baterias de diamante

Lixo nuclear vira baterias de diamante que duram milhares de anos

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Cientistas transformam lixo nuclear em baterias de diamante que duram milhares de anos.

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Tradução: Equipe Agron. Fonte: Brighter Site News/Universidade de Bristol. Imagens: Universidade de Bristol – MikeRun/WikimediaCommons – D. Mukherjee/Wikimedia Commons.

baterias de diamante
Um protótipo da bateria gamavoltaica da Arkenlight que converterá os raios gama dos depósitos de resíduos nucleares em eletricidade.
(CRÉDITO: Universidade de Bristol)

A energia nuclear é considerada uma fonte de energia limpa porque tem zero emissões de dióxido de carbono; no entanto, ao mesmo tempo, produz enormes quantidades de resíduos radioativos perigosos que se acumulam à medida que mais e mais reatores são construídos em todo o mundo.

Especialistas propuseram diferentes soluções para esse problema, a fim de cuidar melhor do meio ambiente e da saúde das pessoas. Com espaço de armazenamento seguro insuficiente para descarte de resíduos nucleares, o foco dessas ideias é a reutilização dos materiais.

As baterias de diamante radioativo foram desenvolvidas pela primeira vez em 2016 e foram imediatamente aclamadas porque prometiam uma maneira nova e econômica de reciclar resíduos nucleares. Nesse contexto, é inevitável deliberar se eles são a solução definitiva para esses resíduos tóxicos e letais.

O que são baterias de diamante radioativo?

As baterias de diamante radioativo foram desenvolvidas pela primeira vez por uma equipe de físicos e químicos do Instituto Cabot para o Meio Ambiente da Universidade de Bristol. A invenção foi apresentada como um dispositivo betavoltaico, o que significa que é alimentado pelo decaimento beta do lixo nuclear.

O decaimento beta é um tipo de decaimento radioativo que ocorre quando o núcleo de um átomo tem um excesso de partículas e libera algumas delas para obter uma proporção mais estável de prótons para nêutrons. Isso produz um tipo de radiação ionizante chamada radiação beta, que envolve muitos elétrons ou pósitrons de alta velocidade e alta energia conhecidos como partículas beta.

As partículas beta contêm energia nuclear que pode ser convertida em energia elétrica através de um semicondutor.

O decaimento beta é um tipo de decaimento radioativo que ocorre quando o núcleo de um átomo tem um excesso de partículas e libera algumas delas para obter uma proporção mais estável de prótons para nêutrons.
(CRÉDITO: MikeRun/WikimediaCommons)

Uma célula betavoltaica típica consiste em finas camadas de material radioativo colocadas entre semicondutores. À medida que o material nuclear decai, ele emite partículas beta que soltam elétrons no semicondutor, criando uma corrente elétrica.

No entanto, a densidade de potência da fonte radioativa é menor quanto mais distante estiver do semicondutor. Além disso, como as partículas beta são emitidas aleatoriamente em todas as direções, apenas um pequeno número delas atingirá o semicondutor e apenas um pequeno número delas será convertido em eletricidade. Isso significa que as baterias nucleares são muito menos eficientes do que outros tipos de baterias. É aí que entra o diamante policristalino (PCD).

As baterias de diamante radioativo são feitas usando um processo chamado de deposição de vapor químico, que é amplamente utilizado para a fabricação de diamantes artificiais. Ele usa uma mistura de plasma de hidrogênio e metano para desenvolver filmes de diamante em temperaturas muito altas. Pesquisadores modificaram o processo CVD para cultivar diamantes radioativos usando um metano radioativo contendo o isótopo radioativo Carbon-14, que é encontrado em blocos de grafite de reator irradiados.

O diamante é um dos materiais mais duros que a humanidade conhece – é ainda mais duro que o carboneto de silício. E pode atuar tanto como fonte radioativa quanto como semicondutor. Exponha-o à radiação beta e você obterá uma bateria de longa duração que não precisa ser recarregada. O lixo nuclear em seu interior o abastece repetidamente, permitindo que ele se autocarregue por eras.

No entanto, a equipe de Bristol alertou que suas baterias de diamante radioativo não seriam adequadas para laptops ou smartphones, porque contêm apenas 1g de carbono-14, o que significa que fornecem energia muito baixa – apenas alguns microwatts, o que é menos do que um típico bateria AA. Portanto, sua aplicação até o momento está limitada a pequenos dispositivos que devem ficar sem vigilância por muito tempo, como sensores e marca-passos.

Baterias Radioativas Nano Diamante

As origens das baterias nucleares remontam a 1913, quando o físico inglês Henry Moseley descobriu que a radiação de partículas poderia gerar uma corrente elétrica. Nas décadas de 1950 e 1960, a indústria aeroespacial estava muito interessada na descoberta de Moseley, pois poderia potencialmente alimentar espaçonaves para missões de longa duração. A RCA Corporation também pesquisou uma aplicação para baterias nucleares em receptores de rádio e aparelhos auditivos.

