, la batería real sería al menos un orden de magnitud más pesada). Hay, por supuesto, isótopos con densidades de potencia mucho más altas, pero encuentran otros problemas.
Daños en semiconductores . Si tratamos de aumentar la potencia mediante el uso de isótopos con energías de desintegración más altas, encontramos que los electrones de alta energía dañan los semiconductores, lo que reduce la vida útil de las baterías a tiempos mucho más cortos que la vida media de los isótopos. Las partículas alfa, especialmente, dañan las uniones pn, por lo que aunque (por ejemplo) produce 0,55 W/g de radiación alfa, se utiliza principalmente en los esquemas termoeléctricos más que en convertidores de energía directos.
Radiación gamma . Muchos isótopos tienen emisión gamma como un modo secundario de descomposición. Dado que este tipo de radiación es difícil de proteger, esto significa que la selección de isótopos utilizables para las baterías se limita solo a los emisores beta puros .
Bremsstrahlung . El frenado de electrones produce este tipo de radiación, que debía ser blindada. Una vez más, esto limita nuestra selección de isótopos a aquellos con energías de desintegración relativamente bajas.
Bajo volumen de producción / Economía . Muchos isótopos cuestan demasiado para ser prácticos en una amplia gama de aplicaciones. Esto se explica en parte por el bajo volumen de producción y en parte por el proceso de producción que será costoso en todos los volúmenes porque requiere una separación de isótopos que consume energía e instalaciones especiales para trabajar con materiales radiactivos. Por ejemplo, el tritio (uno de los materiales para la betavoltaica) cuesta alrededor de $30 000 por gramo y su producción mundial anual es de 400 g ( de wikipedia ).
Todo esto significa que las baterías nucleares están limitadas a una selección de aplicaciones de nicho, generalmente aquellas con requisitos de baja potencia / larga vida útil autónoma. Eso no quiere decir que no pueda haber innovaciones que amplíen su uso o reduzcan costos.
[1] Tsvetkov, LA, et al. "Posible camino a la producción industrial de níquel-63 y las perspectivas de su uso". (2005). versión en línea
Actualizar _ Sus cálculos actualizados sobre la potencia de salida de es esencialmente correcto con una distinción crucial: 67 keV es la energía de desintegración total y aproximadamente la energía máxima del electrón. Pero, dado que la desintegración también produce neutrino, la energía media del electrón es mucho menor: 17 keV (mira esta referencia NUDAT , o este applet de Java para el espectro de electrones). Entonces, la potencia utilizable de 1 mol de es:
Por cierto, llegamos a una razón más (aunque no, estrictamente hablando, relacionada con la física):
¿Quizás ahora sería posible y práctico?
http://www.nature.com/srep/2014/140611/srep05249/full/srep05249.html
Conversión de energía radiolítica asistida por plasmón en soluciones acuosas Baek Hyun Kim, Jae W. Kwon Nature Scientific Reports Vol.: 4, Número de artículo: 5249 DOI: 10.1038/srep05249
“El agua actúa como un amortiguador y los plasmones de superficie creados en el dispositivo resultaron ser muy útiles para aumentar su eficiencia”, dijo Kwon. “La solución iónica no se congela fácilmente a temperaturas muy bajas y podría funcionar en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las baterías de automóviles y, si se empaqueta correctamente, quizás en naves espaciales”.
Hay muchas razones por las que no se usan, las razones o mis explicaciones pueden no ser buenas/útiles.
Son superiores a las baterías en casi todos los sentidos, pero el costo las limita a los dispositivos de micro potencia. Los usos son * Se utilizan en el seguimiento biológico, se pueden adjuntar a los peces, para ver a dónde van y gestionar mejor las poblaciones de peces u otras poblaciones de animales. *podrían usarse en dispositivos de espionaje para proporcionar minifuentes de energía para fisgonear *esto podría causar una carrera armamentista para los artilugios de espionaje, por lo que no es tan bueno *su precio significa que se producirían a pequeña escala para usos especiales ($1000 g) . *las baterías seguirán compitiendo con ellas en dispositivos mini alimentados * peligros de contaminación, requiere esperar muchos años para que la vida media reduzca la radiactividad o la eliminación de desechos. * la política, los costos, los peligros de la radiación, la preocupación pública/los conceptos erróneos hacen que su aceptación sea poco probable. sería genial adjuntarlos a pájaros/peces y registrar a dónde van, administrar mejor nuestros recursos. La alternativa es solo monitorear las capturas y no martillar los recursos. Muchas fuentes de energía más grandes podrían colocarse en robots para entrar en cuevas submarinas, mapear el fondo del mar, aunque hay alternativas.......
No se usan en iPods y computadoras portátiles porque no se pueden usar en ellos. Una simple búsqueda en Google de "densidad de potencia betavoltaica" arroja la respuesta a sus tres preguntas, que se citan a continuación para mayor comodidad:
Lagerbaer
Suzan Cioc