La batterie atomique

Le scénario typique des technologies futures nécessite des millions d'appareils à radiofréquence de faible puissance dispersés dans tout notre environnement - des réseaux de capteurs d'usine aux implants médicaux en passant par les appareils intelligents pour les champs de bataille.

Cependant, en raison de la durée de vie courte et imprévisible des batteries chimiques, des remplacements réguliers seraient nécessaires pour que ces appareils continuent de fonctionner. Les piles à combustible et les cellules solaires nécessitent peu d'entretien, mais les premières sont trop chères pour des applications aussi modestes et à faible consommation, et les secondes ont besoin de beaucoup de soleil.

Une troisième option, cependant, peut constituer une alternative puissante et sûre. C'est ce qu'on appelle la cellule de conversion directe d'énergie (DEC), une batterie nucléaire à base de bêtavoltaïque qui peut fonctionner pendant plus d'une décennie avec les électrons générés par la désintégration naturelle de l'isotope radioactif tritium. Il est développé par des chercheurs de l'Université de Rochester et une startup, BetaBatt, dans un projet décrit dans le numéro du 13 mai d'Advanced Materials et financé en partie par la National Science Foundation.

Étant donné que la demi-vie du tritium est de 12,3 ans (le temps pendant lequel la moitié de son énergie radioactive a été émise), la cellule DEC pourrait fournir une décennie d'énergie pour de nombreuses applications. De toute évidence, ce serait une aubaine économique - en particulier pour les applications dans lesquelles le remplacement des batteries est très gênant, comme dans les industries médicales et pétrolières et minières, qui placent souvent les capteurs dans des endroits dangereux ou difficiles d'accès.

L'un de nos principaux marchés est celui des capteurs distants, très difficiles à remplacer, déclare Larry Gadeken, inventeur en chef et président de BetaBatt. Vous pouvez placer cette [batterie] une fois et la laisser tranquille.

Les appareils bêtavoltaïques utilisent des radio-isotopes qui émettent des particules bêta relativement inoffensives, plutôt que des photons gamma plus dangereux. Ils sont en fait testés en laboratoire depuis 50 ans, mais ils génèrent si peu d'énergie qu'un rôle commercial plus important pour eux n'a pas encore été trouvé. Jusqu'à présent, les bêtavoltaïques alimentés au tritium, qui nécessitent un blindage minimal et sont incapables de pénétrer la peau humaine, ont été utilisés pour éclairer les panneaux de sortie et les montres phosphorescentes. Une version commerciale du DEC Cell n'aura probablement pas assez de puissance pour alimenter un téléphone portable, mais beaucoup pour un capteur ou un stimulateur cardiaque.

La clé pour rendre la cellule DEC plus viable est d'augmenter l'efficacité avec laquelle elle crée de l'énergie. Dans le passé, les chercheurs en bêtavoltaique utilisaient une conception similaire à celle d'une cellule solaire : une plaquette plate est recouverte d'un matériau de diode qui crée un courant électrique lorsqu'il est bombardé par des électrons émis. Cependant, toutes les particules d'électrons qui descendent vers les diodes sont perdues dans cette conception, explique le professeur d'ingénierie électrique et informatique de l'Université de Rochester, Phillipe Fauchet, qui a développé la conception la plus efficace basée sur le concept de Gadeken.

La solution consistait à exposer une plus grande partie de la surface réactive aux particules en créant une plaquette de diode en silicium poreux parsemée de creux d'un micron de large et de 40 microns de profondeur. Lorsque le gaz radioactif occupe ces fosses, il crée le maximum d'opportunités pour exploiter la réaction.

Tout aussi important, le processus est facilement reproductible et bon marché, dit Fauchet - une nécessité si la cellule DEC doit être commercialement viable.

Les techniques de fabrication sont peut-être abordables, mais le tritium lui-même - un sous-produit de la production d'énergie nucléaire - est toujours plus cher que le lithium de la batterie de votre téléphone portable. Cependant, le coût est moins problématique pour les appareils conçus spécifiquement pour collecter des données difficiles à obtenir.

Le coût n'est qu'une des raisons pour lesquelles Gadeken dit qu'il ne poursuivra pas le marché de l'électronique grand public gourmand en piles. D'autres problèmes incluent les obstacles réglementaires et commerciaux posés par l'alimentation des appareils grand public avec des matières radioactives et la grande taille de la batterie qui serait nécessaire pour générer suffisamment d'énergie. Pourtant, dit-il, la technologie pourrait un jour être utilisée comme dispositif de recharge lente pour les batteries lithium-ion.

Au lieu de cela, son entreprise cible les secteurs du marché qui ont besoin d'une alimentation par batterie à long terme et qui ont une bonne connaissance des matières nucléaires.

Nous ciblons des applications telles que la technologie médicale, qui utilisent déjà la radioactivité, explique Gadeken.

Par exemple, de nombreux patients porteurs d'implants continuent de survivre à leurs batteries et nécessitent une chirurgie de remplacement coûteuse et risquée.

À terme, Gadeken espère également servir la NASA, si la société parvient à trouver un moyen d'extraire suffisamment d'énergie du tritium pour alimenter un objet spatial. Les agences spatiales sont intéressées par des sources d'alimentation plus sûres et plus légères que les générateurs thermiques à radio-isotopes (RTG) alimentés au plutonium utilisés dans les missions robotiques, telles que Voyager, qui dispose d'une source d'alimentation RTG qui devrait fonctionner jusqu'en 2020.

De plus, une source d'alimentation bêta-voltaïque atténuerait probablement les préoccupations environnementales, telles que celles exprimées lors du lancement de la mission du satellite Cassini vers Saturne, lorsque les manifestants craignaient qu'une explosion ne provoque des retombées sur la Floride.

Pour l'instant, cependant, Gadeken espère intéresser le domaine médical et divers marchés de niche dans les applications de capteurs sous-marins, souterrains et polaires, en mettant l'accent sur l'industrie pétrolière.

Et la prochaine étape consiste à adapter la technologie pour une utilisation dans de très petites batteries qui pourraient alimenter des dispositifs de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), tels que ceux utilisés dans les commutateurs optiques ou les capteurs de poussière intelligents flottants développés par l'armée.

En fait, un autre dispositif bêtavoltaïque, en cours de développement à l'Université de Cornell, cible également le marché de l'électricité MEMS. Le générateur piézoélectrique alimenté par radio-isotope, qui devrait être sous forme de prototype dans quelques années, combinera une cellule bêtavoltaïque avec un dispositif électromécanique en porte-à-faux alimenté au tritium, démontré pour la première fois en 2002.

Amit Lal, l'un des chercheurs de Cornell, fait à la fois des éloges et un scepticisme prudent à propos de la cellule DEC. Bien qu'il soit impressionné par la puissance de sortie de la cellule DEC, il a déclaré qu'il y avait toujours des problèmes de fuite de puissance. Pour éviter ces problèmes de fuite potentiels, Cornell utilise une conception de plaquette légèrement plus grande. Ils prévoient également de passer à une conception poreuse et au tritium solide ou liquide pour améliorer l'efficacité.

Lal note également que le marché de l'appareil de Cornell ou de la cellule DEC pourrait être restreint par des batteries au lithium plus récentes et plus durables. Pourtant, il existe un créneau pour les très petits appareils, estime-t-il, en particulier ceux qui doivent fonctionner plus de dix ans.

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