20:42 21 Ottobre 2018
Una batteria nucleare

Fisici russi scoprono il principio per la pila che dura 100 anni

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I ricercatori dell'Istituto di ingegneria fisica di Mosca MEPhI sono vicini alla creazione di una pila che funzioni 100 anni.

Gli specialisti dell'Istituto nazionale di ricerca nucleare "MEPhI" stanno lavorando su sorgenti radioisotopiche basate su alimentazione betavoltaica con l'uso di pellicole di nanoaggregati del radioisotipo nichel-63. Ciò agevolerà la creazione di pile nucleari capaci di funzionare 100 anni, adatte ai pacemaker, ai sensori miniaturizzati di zucchero o pressione arteriosa, ai sistemi di telemetria, ai microrobot, e anche a dispositivi di lavoro autonomo prolungato.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Applied Physics Letters.

Il problema della miniaturizzazione

Oggigiorno le ricerche sulle caratteristiche degli oggetti di dimensioni nanometriche suscitano un elevato interesse presso gli specialisti a causa della tendenza alla miniaturizzazione dei dispositivi tecnologici, in particolare nel campo della nanoelettronica. Le moderne acquisizioni nella sfera della creazione di sistemi micro- e nano-elettromeccanici (MEMS e NEMS), che riuniscono in un unico dispositivo nanoelettronica ed elementi meccanici come trasmissioni, pompe e motori, possono essere molto promettenti per la costruzione di sensori fisici, biologici o chimici minuscoli.

Tuttavia, ciò che impedisce l'utilizzo generalizzato di dispositivi di questo genere è l'assenza di alimentatori di piccolissime dimensioni per dare energia ai sistemi microelettromeccanici e nanoelettromeccanici.

Gli scienziati stanno quindi attivamente cercando la possibilità di miniaturizzare le abituali pile al litio ionico, le batterie solari, le celle di combustibile e i condensatori di ogni tipo; però le misure di tali sorgenti di alimentazione sono per adesso troppo grandi per poter fabbricare dei sistemi che siano effettivamente di dimensioni micro o nano.

L'altro approccio alla questione dell'alimentazione dei moderni e promettenti MEMS e NEMS è legato all'utilizzo delle pile a radioisotopi.

Le pile radioisotopiche sono di tipo atomico o nucleare e sono sorgenti di corrente in cui l'energia della fissione radioattiva di elementi metastabili — i nuclei atomici — si trasforma in elettricità. Esse si caratterizzano per l'elevata densità di energia per unità di massa e volume. Il periodo di emissione stabile di energia può variare a seconda degli ampi margini di scelta del nuclide. Le pile a radioisotopi possono funzionare a lungo e in maniera stabile, non richiedono manutenzione e sono silenziose.

Le caratteristiche uniche del nichel-63

La conversione termoelettrica è oggi considerata uno dei modi più brevi per trasformare l'energia della fissione nucleare in energia elettrica. Gli scienziati stanno approfonditamente studiando anche le sorgenti di alimentazione betavoltaiche, che suscitano forte interesse per le loro applicazioni pratiche. Il vantaggio sta nel fatto che utilizzando il radioisotopo in una sorgente minuscola di energia, che emette una leggera radiazione β, diventa facile creare un sistema che difenda fisicamente dalle radiazioni l'utilizzatore e gli oggetti circostanti. Per questo motivo sono sorgenti di alimentazione ritenute promettenti per le applicazioni civili.

Gli scienziati dell' Istituto nazionale di ricerca nucleare del MEPHI hanno analizzato le proprietà elettrofisiche della pellicola a nanoaggregati di nichel e hanno selezionato i parametri ottimali per sperimentare la creazione di un trasformatore efficace di energia da decadimento beta del nichel-63 in elettricità.

Il radioisotopo nichel-63 è uno dei radionuclidi che dà le maggiori speranze di successo nel betavoltaico. Emette una leggera radiazione beta e ha un lungo tempo di dimezzamento: 100,1 anni. Perciò il nichel-63 è un elemento unico, adatto all'alimentazione prolungata dei sistemi che non richiedono alti consumi energetici.

Per le sue caratteristiche, il nichel è anche un metallo piuttosto valido: plastico, relativamente inerte, facile da lavorare, e nel manovrarlo non occorre un contenitore speciale per il trasporto o la conservazione.

Secondo gli scienziati, l'aumento dell'efficienza degli attuali trasformatori di energia da decadimento beta del nichel-63 in elettricità e la ricerca di sistemi fisici alternativi sono degli obiettivi molto importanti per la scienza.

Le nuove concezioni dei ricercatori del MEPhI

I ricercatori hanno messo a punto un originale sistema fisico che consente un'efficace generazione di elettroni secondari direttamente all'interno delle pellicole nanostrutturate di nichel e un notevole aumento di segnale di corrente, provocato da una sequenza multipla di impatti anelastici di particelle β, come spiega Petr Borisyuk, capo ricercatore dell'Istituto di tecnologie laser e plasma MEPhI.

Questo è un sistema relativamente semplice dal punto di vista della realizzazione sperimentale ed è costituito da un complesso di nanoaggregati di nichel ultracompattati con una distribuzione a gradiente di nanoparticelle secondo la dimensione accumulate sulla superficie del dielettrico ad ampia piazza, il monossido di silicio.

Nel corso della ricerca gli scienziati sono giunti alla conclusione che la formazione di pellicole di nanoaggregati di nichel-63 con una distribuzione a gradiente di nanoparticelle secondo la dimensione apra possibilità uniche per riunire direttamente due importanti processi. Anzitutto diventa possibile formare dei rivestimenti con una diversità predefinita di potenziali, la quale viene determinata dalla differenza di misure delle nanoparticelle nella direzione di emissione. In secondo luogo, si può effettuare la conversione di energia di decadimento beta del nichel-63 in corrente di elettroni senza ricorrere ad ulteriori sistemi semiconduttori di difficile realizzazione.

I risultati ottenuti dagli scienziati confermano che le pellicole a gradiente di nanoaggregati di nichel così formatesi possiedono caratteristiche uniche. La sfera di applicazione degli alimentatori a radioisotopi con trasformazione termoelettrica è pressoché illimitata: si estende dalle pile nucleari di dimensioni ultrapiccole che alimentano sistemi micro e nanoelettromeccanici ai pacemaker, ai sensori miniaturizzati di zucchero e di pressione arteriosa, dai sistemi di telemetria di oggetti distaccati alle infrastrutture di impianti, ai microrobot con diverse specializzazioni e destinazioni, infine ai dispositivi di lavoro autonomo prolungato nello spazio profondo, nelle grandi profondità e nelle zone dell'Estremo Nord.

La ricerca degli scienziati dell'Istituto nazionale di ricerca naturale MEPhI viene condotta grazie al supporto economico del Fondo Scientifico Russo.

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MEPhI, Mosca
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