Batterie alimentate da scorie nucleari che durano 28.000 anni: realtà o fantascienza?

Molte testate di stampa italiane ed internazionali hanno dato entusiastico risalto ad una invenzione che, se realizzata, sarebbe destinata a cambiare il mondo dell’energia e, di conseguenza, avere un enorme impatto sulla nostra vita di tutti i giorni. Si tratta delle batterie ai nanodiamanti della NDB (Nano Diamond Battery), una azienda californiana nata, stando a quanto evidenziato da entusiastiche e un po’ azzardate affermazioni raccolte nel loro sito, con l’esplicito scopo di liberare il pianeta dall’approvvigionamento di energia da fonti fossili entro il 2040.

Immagine dal sito della Nano Diamon Battery

In base a quanto dichiarato dall’azienda, l’idea sarebbe quella di utilizzare materiale radioattivo come fonte di energia per le batterie, in particolare la grafite proveniente dalla dismissione delle centrali nucleari. Le barre di Uranio nelle centrali nucleari, infatti, vengono inserite all’interno di blocchi di grafite che diventano radioattivi a causa del bombardamento di neutroni a cui sono sottoposti che trasformano alcuni degli atomi di carbonio di cui sono composti in C-14, che è un isotopo radioattivo del carbonio e, a seguito della dismissione della centrale, devono essere gestiti come scorie.

Da qui parte l’idea della NDB, che in realtà come vedremo non è originale, per trasformare un materiale di scarto pericoloso, per quanto classificato come rifiuto a bassa attività, in qualcosa di utile e vantaggioso. Il Carbonio 14, infatti, è un isotopo radioattivo che durante il decadimento emette particelle Beta a bassa energia le quali, urtando contro gli  elettroni di un materiale semiconduttore, possono generare una corrente elettrica. Questo processo, noto da tempo, è analogo alla generazione di una corrente elettrica da parte di una cella fotovoltaica ed è detto betavoltaico.

Il cuore della batteria nano diamante è il decadimento del carbonio-14 in Azoto, un anti-neutrino e un elettrone (Fonte newatlas.com)

La Nano Diamond Battery preleverebbe questa grafite dallo strato superficiale dei blocchi, nei punti in cui la concentrazione di C14 è più alta [4], lavorandola e trasformandola in minuscoli diamanti il cui reticolo cristallino fungerebbe da semiconduttore in grado di polarizzarsi grazie al processo betavoltaico dovuto al gran numero di atomi di C14 in esso contenuti. Ponendo in serie diversi strati di questo materiale si creerebbero le celle di queste batterie che sarebbero in grado di caricare un supercondensatore il quale, collegato ad un apparecchio, andrebbe in scarica su di esso fornendogli l’alimentazione necessaria per il suo funzionamento.

Immagine del supercondensatore della NDB (fonte: sito NDB)

Essendo basate sul decadimento di un materiale radioattivo, che dura migliaia di anni, queste batterie avrebbero una durata praticamente infinita, senza contare che risolverebbero parte del problema dello stoccaggio della grafite radioattiva che verrebbe riciclata e riutilizzata, anche se questo non elimina il problema delle scorie, che sono tutt’altra cosa. Secondo la Nano Diamond Battery la sicurezza del loro prodotto sarebbe garantita dal fatto che gli atomi di C14 sarebbero inglobati nel diamante sintetico, materiale molto più resistente dell’acciaio e in grado di contenere perfettamente le radiazioni senza alcun rischio per gli utilizzatori finali.

Come accennato in precedenza, il principio delle celle betavoltaiche non è nuovo, quindi l’idea alla base di questo tipo di batterie è già stata esplorata in passato. I primi dispositivi di questo genere sono stati creati all’inizio del Novecento da Henry Mosley, lo scopritore di una legge empirica sui raggi X, che costruì un dispositivo basato sul decadimento Beta del radio per generare differenza di potenziale tra due elettrodi. Tuttavia, la corrente che riuscì a generare era troppo bassa per essere utilizzata in applicazioni pratiche. Un miglioramento della sua idea si ebbe nel 1953 ad opera di Paul Rappaport, che pensò di utilizzare i semiconduttori, ottenendo batterie di maggiore potenza.

