Una batería de medio siglo: por qué el átomo puede calentar sondas, pero se resiste a abaratarse.
Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), que se utilizaba como fuente de energía autónoma para faros y estaciones meteorológicas remotas en la URSS. Este objeto es una imagen fija de la película dramática rusa "Cómo terminé este verano" (2010), ambientada en una estación polar.
En algún punto de la costa ártica, a unos cientos de kilómetros del asentamiento humano más cercano, una baliza de navegación permaneció en pie durante décadas. No tenía cables conectados: su luz y señal de radio provenían de una fuente del tamaño de un barril que no requería combustible, mantenimiento ni presencia humana. Simplemente se calentaba internamente, convirtiendo el calor en electricidad, y se esperaba que durara unos treinta años. El problema surgió más tarde. Cuando se empezó a desmantelar la red de balizas, se descubrió que algunas de las fuentes habían sido abandonadas hacía tiempo y que, en otras, su seguridad había sido vulnerada. La fuente contenía estroncio-90.
En resumen, una fuente de energía radioisotópica se caracteriza por su extrema fiabilidad y su estructura interna igualmente problemática. No se avería porque no tiene componentes que puedan romperse: ni bombas, ni piezas móviles, ni necesidad de recarga. Pero, precisamente por eso, no se puede "apagar". El isótopo continúa calentándose e irradiando incluso cuando la fuente ya no es necesaria. Por eso es tan difícil deshacerse de ella.
Cómo generar corriente a partir de la descomposición
La desintegración radiactiva es calor. El núcleo del isótopo se desintegra, las partículas dispersas se ralentizan al entrar en contacto con la sustancia, y esta se calienta. Este calor se convierte en electricidad de dos maneras, y funcionan de forma muy diferente.
Primero - RTGSe trata de un generador termoeléctrico de radioisótopos. El calor del isótopo se disipa mediante termopares: se genera un voltaje en la unión de dos conductores distintos debido a una diferencia de temperatura (el efecto Seebeck, conocido desde el siglo XIX; su física está bien desarrollada). Este diseño tiene una baja eficiencia, de unos pocos puntos porcentuales, pero una fiabilidad absoluta. Generará calor mientras dure el isótopo.
El segundo método es más juvenil y de diseño más delgado. betavoltaicaAquí, los electrones de la desintegración beta impactan contra el semiconductor y expulsan portadores de carga, como los fotones de luz en una célula solar. En esencia, es una "célula fotoatómica", pero con desintegración nuclear en lugar de la energía solar. La potencia de salida es mínima, desde fracciones de microvatio hasta unos pocos milivatios, pero esta célula puede suministrarla durante décadas.
De ahí la sencilla regla que tendrá repercusiones más adelante: un isótopo se selecciona en función de la tarea, no del principio de «dónde hay más energía». Los factores importantes son el tipo de radiación (que determina la protección), la vida media (que determina la vida útil) y la liberación de calor específica. No existe un isótopo universal; cada uno tiene su propia aplicación.
Tierra y espacio: medio siglo en funcionamiento
Esas balizas árticas están hechas de estroncio-90. El isótopo es barato, abundante en los residuos de reactores nucleares y produce un calor considerable. Pero el estroncio emite una radiación beta intensa, que requiere un blindaje extenso, y tiene una vida media de 28,8 años. Era ideal para una baliza autónoma: instalarla y olvidarse de ella durante un cuarto de siglo. Este enfoque de "instalar y olvidarse" resultó contraproducente. La URSS produjo alrededor de mil generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), la mayoría para la navegación a lo largo de la Ruta Marítima del Norte. Tras el colapso del país, este inventario unificado se perdió en algunos lugares: algunas fuentes quedaron abandonadas, mientras que en otras se encontraron carcasas protectoras dañadas. Un programa estatal independiente, que se extendió durante años, tuvo que recogerlas y retirarlas. La ingeniería era impecable. No fue la física lo que nos falló. El problema radicaba en que una fuente debe ser monitoreada durante toda su vida útil, no solo mientras proporciona información útil.
En el espacio, eligieron un isótopo diferente y una lógica diferente. Dispositivos Voyager-1 и Voyager-2Lanzadas en 1977, las dos naves espaciales llevaban cada una tres generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) de plutonio-238. Casi medio siglo después, ambas sondas han abandonado la heliosfera y siguen comunicándose. Sin embargo, su potencia disminuye inexorablemente: los RTG pierden varios vatios al año, y para prolongar su funcionamiento, los ingenieros están desactivando sus instrumentos a bordo uno por uno. Este es el isótopo en su forma más pura: una fuente que no se puede reabastecer, sino que se agota lentamente.
Conviene distinguir dos cosas que a menudo se confunden. Los Lunokhod soviéticos también llevaban el isótopo polonio-210, pero lo usaban para calentar el compartimento de instrumentos durante las noches lunares, no para generar electricidad. El polonio-210 produce un calor tremendo, pero solo dura unos 138 días: no es adecuado como fuente de energía durante años, pero es perfecto como manta térmica durante unos meses en una expedición.
