Batteria nucleare

La batteria nucleare si riferisce a un concetto di tecnologia energetica che utilizza materiali radioattivi per generare elettricità. A differenza dei reattori nucleari tradizionali che sfruttano la fissione nucleare in catena per produrre energia, le batterie nucleari (noto anche come “generatori termoelettrici a radioisotopi” o RTG, dall’inglese Radioisotope Thermoelectric Generator) convertono il calore rilasciato dal decadimento radioattivo naturale di isotopi, come il plutonio-238, in elettricità attraverso un processo termoelettrico.

Le batterie nucleari

hanno una serie di applicazioni, in particolare nei contesti in cui è richiesta una fonte di energia affidabile e di lunga durata senza necessità di manutenzione, come le sonde spaziali e i lander inviati su altri pianeti o lune, dove la luce solare può essere scarsa o inesistente. Per esempio, i RTG sono stati utilizzati per alimentare veicoli spaziali delle missioni della NASA come i rover su Marte (Curiosity e Perseverance) e la sonda New Horizons per Plutone.

Queste batterie offrono vantaggi significativi in termini di affidabilità e durata, potendo funzionare per decenni senza rifornimento o manutenzione. Tuttavia, il loro utilizzo solleva questioni di sicurezza relative alla gestione e allo smaltimento dei materiali radioattivi, nonché alla sicurezza del lancio spaziale dei dispositivi che li contengono.

Come funziona una pila atomica?

Una “pila atomica”, comunemente nota come batteria nucleare o generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG), funziona sfruttando il calore generato dal decadimento naturale di isotopi radioattivi, come il plutonio-238, per produrre elettricità attraverso un processo termoelettrico.

Ecco come funziona in dettaglio:

Decadimento radioattivo: Gli isotopi radioattivi si decompongono naturalmente in elementi più stabili, un processo che rilascia energia sotto forma di calore. Il plutonio-238, per esempio, ha un’emivita di circa 87,7 anni, il che significa che produce calore per un periodo estremamente lungo, rendendolo ideale per applicazioni che richiedono una fonte di energia duratura.

Conversione termoelettrica: Il calore generato dal decadimento radioattivo viene convertito in elettricità utilizzando dispositivi termoelettrici. Questi dispositivi sfruttano l’effetto Seebeck, per cui una differenza di temperatura tra due materiali conduttori o semiconduttori diversi genera una tensione elettrica. In pratica, una parte del generatore è mantenuta a una temperatura elevata dal calore del materiale radioattivo, mentre l’altra parte rimane più fredda, creando una differenza di temperatura che produce elettricità.

Isolamento termico: Per mantenere l’efficienza del processo, il materiale radioattivo è circondato da un’isolamento termico che mantiene il calore all’interno del sistema, consentendo una differenza di temperatura ottimale tra le due parti del dispositivo termoelettrico.

Sicurezza: Data la natura del combustibile, le batterie nucleari sono progettate con sistemi di contenimento robusti per prevenire la dispersione di materiali radioattivi in caso di incidenti. Questo aspetto è particolarmente importante nei contesti spaziali, dove un fallimento durante il lancio potrebbe avere conseguenze gravi.

Le batterie nucleari non hanno parti mobili, il che le rende estremamente affidabili e adatte a funzionare in ambienti ostili o inaccessibili, come lo spazio profondo o il fondo oceanico. La loro capacità di fornire energia costante e di lunga durata senza necessità di luce solare o rifornimenti di combustibile le rende ideali per missioni spaziali di lunga durata, stazioni remote di monitoraggio ambientale e altre applicazioni specializzate.

Start-up cinese Beijing Betavolt

Beijing Betavolt è una startup cinese che ha sviluppato una batteria nucleare nota come “BV100”. Questa batteria è in grado di produrre energia per un periodo fino a 50 anni senza la necessità di essere ricaricata. La tecnologia utilizza un isotopo radioattivo, noto come nichel-63, come fonte di energia. La batteria BV100 è estremamente compatta, più piccola di una moneta e misura 15 x 15 x 5 millimetri, generando 100 microwatt di potenza.

La chiave del funzionamento di questa batteria è il decadimento radioattivo del nichel-63, che emette elettroni durante il processo. Questi elettroni vengono catturati da uno strato semiconduttore all’interno della batteria e condotti in modo organizzato attraverso di essa, generando una corrente elettrica utilizzabile. La batteria BV100 utilizza anche due sottili piastre di diamante come materiale semiconduttore, il che la rende molto efficiente.

È importante notare che questa tecnologia richiede una schermatura adeguata per proteggere dagli effetti nocivi della radiazione. Nei contesti spaziali, dove è stato utilizzato, la schermatura è più gestibile. Tuttavia, per dispositivi come pacemaker o futuri smartphone che potrebbero utilizzare questa tecnologia, è fondamentale garantire una protezione sufficiente per prevenire danni da radiazioni.

Attualmente, la batteria BV100 genera 100 microwatt di potenza, il che la rende adatta per applicazioni come pacemaker o sensori wireless passivi, ma non ha ancora abbastanza potenza per alimentare un telefono cellulare. La società Betavolt sta lavorando per migliorare l’efficienza della batteria e prevede di lanciare una batteria da 1 watt nel 2025, che si avvicina molto di più ai requisiti di potenza di uno smartphone standard.

Betavolt sta anche esplorando l’uso di diversi isotopi nucleari in future versioni della sua batteria nucleare, inclusi isotopi come lo stronzio-90, il prometio-147 e il deuterio, ognuno con una durata di vita diversa in un dispositivo