In seguito l’interesse su queste tematiche non si spense, ma seguirono altri studi ed articoli sull’argomento [1]-[3]. Celle betavoltaiche che utilizzavano elementi radioattivi vennero usati negli anni ’70 per i pacemaker, prima dell’avvento delle batterie agli ioni di Litio, più economiche e versatili. Sono tutt’ora in commercio batterie basate sul decadimento del trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno, in grado di generare circa 100 microwatt di potenza per una ventina d’anni.

Più di recente, alcuni gruppi di ricerca inglesi (2016) e russi (2018) hanno eseguito altri esperimenti sulle batterie betavoltaiche utilizzando gli ioni radioattivi di nichel 63, arrivando a costruire dei prototipi e risvegliando l’interesse sull’argomento. I limiti principali di questi sistemi di generazione elettrica sono legati ai materiali utilizzati ed alla densità di carica che riescono a generare. Il nichel 63, infatti, non è un prodotto di scarto tipico delle centrali nucleari e richiederebbe la costruzione di appositi impianti per permetterne la produzione e l’arricchimento. Inoltre questi sistemi generano elettricità, ma con bassa potenza. Quindi possono essere impiegati o su dispositivi con bassissimo assorbimento di potenza (microwatt) o per caricare costantemente e per un lungo periodo di tempo un condensatore che poi, una volta caricato, alimenta per un periodo brevissimo un dispositivo che si attiva ad intervalli regolari.

Attualmente i sistemi betavoltaici sono utilizzabili in applicazioni in cui è necessaria una fornitura costante di energia a bassa potenza ma per lungo tempo che possa resistere anche a condizioni ambientali gravose, in cui le batterie chimiche convenzionali difficilmente riuscirebbero a funzionare o ad essere sostituite. Un esempio sono i sistemi antitamper per evitare le manomissioni di sistemi militari, i cui chip richiedono pochissima corrente ma devono resistere a temperature molto basse, vibrazioni, umidità o ambienti salini o la sensoristica di un ponte o un alto edificio, in cui può essere difficile provvedere alla sostituzione delle batterie.

Una soluzione al problema del nichel è stata proposta dagli stessi ricercatori inglesi, che in una conferenza del Cabot Institute tenutasi nel 2017 all’Università di Bristol, per voce del Professor Tom Scott, hanno avanzato per primi l’ipotesi di utilizzare il carbonio 14 trasformato in diamanti sintetici attraverso un processo di gassificazione e riconversione a bassa pressione ed elevata temperatura. Quella enunciazione, però, era puramente teorica e ad oggi, sebbene il professor Scott riferisca di aver creato il primo prototipo e di aver depositato brevetti negli Stati Uniti e nel Regno Unito, nulla riguardo a queste invenzioni è stato reso pubblico. Anche se il professor Scott ed il suo team fossero riusciti nel comunque notevole risultato di produrre il loro prototipo, resta il problema della disponibilità di carica, perché i diamanti di carbonio 14 non riuscirebbero a caricare il condensatore abbastanza velocemente da garantire continuità di alimentazione a dispositivi che presentano assorbimenti di potenza elevati se non utilizzando quantità enormi di materiale radioattivo, il che renderebbe le batterie troppo ingombranti per qualsiasi utilizzo, oppure impiegandole solo per applicazioni saltuarie, che diano al condensatore il tempo necessario per ricaricarsi tra un utilizzo e l’altro.

In questo scenario si inseriscono le batterie della NDB, che utilizzerebbero una tecnologia simile a quella enunciata dal Professor Scott, ma che sarebbero già in stato avanzato di prototipazione, con prove di concetto già superate e pronte ad entrare sul mercato in un paio di anni con tipologie di batterie a bassa potenza in grado di sostituire le normali alcaline AA e in cinque anni con batterie ancora più potenti. In base a quanto affermano dalla NDB le applicazioni di queste batterie sarebbero infinite. Potrebbero essere montate sulle auto elettriche che non avrebbero più bisogno delle colonnine di ricarica, inserite negli apparecchi medici impiantabili come pacemaker o apparecchi acustici, utilizzate sui veicoli aerospaziali, nei sistemi di sorveglianza o, più banalmente, nei dispositivi elettronici come laptop o cellulari, che non avrebbero più bisogno di essere ricaricati. Per non parlare della possibilità di portare energia elettrica nei luoghi più remoti del mondo in cui ora la rete elettrica non arriva, ad esempio per prelevare acqua da un pozzo, azionare un depuratore, un mulino o alimentare una sala operatoria.

