Sviluppata la prima batteria nucleare al diamante: come funziona e a cosa serve

L'Autorità per l'Energia Atomica del Regno Unito (United Kingdom Atomic Energy Authority o UKAEA) ha recentemente sviluppato con l'Università di Bristol la prima batteria a energia atomica al diamante carbonio-14 al mondo. Secondo i loro studi, questa tecnologia di accumulo ha il potenziale per alimentare dispositivi per migliaia di anni: un'eventuale futura batteria con questa tecnologia a uso commerciale potrebbe durare circa 5000 anni.

Come è fatta la batteria al diamante

Il diamante è un minerale formato solamente da atomi di carbonio legati in un reticolo cristallino di forma tetraedrica. In questo caso però viene usato un particolare isotopo radioattivo del carbonio, ovvero il carbonio-14. Gli isotopi sono degli atomi simili agli altri dello stesso elemento, in questo caso il carbonio, ma con una massa diversa, legata a un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo atomico. L'isotopo più stabile del carbonio (che ha 6 protoni) e più abbondante in natura ha 6 neutroni. Il nucleo del carbonio-14 invece contiene 8 neutroni. Questo isotopo si trova in natura ed è normalmente usato per la datazione di fossili e altri resti organici.

La batteria al diamante si basa quindi su un minerale di questo tipo che include nella sua struttura una piccola quantità di atomi dell’isotopo carbonio-14. Per essere precisi, il materiale utilizzato appartiene alla classe dei Diamond-Like Carbon (DLC), ovvero dei materiali amorfi del carbonio che mostrano alcune delle proprietà simili a quelle del diamante.

Come funziona la batteria al carbonio-14

La batteria genera energia elettrica sfruttando l'energia liberata dal naturale decadimento radioattivo del carbonio-14. Poiché questo decadimento si chiama in gergo tecnico decadimento beta, le batterie nucleari che lo sfruttano sono note come batterie betavoltaiche.

Si può quindi parlare di una “batteria nucleare” (o meglio, batterie a energia atomica”) perché sfrutta questo tipo di energia. Nel decadimento beta uno dei neutroni del nucleo atomico decade in un protone, un elettrone e un antineutrino. La batteria al diamante sfrutta gli elettroni prodotti dal decadimento per alimentare un circuito elettrico, mentre nelle attuali centrali nucleari l’energia viene prodotta provocando la fissione dei nuclei atomici (in pratica, i nuclei vengono “spezzati” in nuclei più leggeri). Insomma, anche se in entrambi i casi c'è dentro la parola “nucleare”, stiamo parlando di tecnologie completamente diverse. Una batteria al diamante può alimentare il circuito a cui è collegata in modo sicuro e controllato grazie alla struttura del diamante che contiene tali isotopi.

Come è stata sviluppata la batteria al diamante dell'Università di Bristol

La batteria al diamante è stata proposta a livello concettuale dal Cabot Institute dell’Università di Bristol durante un seminario svolto nel novembre del 2016. Il primo prototipo costruito dalla stessa università utilizzava un isotopo di un altro elemento, il nichel-63. Nel 2018 ricercatori provenienti da vari istituti tecnologici di Mosca hanno annunciato di aver sviluppato un prototipo di batteria che utilizzava l’isotopo nichel-63 e dei convertitori in diamante. La ricerca dell’università di Bristol è poi continuata ed è arrivata allo sviluppo della batteria basata su carbonio-14.

Questo filone di ricerca è stato molto importante perché il carbonio-14 è un rifiuto a basso livello di radioattività indotta proveniente dalle centrali nucleari a fissione. In alcuni reattori nucleari a fissione sono presenti barre di grafite (anch'essa composta interamente da atomi di carbonio), che vengono usate per regolare la reazione nucleare. Il carbonio-12 di cui sono costituite diventa in parte radioattivo e se potesse essere utilizzato in questo tipo di batteria non dovrebbe essere più utilizzato come rifiuto, ma potrebbe diventare nuovamente utile e generare energia.

Quanto può durare una batteria al diamante e i possibili utilizzi

Una piccola batteria al carbonio-14 può generare 15 joule al giorno per migliaia di anni. Per dare un’ordine di grandezza, una normale batteria AA che utilizziamo nei telecomandi o in tanti altri piccoli dispositivi immagazzina circa 10.000 joule, che equivalgono a 15 joule al giorno per solamente due anni. Le batterie al diamante possono essere utilizzate quindi per dispositivi che hanno necessità di una corrente molto ridotta per un lungo periodo di tempo e sono quindi ideali per applicazioni come dispositivi medici (impianti oculari, apparecchi acustici e pacemaker), oppure per ambienti estremi, sia nello spazio che sulla Terra, dove potrebbe essere impossibile andare a sostituire frequentemente una batteria.

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