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BATERIA BETAVOLTAICA

As baterias Betavoltaicos são pilhas capazes de produzir pequenas quantidades de energia durante um longo período de tempo.

Uma célula de energia betavoltaica é composta de semicondutores e, pelo menos, um material ligeiramente radioativa. À medida que o isótopo radioativo decaia, emite partículas beta (elétrons). Dispositivos betavoltaicos não são dispositivos de “energia livre” ou de sobre-unidade. Vejamos algumas definições que ajudam a compreender melhor:

  • Beta: significando elétrons beta, elétrons altamente energéticos/pósitrons ejetados durante a decadência de um nêutron em um próton;
  • Voltaica: pertencente ou produzindo corrente elétrica;
  • Betavoltaica: produzindo/extraindo eletricidade de decaimento radioativo;
  • Pilha/bateria de energia betavoltaica: dispositivo que capta elétrons beta emitidos por um radio isótopo em desintegração com a finalidade de produzir energia elétrica utilizável.

Funcionando como células fotovoltaicas, que são diodos semi-condutores, nos quais a corrente flui quando um fóton atinge a junção do diodo, liberando um elétron. Em uma célula betavoltaica, um elétron, produzido por uma pequena fonte radioativa (emissores beta), aciona o diodo em vez de um fóton. A tecnologia é realmente muito segura, as partículas beta que o isótopo emite são de energia muito baixa e são facilmente blindadas. Betavoltaica é uma tecnologia alternativa de energia que promete vida estendida e densidade de potência em relação às tecnologias atuais.

História

Células betavoltaicas foram inventados há mais de 50 anos. Pilhas de energia betavoltaica são algumas vezes conhecidas como baterias beta voltaicas, baterias atômicas, baterias nucleares, fontes/dispositivos de micro potência nuclear, ou células de poder de decaimento de isótopos estimuladas/aceleradas. Sua principal característica que a distingue é o prefixo “longa vida”, uma vez que teoricamente elas podem durar por mais de 20 anos.

marcapasso
Marcapasso

Elas foram inicialmente projetadas para atender os requisitos de alta tensão elétrica, alimentado sondas espaciais e satélites. Já em 1973, foram implementadas no uso em dispositivos médicos de longo prazo, como o marcapasso.

 

A tensão de operação padrão da célula de potência moderna betavoltaica está entre 100kV e 1.5 milhão kV de potencia, porém são capazes de ser adaptados para exigências de tensão mais baixa.

Limitações

Várias limitações podem inibir a eficiência das células de energia betavoltaicas. Uma delas é a reabsorção de elétrons na própria fonte radioativa. A fim de reduzir a auto-absorção da energia beta, o isótopo radioativo deve ser incorporado na rede de um semicondutor.

Outra limitação é que os elétrons altamente energéticos tendem a desgastar ou romper os componentes internos (semicondutores) da célula de potência. Dispositivos betavoltaicos sofrem danos internos aos seus componentes como resultado dos elétrons energéticos. Adicionalmente, à medida que o material radioativo é emitido, diminui lentamente a sua atividade e duração. Ao longo do tempo, um dispositivo beta voltaico produzirá cada vez menos energia, é claro que isto é percebido durante um longo período de anos.

Grande parte da pesquisa betavoltaica conduzida ao longo dos anos tem sido na identificação de semicondutores mais duráveis para aplicações de células de energia. A pesquisa de semicondutores de longa duração tem se intensificado nos últimos anos, testes tem sido realizado com um materiais como o Boro Icosaédrico¹ e Óxido de Grafeno².

Impacto ambiental

Os isótopos usados em dispositivos betavoltaicos de decaimento ficam inertes quando a célula fica sem energia. Isso elimina a possibilidade de resíduos tóxicos ou radioativos. Um escudo epóxi espesso impede que os componentes químicos destas células vazem para fora. Outra vantagem tem sido a fabricação destes dispositivos com um nova classe de metais chamados “metais líquidos”: metais com estruturas amorfas (em oposição às cristalinas). A vida longa útil desses dispositivos podem facilmente ultrapassar os 20 anos de uso contínuo, isto implica que, muitos deles ainda podem ser vendidos como baterias normais mesmo depois de logo período, ajudando assim a minimizar o impacto ambiental.

