Ricerca: come e dove impiegare le batterie nucleari

Quando si parla di energia nucleare si pensa alle centrali basate sulla fissione di elementi pesanti o alla (futura) fusione di elementi leggeri. Ma esiste un’altra fonte di energia, quella fornita dai decadimenti radioattivi di isotopi naturali o prodotti artificialmente. La radioattività naturale, oltre a generare le ben note acque calde termali, produce l’energia geotermica. La radioattività artificiale, spesso ottenuta come sottoprodotto nelle centrali nucleari, viene utilizzata dalla medicina nucleare per la diagnostica e per i trattamenti di patologie. Meno note sono le batterie nucleari, dispositivi a stato solido che convertono in elettricità l’energia dei decadimenti radioattivi. Questi generatori di elettricità sono sistemi autonomi robusti ed affidabili che offrono molti vantaggi rispetto alle batterie tradizionali. Sono infatti in grado di fornire una potenza elettrica costante per anni, anche per decenni, senza bisogno di essere ricaricati o sostituiti, sono stabili in condizioni ambientali estreme (alte/basse temperature). Le batterie nucleari hanno permesso di portare avanti tutte le attività delle missioni spaziali, dal primo Pioneer (lanciato nel 1972 ha trasmesso informazioni fino al 2003) al Curiosity (lanciato nel 2011 , è ancora attivo) all’attuale Perseverance che raccoglie e trasmette dati da Marte.

Oltre che nello spazio le batterie nucleari sulla terra alimentano apparati di stazioni metereologiche , boe , fari situati in posti isolati e/o impervi (deserti, calotte polari, oceani), dove non è possibile effettuare sostituzioni e dove le convenzionali fonti di elettricità non funzionano. Ma le troviamo intorno a noi anche in tanti dispositivi che non possono subire interruzioni dell’alimentazione elettrica , come le scritte di emergenza (uscita , exit..) , i segnalatori di fumo , i pacemakers . Sono sicure e prive di rischi per la salute e per l’ambiente , perché le particelle alfa e beta emesse dagli isotopi 63-Ni, 3-H, 141-Am , i più utilizzati per queste applicazioni, sono assorbite dai materiali convertitori e dal packaging dei dispositivi. Le batterie alimentate da questi isotopi forniscono una minore potenza specifica (< 10 W/kg) rispetto a batterie a ioni-Li , fuel cells e supercapacitori ma una energia specifica molto maggiore rispetto a qualunque altra batteria. Queste proprietà rendono le batterie nucleari promettenti per molte altre applicazioni civili ed industriali.

Le interessanti prestazioni delle batterie nucleari, il sempre maggiore impegno in missioni spaziali da parte non solo di NASA ed ESA ma anche dei nuovi players nel settore spazio (Cina, India, Corea..) ,le prospettive di un più esteso uso in applicazioni terrestri, stanno incrementando le ricerche in questa area tecnologica. A fianco delle tradizionali agenzie spaziali lavorano attualmente istituzioni accademiche e centri di ricerca di tutto il mondo, ma anche investitori privati, società, start-up, molto interessati ai risvolti commerciali ed all’esteso mercato che si sta aprendo. Le ricerche in corso sono focalizzate in particolare a testare nuovi materiali e sviluppare soluzioni tecnologiche innovative in grado sia di aumentare l’efficienza di conversione dell’energia prodotta dai decadimenti radioattivi , sia di adattare le batterie alle varie possibili applicazioni . Allo stato attuale comunque la potenza specifica di questi sistemi , a basso impatto ambientale e carbon-free, rende già possibile alimentare per decenni sensori, rivelatori, sistemi di trasmissione dati e tutta l’elettronica a basso-consumo attuale e prevista (Internet of Things).

Le tecnologie associate alle batterie nucleari stanno velocemente impattando non solo la “space economy”, ma in generale la “global economy” . I brevetti depositati e le pubblicazioni scientifiche prodotte dal 2010 al 2021indicano una dinamica espansione del campo ed evidenziano un crescente interesse verso la diversificazione dei sistemi per produzione di elettricità da fonti nucleari. Possiamo infatti contare adesso su differenti tipologie di sistemi , che adottano differenti meccanismi di conversione (termici, voltaici, ibridi ) , differenti sorgenti radioattive e differenti materiali convertitori. In questo ambito la distribuzione geografica dei brevetti indica il ruolo prevalente di USA e Cina, seguiti da Australia, Giappone e Korea. E’ da notare che il settore dei brevetti relativi alle batterie nucleari coinvolge attualmente, oltre ai tradizionali produttori di sistemi per generazione di potenza elettrica, anche players del settore biomedicale, come Bracco Diagnostics, Astellas Pharma. Il settore del biomedicale sta infatti sviluppando una serie di dispositivi medicali innovativi, quali neurostimulatori cerebrali, implanti cocleari e intraoculari, sensori transdermici, interfacce cervello/computer . Tutti questi sistemi richiedono una alimentazione elettrica erogata in modo continuo per tutta la vita del paziente.
Le batterie nucleari non pongono problemi per il loro smaltimento al termine della vita lavorativa perché la condizione di “scarica” coincide con la fine del decadimento radioattivo e la generazione di isotopi stabili.