Cristais de nano diamante.
(CRÉDITO: D. Mukherjee/Wikimedia Commons)

Mas outras tecnologias eram necessárias para desenvolver e sustentar a invenção. Nesse sentido, o uso de diamantes sintéticos é visto como revolucionário, pois confere segurança e condutividade à bateria radioativa. Com a adição da nanotecnologia, uma empresa americana construiu uma bateria de nano-diamantes de alta potência.

Um protótipo da bateria betavoltaica de diamante de carbono-14 da Arkenlight.
(CRÉDITO: Universidade de Bristol)

Com sede em San Francisco, Califórnia, a NDB Inc. foi fundada em 2012 com o objetivo de criar uma alternativa mais limpa e ecológica às baterias convencionais. A startup lançou sua versão de baterias à base de diamante em 2016 e anunciou dois testes de prova de conceito em 2020. É uma das empresas que está tentando comercializar baterias de diamante radioativo.

As baterias de nanodiamante da NDB são descritas como baterias voltaicas alfa, beta e de nêutrons e têm vários novos recursos de acordo com seu site.

Durabilidade. A empresa calcula que as baterias podem durar até 28.000 anos, o que significa que podem alimentar veículos espaciais de forma confiável em missões de longa duração, estações espaciais e satélites. Drones, carros elétricos e aeronaves na Terra nunca precisariam fazer paradas para serem recarregadas.

Segurança. O diamante não é apenas uma das substâncias mais duras, mas também um dos materiais mais termicamente condutores do mundo, o que ajuda a proteger contra o calor produzido pelos radioisótopos com os quais a bateria é construída, transformando-a em corrente elétrica muito rapidamente.

Amizade com o mercado. Camadas de filme fino de PCD permitem que a bateria permita diferentes formas e formatos. É por isso que as baterias de nanodiamante podem ser multifuncionais e entrar em diferentes mercados, desde as aplicações espaciais mencionadas até a eletrônica de consumo. A versão do consumidor não duraria mais de uma década, no entanto.

As baterias de nanodiamante estão programadas para chegar ao mercado em 2023.

A Arkenlight, empresa inglesa que comercializa a bateria de diamante radioativo da Bristol, planeja lançar seu primeiro produto, uma microbateria, no mercado no final de 2023.

O futuro das baterias radioativas à base de diamante

A portabilidade dos dispositivos eletrônicos modernos, a crescente popularidade dos veículos elétricos e a corrida do século 21 para levar a humanidade em longas missões espaciais a Marte desencadearam um interesse crescente na pesquisa de tecnologia de baterias nos últimos anos.

Alguns tipos de baterias são mais apropriados para determinadas aplicações e não tão úteis para outras. Mas podemos dizer que as baterias convencionais de íons de lítio com as quais estamos familiarizados não serão substituídas por baterias de diamante radioativo tão cedo.

As baterias convencionais duram menos tempo, mas também são muito mais baratas de fabricar. No entanto, ao mesmo tempo, o fato de não durarem tanto (têm uma vida útil de cerca de cinco anos) é problemático, pois também produzem muito lixo eletrônico, que não é fácil de reciclar.

As baterias de diamante radioativo são mais convenientes, porque têm uma vida útil muito maior do que as baterias convencionais. Se eles puderem ser desenvolvidos em uma bateria universal, como a NDB Inc. propõe, poderíamos acabar com baterias de smartphone que duram muito mais do que a vida útil do smartphone, e poderíamos simplesmente trocar a bateria de um telefone para outro, tanto quanto agora transferimos o cartão SIM.

No entanto, os betavoltaicos de diamante desenvolvidos pela Arkenlight não vão tão longe. A empresa está trabalhando em projetos que empilham muitas de suas baterias beta de carbono-14 em células. Para fornecer descarga de alta potência, cada célula pode ser acompanhada por um pequeno supercapacitor, que pode oferecer uma excelente capacidade de descarga rápida.

No entanto, este material radioativo também tem uma vida útil de mais de 5.000 anos. Se essa radiação vazar do dispositivo na forma gasosa, isso pode ser um problema. É aí que entram os diamantes. Na formação do diamante, o C-14 é um sólido, então não pode ser extraído e absorvido por um ser vivo.

A Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido (UKAEA) calculou que 100 libras (aproximadamente 45 kg) de carbono-14 poderiam permitir a fabricação de milhões de baterias à base de diamante de longa duração. Essas baterias também podem reduzir os custos de armazenamento de resíduos nucleares.

O pesquisador da Universidade de Bristol, professor Tom Scott, disse ao Nuclear Energy Insider que, “Ao remover o carbono-14 do grafite irradiado diretamente do reator, isso tornaria os resíduos restantes menos radioativos e, portanto, mais fáceis de gerenciar e descartar. As estimativas de custo para descartar os resíduos de grafite são de 46.000 libras (US$ 60.000) por metro cúbico para resíduos de nível intermediário [ILW] e 3.000 libras (US$ 4.000) por metro cúbico para resíduos de baixo nível [LLW].”

Todas essas características não os tornam uma das melhores opções para o futuro sustentável que precisamos? Teremos que esperar e ver se os fabricantes podem encontrar uma maneira de lidar com os custos de produção e a baixa produção de energia e colocar suas baterias à base de diamante no mercado de maneira econômica e acessível.

Nota: Materiais fornecidos acima pela Universidade de Bristol. O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.

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