Tutto stupendo, se non fosse che la NDB non ha fornito alcuna prova di quello che afferma e le domande su questo tipo di tecnologia restano tutte senza risposta. Come ha fatto la NDB a superare il problema della densità di carica? Qual è la quantità di carbonio 14 all’interno di una batteria? Che dimensioni hanno le batterie?

Secondo l’Università di Bristol, 1 grammo di C-14 fornirebbe 15 Joule di energia al giorno, che corrispondono a circa 0,17 milliwatt di potenza media. Una immagine fornita dalla ditta mostra appunto una ipotetica batteria da 100 microwatt (0,1 milliwatt). Per confronto un cellulare consuma in media in una giornata circa 100-200 milliwatt, per tenerlo in carica servirebbe quindi 1 Kg solo di carbonio 14, cui vanno aggiunti il peso dei diamanti di protezione, del supercondensatore, dell’elettronica e dell’involucro esterno.

E’ chiaro che nessuno chiede alla NDB di svelare i suoi segreti industriali, però a due anni dalla promessa commercializzazione di queste batterie qualche dato in più dovrebbe essere disponibile, qualche scheda tecnica, qualche informazione sull’efficienza, la potenza o l’amperaggio che riescono a raggiungere.

In una lunga intervista rilasciata al sito New Atlas i responsabili dell’azienda parlano della loro attività in maniera molto diffusa, ma non risolvono in maniera soddisfacente nessuno di questi dubbi e i risultati dei due proof of concept che avrebbero completato presso il Lawrence Livermore National Laboratory ed il Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge non sono disponibili per una valutazione. Nell’intervista vengono ipotizzate batterie in cui nel diamante verrebbero inseriti isotopi radioattivi, sempre ricavati da scorie nucleari, con radioattività molto maggiore, e quindi in grado di produrre potenze più elevate. Si accenna addirittura all’impiego di queste batterie in auto elettriche o grossi centri di calcolo, che richiedono potenze che si misurano in migliaia di watt, non milliwatt. Ad esempio un’auto elettrica con una percorrenza giornaliera di 100 km consuma, in media nella giornata, circa 600 watt. Servirebbero 400 kg di C14 per tenerne in carica le batterie. Usando isotopi con radioattività più elevata potrebbe bastarne qualche chilogrammo, ma al prezzo di dover trattare, inglobare nel diamante (da produrre comunque in quantità di decine di chilogrammi) e gestire elementi decisamente più pericolosi del C14, oltre a tutti i problemi relativi al fatto che la cella stessa dovrebbe resistere a livelli di radiazione elevati senza danneggiarsi. Occorre inoltre tener presente che una batteria betavoltaica produce comunque energia, sia che questa venga usata o meno. Quindi serve sempre un sistema di accumulo (una batteria) se questa viene usata in modo discontinuo, come in un’auto (o un cellulare).

In conclusione, la possibilità di generare energia da una fonte di materiale radioattivo è stata studiata a lungo ed è già impiegata in applicazioni molto particolari, mentre le batterie al diamante per ora restano un’idea teorica in fase di sviluppo e comunque il loro utilizzo in applicazioni reali appare limitata. Quando i dati saranno disponibili ed il primo prototipo sarà realizzato si potranno fare considerazioni più realistiche, fino ad allora forse sarebbe opportuno utilizzare toni meno entusiastici o sensazionalistici.

Matteo Matassoni è un ingegnere elettrotecnico libero professionista che si occupa principalmente di impianti elettrici industriali, Media Tensione ed Innovation Management.

Note:

[1] L.C. Olsen “Betavoltaic Energy Conversion” Energy Conversion. Vol. 13. pp. 117-127. Pergamon Press, 1973.

[2] L.C. Olsen “Review of betavoltaic energy conversion” Washington State Univ. Richland, WA, Stati Uniti, 2013

[3] C. Zhou, J. Zhang, X. Wang, Y. Yang, P. Xu, P. Li, L. Zhang, Z. Chen, H. Feng and W. Wu “Review—Betavoltaic Cell: The Past, Present, and Future” IOP Publishing Limited, 2021.

[4] Payne, L. Heard, P. Scott, T. “Enrichment of C-14 on Surface Deposits of Oldbury Reactor Graphite Investigated with the Use of Magnetic Sector Secondary Ion Mass Spectrometry” WMS Journal, Vol.1 n.2.