Aplicações

O uso primário para baterias betavoltaicas é para o uso remoto e de longo prazo, aplicações que requer energia elétrica por uma ou duas décadas. Os recentes avanços tecnológicos levaram alguns a sugerir o uso da betavoltaica para carregar as baterias convencionais em dispositivos de consumo, como smartphones e laptops, Outras aplicações são:

  • Aeroespacial – satélites e outras fontes de alimentação de veículos não tripulados;
  • Indústria de energia: fontes de energia, fontes de energia de backup e remediação de resíduos radioativos através da aceleração artificial de taxas de decaimento isotópico natural;
  • Biotecnologia: Implantes duradouros que requer uso de energia elétrica;
  • Contra-terrorismo: sensores de detecção de radioisótopos para dispositivos nucleares e/u radiológicos (chamados de “bomba suja”).

Embora o uso destas baterias em produtos casuais estejam sendo desenvolvidas, é incerto que os consumidores estarão dispostos a adotar este tipo de “tecnologia nuclear pessoal”, dado o sentimento negativo de insegurança em relação à energia nuclear em geral.

Resumo

citylabsA tecnologia de betavoltaica é a ciência de derivar a energia elétrica útil da decadência beta de determinados isótopos radioativos. Existem limites teóricos inerentes à eficiência e saída de dispositivos beta voltaicos, no entanto a sua produção mesmo com baixas eficiências pode ser bastante significativa. A tecnologia de Beta voltaica tem uma história razoavelmente longa (50 anos ou mais,) mas se beneficiou significativamente das descobertas recentes na ciência de materiais semicondutores, na nanotecnologia e na eletrodinâmica do quantum. A tecnologia Beta voltaica é particularmente promissora para as indústrias aeroespacial, de segurança e de energia. O impacto ambiental desta tecnologia parece mínimo, especialmente quando comparado com a tecnologia atual da bateria.

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Artigos e referências externas

1 – Boro Icosaédric – Semicondutor utilizado em pesquisas pela  Sandia National Labs sandia.gov

2 – Oxido de Grafeno – Semicondutor utilizado pela equipe da NCBI National Center for Biotechnology Information  ncbi.nlm.nih.gov

O MUNDO DAS BATERIAS

As baterias estão em todos os lugares: Smartfones, laptop , Tablets, carros, computadores, etc. Uma bateria é composta por produtos químicos que produzem elétrons, as reações químicas provenientes deste processo são chamadas de reações eletroquímicas, vejamos alguns exemplos:

Bateria de Níquel-cádmio
bateria-de-niquel-cadmioMuito utilizado em aparelhos celular e filmadoras. Pode ser reutilizada cerca de 4 mil vezes! o grande problema da bateria de níquel-cádmio é que ela tem uma alta propensão a vazar, o que pode até mesmo corroer a placa-mãe. É um metal altamente tóxico, mesmo em pequenas quantidades, é bio acumulativo e pode causar disfunção renal, problemas pulmonares e câncer. Por isso, esse tipo de bateria vem sendo gradativamente substituído por baterias de hidretos metálicos que são mais avançadas tecnologicamente e representam um menor perigo para o meio ambiente.

Bateria de chumbo 
bateria-de-chumbo-acidoA fabricação dessa bateria é antiga, vem desde o ano de 1915. As baterias de chumbo utilizadas em automóveis são muito duráveis, com tensão elétrica de 12v ou 24v. Seu ânodo (polo negativo) corresponde às placas de chumbo; e o seu cátodo (polo positivo), às placas de chumbo com óxido e chumbo IV (PbO2). A composição desse tipo de bateria consiste em uma corrosiva solução aquosa de ácido sulfúrico, com d = 1,28 g/cm3 e 38 % em massa de H2SO4.

Bateria selada
selada-bateriaSabe-se que nos carros as baterias são recarregadas pelo uso de um alternador, só que isso pode acarretar em alguns problemas técnicos, por exemplo, a água da solução de bateria passa por uma decomposição. Para evitar, passou-se a adicionar 0,07% de cálcio aos eletrodos de chumbo, o que reduz a secagem da água.  Foi a partir daí que surgiram as baterias seladas, elas não necessitam da adição de água durante sua vida útil.

O futuro das baterias

Sem dúvida o maior gargalo em tecnologia são as baterias. Mesmo com os incríveis avanços nos últimos 50 anos, a tecnologia da bateria permaneceu fundamentalmente inalterada, mas aos poucos, engenheiros veem incrementalmente novas tendencias inovadoras neste setor.

Confira as postagens neste site sobre novas tendencias em baterias como as baterias beta voltaicas. Mas, nossa maior expectativa estão mesmo nas baterias exóticas de fontes de energias limpas e renováveis, como as pilhas de plasma, fusão a frio e outros.