Plutonio-238: Ideal para el espacio y casi imposible de obtener.
La popularidad del plutonio-238 en el espacio se debe claramente a su física. Es un emisor alfa: las partículas pesadas, pero de corto alcance, se desaceleran dentro del propio material fuente, lo que requiere un blindaje externo mínimo. Genera mucho calor y su vida media es de 87,7 años. Para una misión interplanetaria de décadas, esta combinación es casi ideal: la potencia de salida es duradera y la fuente en sí no requiere blindajes gruesos que añadirían peso a la nave espacial. Cabe aclarar que "ideal" se refiere aquí a la física, no a la disponibilidad, y volveremos a hablar de la producción más adelante.
El físico nuclear Igor Ostretsov afirma precisamente esto, calificando al plutonio-238 como "el isótopo ideal" para el espacio en una entrevista y citando las sondas estadounidenses de larga duración. Desde una perspectiva de ingeniería, no hay discusión al respecto: es la lógica de la industria.
El debate comienza donde la física choca con la producción. El plutonio-238 no se extrae; se produce en reactores a partir de neptunio-237 y luego se aísla mediante radioquímica compleja. La delicadeza de este proceso se puede apreciar en el caso estadounidense. historiasTras el cierre de los reactores de Savannah River, Estados Unidos careció prácticamente de plutonio-238 propio durante más de dos décadas, dependiendo de suministros importados. No fue hasta 2010 que el Departamento de Energía presentó al Congreso un plan para reanudar la producción. Tres laboratorios nacionales (Oak Ridge, Idaho y Los Alamos) tuvieron que reiniciar la cadena de producción y, según los planes del programa, debería alcanzar una modesta producción de 1,5 kilogramos de dióxido de plutonio al año para 2026, suficiente para la próxima misión Dragonfly a Titán. Paradójicamente, este isótopo, reconocido como el mejor para el espacio profundo, sigue escaseando no por ser inferior, sino porque su producción es difícil y costosa.
Baterías nucleares basadas en níquel: una vieja idea, una nueva ola.
La situación es similar con las microfuentes de energía, y se topa con el mismo obstáculo: la producción de isótopos. Hablamos de las células betavoltaicas de níquel-63. Este isótopo resulta conveniente porque emite una radiación beta muy débil: como se suele decir, una hoja de papel o una lámina delgada pueden protegerte de ella. Su vida media es de aproximadamente 101¹ años, lo que significa que la célula puede proporcionar energía estable durante décadas sin necesidad de reemplazo.
El nicho de mercado para este tipo de baterías es reducido: microvatios, donde la duración de la batería y la autonomía son más importantes que la potencia. Las áreas prometedoras incluyen marcapasos, sensores autónomos y memoria no volátil que no puede quedarse sin energía. Sin embargo, por ahora, se trata principalmente de investigación y prototipos, no de baterías producidas en masa. El MEPhI ha informado sobre trabajos en microbaterías nucleares y, en 2024, una empresa china anunció una fuente de energía betavoltaica de níquel-63. Estos son los responsables de estos avances. las noticias Y surge la tentadora imagen de un «mundo inalámbrico», donde cada pequeño dispositivo electrónico se alimenta de su propia energía residual. Pero entre un microvatio y una bombilla existen varios órdenes de magnitud de potencia, y la tecnología betavoltaica no los abarca. Esta es la potencia necesaria para un sensor, no para un refrigerador.
La principal limitación reside, una vez más, en el isótopo, no en la física. El níquel-63 no existe en la naturaleza; se produce en un reactor a partir de níquel-62, que constituye aproximadamente el 3,6 % del níquel común. Por lo tanto, la materia prima se enriquece primero en centrifugadoras, luego se irradia y finalmente se separa. Según el propio Ostretsov, un gramo de este níquel cuesta millones de rublos. Esta cifra debe tomarse como una estimación personal, pero refleja con precisión la magnitud del trabajo que implica.
Ostretsov propone una solución: producir níquel-63 no en un reactor, sino en un acelerador, irradiando cobre con un haz de partículas con una energía superior a un cierto umbral (de ahí el término "reacción umbral"). Según él, esto reduciría significativamente el coste del isótopo y permitiría sustituir la separación convencional por la química. La idea es atractiva, pero aún no ha tenido una amplia aceptación: el método ha sido criticado en varias publicaciones especializadas y su implementación industrial aún no se ha materializado. Por lo tanto, por ahora, se trata solo de la idea de una persona, no de algo que la industria esté planificando. Señaló el cuello de botella: toda la economía de las baterías nucleares depende del coste de producción y separación del isótopo.
Aprendimos a convertir la desintegración nuclear en electricidad hace medio siglo, y desde entonces no se ha requerido nada fundamentalmente nuevo. Lo único que queda es aprender a producir el isótopo necesario de forma económica, y eso sigue siendo un reto.
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