Desde hace bastante tiempo me pregunto qué hace falta para poder desarrollar una pila «betavoltaica»: una con un semiconductor formando una unión p-n análoga a la de las placas fotovoltaicas, pero en la que la corriente se genere por los electrones provenientes de un isótopo radioactivo de desintegración beta.
La diferencia con una «pila atómica» del tipo RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator, generador termoeléctrico de radioisótopos) es que el proceso de conversión de la energía almacenada en el isótopo radiactivo en electricidad no pasa por la inevitable etapa térmica. Lo más parecido, en este caso, es una placa fotovoltaica. Veamos brevemente cómo funciona una de estas para entender más fácilmente el concepto de la energía betavoltaica.
La analogía fotovoltaica
Imaginemos primero un material semiconductor. Desde el punto de vista de la conductividad eléctrica, todos los materiales tienen sus electrones en dos rangos de energía posibles, llamados «banda de valencia» y «banda de conducción». En el primer rango, los electrones están atados a un átomo concreto del material. En el segundo, vuelan libres entre átomos. La diferencia entre ambos rangos de energía se llama «banda prohibida».
Un material aislante tendrá una banda prohibida muy grande, impidiendo que los electrones se deslocalicen y actúen como portadores de carga. Un conductor, por contra, tiene la banda de valencia y la banda de conducción solapadas, de modo que basta aplicar un campo eléctrico cualquiera para que los electrones se desplacen de manera natural.
Pero un semiconductor es especial. Los semiconductores se distinguen de los conductores y de los aislantes porque la energía que necesitan los electrones para saltar entre su banda de valencia y su banda de conducción no es muy grande.
Hay diferentes procesos que pueden hacer que un electrón salte de la banda de valencia a la de conducción. En el caso de una placa fotovoltaica, la masa del material semiconductor absorbe un cuanto de energía lumínica (un fotón) y libera un electrón a la banda de conducción, que queda disponible para conducir corriente. En la banda de valencia queda un «hueco», una partícula virtual que va a moverse al revés que el electrón.
Además, un semiconductor puede «doparse» fácilmente con pequeñas cantidades de impurezas con exceso (tipo n) o con defecto de electrones (tipo p). Cualquiera de ellas sola no es excesivamente interesante, pero lo que sucede cuando tenemos una zona del material dopada con un tipo de impureza en contacto con otra dopada con el tipo contrario es maravilloso. El resultado, llamado «unión p-n», puede polarizarse de modo que la corriente fluya siempre en un sentido, pero no en el otro. Esta discriminación es fundamental para crear una pila, y está en la base del funcionamiento de una placa fotovoltaica.
La pila betavoltaica
Ahora sustituyamos la luz por un isótopo radiactivo. Hay muchas formas por las que un átomo inestable puede desintegrarse, pero aquí nos interesa la desintegración beta menos (β⁻). En ella, un neutrón del núcleo se desestabiliza y se transforma en un protón. Para mantener la carga eléctrica constante, aparece un electrón. También aparece un antineutrino electrónico, una partícula neutra casi sin masa que se marcha instantáneamente casi a la velocidad de la luz, y que no nos importa aquí. La clave está en el electrón de más. Un flujo de electrones así generados pueden polarizar una unión p-n cercana, igual que lo harían los electrones liberados por el efecto fotovoltaico.
Parámetros de diseño
Es una cuestión de diseño escoger el isótopo radiactivo para que tenga una vida media lo suficientemente larga como para que la pila resultante sea útil. O que la intensidad de su desintegración no sea excesiva y dañe la estructura del semiconductor (si la vida media es corta, la intensidad es mayor y viceversa). También podemos escoger un semiconductor concreto, que nos impondrá una energía de banda prohibida y no otra y terminará, así, fijando la potencia que podemos extraer de la pila.
