Por Leonam dos Santos Guimarães
As baterias nucleares representam uma fronteira fascinante na ciência e tecnologia de geração de energia. Essas baterias, diferentemente das convencionais, utilizam isótopos radioativos para gerar energia elétrica. Vamos então explorar dois mecanismos principais pelos quais as baterias nucleares operam: o efeito betavoltaico e o calor de decaimento radioativo.
Efeito Betavoltaico
O efeito betavoltaico é um fenômeno onde partículas beta (elétrons ou pósitrons emitidos por um núcleo radioativo) são utilizadas para gerar energia elétrica. Este efeito é baseado na interação dessas partículas com um material semicondutor.
Quando uma partícula beta colide com o semicondutor, ela cria pares de elétron-lacuna. Este processo gera uma diferença de potencial elétrico dentro do material, permitindo a geração de corrente elétrica quando um circuito externo é conectado.
As baterias betavoltaicas são notáveis por sua longevidade, podendo operar por anos ou até décadas sem manutenção. São ideais para dispositivos que requerem fontes de energia confiáveis e de longa duração, como marca-passos, satélites e equipamentos em locais remotos ou inóspitos.
No caso da bateria chinesa, essa utiliza Ni-63 que pode ser obtido a partir do Ni-62 pela irradiação com nêutrons. Decai por emissão beta(-), com meia vida de 92 anos para Cu-63. Não emite radiação gama no decaimento, o que proporciona fontes seladas praticamente isentas de doses externas. Por isso tem potencial aplicação para celulares.
Calor de Decaimento Radioativo
O calor de decaimento radioativo é uma consequência da liberação de energia quando núcleos radioativos instáveis se desintegram. Este processo gera calor, que pode ser convertido em energia elétrica.
Para converter o calor em eletricidade, utiliza-se geralmente um conversor termoelétrico, como um dispositivo de Seebeck, que gera uma diferença de potencial elétrico em resposta a uma diferença de temperatura. Há ainda dispositivos que convertem calor em eletricidade via motogerador operando em ciclo Stirling. Ambos dispositivos são chamados Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG).
Esta tecnologia é especialmente útil em situações onde a energia solar não é viável, como em sondas espaciais que viajam para além de Marte. Seu uso garante uma fonte de energia constante e confiável, essencial para missões de longa duração no espaço.
As fontes para RTG são em geral transurânicos (produzidos em reatores nucleares) fortes emissores alfa, beta, gama e nêutrons. Alta atividade radioativa associada a um calor de decaimento significativo implica em dispositivos maiores e necessidade de blindagem. No caso da “pilha” (RTG) brasileiro, a fonte usada foi de Amerício-241 devido à sua longa meia-vida de cerca de 432 anos, o que o torna uma fonte estável e duradoura de energia. Além disso, o Am-241 decai através da emissão de partículas alfa, um processo que libera uma quantidade significativa de calor. Esse radioisótopo foi utilizado no passado em para-raios.
Conclusão
As baterias nucleares, através dos mecanismos do efeito betavoltaico e do calor de decaimento radioativo, apresentam uma promissora área de pesquisa e desenvolvimento. Sua capacidade de fornecer energia de longa duração e confiável abre portas para inúmeras aplicações, especialmente em ambientes inóspitos e remotos.
Os desafios para seu desenvolvimento incluem a otimização da eficiência energética, a miniaturização das baterias e a melhoria dos materiais semicondutores para o efeito betavoltaico, e a produção de materiais que decaem com grande geração de calor, como é o caso do Plutônio-238, para geradores radio térmicos. Bem como aqueles relacionados à segurança, eficiência e impacto ambiental, que requerem atenção contínua e inovação constante para garantir seu uso sustentável e seguro.
+ Pesquisadores do Ipen/Cnen desenvolvem bateria nuclear
+ Artigos
Autor: Engenheiro Leonam dos Santos Guimarães – associado da ABEN
Imagem: Freepik
