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Une batterie de 25 ans
Les batteries qui récupèrent l'énergie de la désintégration nucléaire des isotopes peuvent produire de très faibles niveaux de courant et durer des décennies sans avoir besoin d'être remplacées. Une nouvelle version des batteries, appelée betavoltaics, est développée par une société basée à Ithaca, NY et testée par Lockheed Martin . Les batteries pourraient potentiellement alimenter des circuits électriques qui protègent les avions militaires et les missiles contre la falsification en détruisant les informations stockées dans les systèmes ou en envoyant un signal d'avertissement à un centre militaire. Les batteries devraient durer 25 ans. La société, appelée Widetronix , travaille également avec des fabricants de dispositifs médicaux pour développer des batteries qui pourraient durer des décennies pour les dispositifs médicaux implantables.
Pouvoir nucléaire: L'emballage à l'intérieur de ce prototype de batterie bêtavoltaïque contient des couches de carbure de silicium et une feuille de métal incrustée d'isotope radioactif tritium. Lorsque des électrons de haute énergie émis par la désintégration du tritium frappent le carbure de silicium, il produit un courant électrique qui sort de la cellule par les broches métalliques. Ces batteries sont conçues pour durer 25 ans.
Les batteries de Widetronix sont alimentées par la désintégration d'un isotope d'hydrogène appelé tritium en électrons de haute énergie. Alors que les cellules solaires utilisent des semi-conducteurs tels que le silicium pour capturer l'énergie des photons de la lumière solaire, les cellules bêtavoltaïques utilisent un semi-conducteur pour capturer l'énergie des électrons produits lors de la désintégration nucléaire des isotopes. Ce type de désintégration nucléaire est appelé désintégration bêta, pour les électrons de haute énergie, appelés particules bêta, qu'il produit. La durée de vie des dispositifs bêtavoltaïques dépend des demi-vies, allant de quelques années à 100 ans, des radio-isotopes qui les alimentent. Pour fabriquer une batterie qui dure 25 ans à partir de tritium, qui a une demi-vie de 12,3 ans, Widetronix charge l'emballage avec deux fois plus de tritium qu'il n'en faut initialement. Ces appareils peuvent résister à des conditions beaucoup plus difficiles que les batteries chimiques. Ceci, et leur longue durée de vie, est ce qui rend les bêtavoltaïques attrayants en tant que source d'alimentation pour les implants médicaux et pour la télédétection militaire dans des environnements extrêmement chauds et froids.
Le concept de la bêtavoltaïque a environ 50 ans. Les premiers stimulateurs cardiaques utilisaient des bêtavoltaïques basés sur l'élément radioactif prométhium, mais ces bêtavoltaïques ont été progressivement supprimés lorsque des batteries lithium-ion moins chères ont été développées. La technologie est maintenant en train de réapparaître, dit Pierre Cabauy , PDG d'une autre société bêtavoltaïque, basée à Miami Laboratoires de la ville , parce que les matériaux semi-conducteurs se sont tellement améliorés. Les premiers matériaux semi-conducteurs n'étaient pas assez efficaces pour convertir les électrons de la désintégration bêta en un courant utilisable, ils devaient donc utiliser une énergie plus élevée, des isotopes plus coûteux et potentiellement dangereux. Des matériaux semi-conducteurs plus efficaces peuvent être associés à des isotopes relativement bénins tels que le tritium, qui produisent un faible rayonnement.
Les batteries de Widetronix sont composées d'une feuille de métal imprégnée d'isotopes de tritium et d'une fine puce de carbure de silicium semi-conducteur, qui peut convertir 30% des particules bêta qui la frappent en courant électrique. Le carbure de silicium est très robuste, et lorsque nous l'amincissons, il devient flexible, déclare le PDG de Widetronix Jonathan Greene . Lorsque nous empilons des chips et des feuilles dans un emballage d'un centimètre carré et de deux dixièmes de centimètre de haut, nous avons un produit d'un microwatt. Le prototype testé par Lockheed Martin produit 25 nanowatts de puissance.
Les bêtavoltaïques ne sont pas très puissants. Ils n'ont pas assez de puissance pour conduire un ordinateur portable ou un téléphone portable. Mais leur densité énergétique est élevée : ils stockent beaucoup d'énergie dans des films de quelques micromètres d'épaisseur et peuvent être fabriqués dans de très petits boîtiers. Nous nous concentrons sur les endroits où vous avez besoin d'une très longue durée de vie et d'une densité énergétique, explique Greene.
L'un de ces endroits est la surveillance du matériel militaire. Tout ce que le ministère de la Défense met en place doit avoir une protection anti-sabotage afin que si quelqu'un met la main sur la tête chercheuse d'un missile, ou d'un avion entier, il serait très difficile de le désosser, explique Christian Adams, chimiste à Missiles Lockheed Martin et contrôle de tir . Les puces de mémoire qui contrôlent de tels systèmes antisabotage, explique Adams, nécessitent une alimentation continue très faible sur une longue période. Les spécifications militaires exigent également que ces appareils résistent à des conditions extrêmes que les batteries normales ne peuvent tolérer : ils doivent fonctionner à des températures de -65 à 150 C et résister aux vibrations à haute fréquence, à une humidité élevée et aux explosions de sel. Si la batterie gèle ou s'éteint, le circuit de mémoire perd sa configuration et l'appareil tombe en panne, explique Adams.
Widetronix est le premier à proposer quelque chose qui peut être testé selon les spécifications militaires, déclare Adams. Lockheed a reçu les prototypes de l'entreprise la semaine dernière. Si les bêtavoltaïques réussissent le test, Lockheed les intégrera probablement dans des produits antisabotage dans environ un an, dit-il. Lockheed travaille également avec la société pour développer des bêtavoltaïques de plus grande puissance pour la surveillance à distance des missiles. Envoyer un signal radio pour dire que je suis en bonne santé nécessite des microwatts de puissance, dit Adams. Widetronix teste également ses batteries avec la société de dispositifs médicaux Welch Allyn. Il s'attend à vendre les batteries pour 500 $.
Cabauy de City Lab dit que bien que la perspective de batteries nucléaires, en particulier pour les implants médicaux, puisse faire sourciller, le tritium est sans danger. Outre la particule bêta, d'autres produits de la désintégration du tritium sont un antineutrino et un isotope de l'hélium qui n'est pas radioactif. Un morceau de papier peut arrêter le rayonnement du tritium, dit Cabauy.
La future promesse de la bêtavoltaïque pourrait résider dans des capteurs très bon marché intégrés dans des bâtiments et des ponts où vous ne voulez jamais changer la batterie, dit Amit Lal , professeur de génie électrique et informatique à l'Université Cornell. Cependant, cela obligerait des entreprises telles que Widetronix à passer à des matériaux à demi-vie plus longue, tels que les isotopes de nickel qui durent 100 ans. Alors que le tritium a une demi-vie de seulement 12,3 ans, l'un de ses principaux avantages, outre la sécurité, est qu'il peut être obtenu à moindre coût auprès des réacteurs nucléaires canadiens qui produisent de l'eau lourde comme sous-produit. Les isotopes à demi-vie plus longue tels que le nickel-63 doivent être achetés à l'étranger à des prix élevés. Depuis la fin de la guerre froide, il n'y a aucun soutien gouvernemental pour l'infrastructure radio-isotopique aux États-Unis, dit Lal. Fabriquer des batteries qui durent éternellement est probablement une bonne raison de construire cette infrastructure.