Ahora es cuando podríamos decir que milagros, los justos. Las baterías betavoltaicas, hasta ahora, se han caracterizado por rendimientos de conversión muy bajos. Sin embargo, el avance en la tecnología de semiconductores dopados de diamante, depositado en capas finísimas mediante un proceso llamado PCVD (Plasma-assisted Chemical Vapour Deposition, o deposición química de vapor asistida por plasma), combinado con el uso de láminas también extremadamente finas de níquel-63, un isótopo que solo se desintegra mediante el proceso beta con una vida media de 101,2 años para dar lugar a átomos estables de cobre, permite diseñar pilas utilizables.
El anuncio de Betavolt
La pila BV100 anunciada por la compañía china Betavolt ofrece 0,1 milivatios de potencia a una diferencia de potencial de 3 voltios durante nada menos que 50 años. El tamaño de la celda es de 15 × 15 × 5 milímetros. 0,1 milivatios no es mucho, pero nada impide apilar más capas de semiconductor de diamante y de níquel-63 para lograr potencias superiores. Betavolt tiene ya planes para lanzar una pila de 1 vatio en 2025: eso ya está en el entorno de la potencia máxima necesaria para hacer funcionar un teléfono móvil moderno.
¿Tendremos teléfonos «atómicos» que no habrá que cargar nunca? Las pilas betavoltaicas serán perfectamente seguras desde el punto de vista de la radiación: bastan pocos milímetros de blindaje para asegurar que no hay fugas de ningún tipo. Más allá de las aplicaciones obvias en artefactos de consumo como teléfonos, relojes o pulseras de actividad, estas pilas podrán usarse en sensores de todo tipo, realizando el sueño de unas infraestructuras inteligentes en las que los elementos que midan de forma continua su salud y estabilidad tienen una vida prevista del mismo orden de magnitud que la propia infraestructura.
Otros isótopos prometen también mayores potencias, aunque con vidas útiles generalmente menores para potencias más altas: tritio (hidrógeno-3) embebido en matrices de titanio, promecio-147 o estroncio-90. El desarrollo de la tecnología del nitruro de boro cúbico (c-BN) como semiconductor dopado también puede mejorar ligeramente los rendimientos y potencias esperables en el futuro, aunque el semiconductor de diamante ya ofrece cifras de mérito muy cercanas a los máximos teóricos. Vienen tiempos interesantes en las tecnologías de almacenamiento a largo plazo de energía.
Para saber más
Jaeck, A. (13/01/2024). Nickel-63 – isotopic data and properties. Chemlin.org. https://chemlin.org/isotope/nickel-63.
Maximenko, S. I. (2023). The perspectives of diamond for 3H and 63Ni betavoltaic power sources, comparison with 4H–SiC. AIP Advances, 13(10). https://doi.org/10.1063/5.0162635.
Maximenko, S. I., Moore, J. E., Affouda, C. A., & Jenkins, P. P. (2019). Optimal semiconductors for 3H and 63Ni betavoltaics. Scientific Reports, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-47371-6.
Tyson, M. (13/01/2024). Chinese-developed nuclear battery has a 50-year lifespan — Betavolt BV100 built with nickel-63 isotope and diamond semiconductor material. Tom’s Hardware. https://www.tomshardware.com/pc-components/power-supplies/chinese-developed-nuclear-battery-has-a-50-year-lifespan.
Otra instancia más de Homo sapiens. De pequeño quiso ser científico, astronauta y ganar dos premios Nobel. Conforme fue creciendo estas aspiraciones sufrieron progresivos recortes: finalmente se quedó en ingeniero de telecomunicaciones. Con más años de experiencia de los que quiere reconocer en la intersección del tren con las tecnologías de la información, trabaja en la actualidad en el apasionante campo de la innovación ferroviaria como director de innovación en Telice, S.A.. Tímido en rehabilitación y con más aficiones de las que puede contar, cuando tiene tiempo escribe sobre cualquier cosa que le llame la atención: ciencia, espacio, ingeniería, política…