30 anni di autonomia per le batterie? Forse no...

Batterie, quante volte ne abbiamo parlato? Nel corso dell'ultimo anno diverse gruppi di ricerca dei più disparati laboratori e università si sono messi all'opera per individuare strade differenti, rispetto alle attuali, per la produzione di batterie a lunga durata. In questi giorni circola una notizia riguardante una "miracolosa" tecnologia che permetterebbe di realizzare batterie con una autonomia operativa nell'ordine dei 25-30 anni. La tecnologia sarebbe allo studio da parte del Laboratorio di Ricerca della USAF, l'aviazione statunitense, e si basa sull'impiego di radioisotopi per sfruttare l'effetto betavoltaico.

Abbiamo volutamente evitato di parlare di "nuova tecnologia", dal momento che i generatori betavoltaici sono stati studiati e realizzati già da diversi decenni e, fino ad ora, impiegati in ambiti di nicchia come il campo aereospaziale, dove vi è la necessità di dispositivi di alimentazione a lunga durata. E' più corretto, quindi, parlare di nuove applicazioni di una tecnologia esistente, in quanto i generatori betavoltaici potrebbero, nel giro dei prossimi anni, iniziare a giungere anche sul mercato di massa. Ma è necessario approfondire la vicenda.

In cosa consiste l'effetto betavoltaico? Si tratta di un particolare effetto fisico che permette di produrre corrente elettrica sfruttando l'energia delle radiazioni beta emesse da un isotopo radioattivo. Andiamo ad illustrare, per quanto possibile, un po' più nel dettaglio.

Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento chimico che hanno stesso numero atomico (numero di protoni presenti nel nucleo) ma differente numero di massa (massa atomica differente). Dal momento che il nucleo di un atomo è formato da protoni e neutroni, la differenza nella massa atomica è determinata proprio da un differente numero dei neutroni presenti nel nucleo. Gli isotopi possono essere stabili, ovvero conservano la propria struttura atomica e restano di fatto immutati, oppure radioattivi, cioè tendono spontaneamente ad uno stato di stabilità con l'emissione di energia o particelle subatomiche. Questo processo si chiama decadimento radioattivo.

Tra i processi nucleari di decadimento radioattivo, quello di nostro interesse per l'argomento che stiamo trattando è, appunto, il decadimento beta. Semplificando di molto il discorso possiamo dire che il decadimento beta si verifica quando all'interno del nucleo un neutrone si trasforma in una coppia elettrone-protone: il protone resta nel nucleo mentre l'elettrone viene espulso. In realtà viene espulsa una particella, detta appunto particella beta, composta da elettrone e neutrino. Per semplificare la trattazione considereremo solamente l'emissione dell'elettrone.

La realizzazione di un generatore betavoltaico prevede quindi l'impiego di un isotopo radioattivo (nella fattispecie il trizio, isotopo dell'idrogeno) e di un semiconduttore: l'espulsione di elettroni dall'isotopo causerà una polarizzazione diretta nel semiconduttore, dando luogo ad una corrente elettrica. Quanto accade ha delle attinenze, sebbene alla base vi siano principi fisici differenti, con ciò che si verifica nelle celle fotovoltaiche.

Come spesso accade con tutte le tecnologie che promettono grandi cose, vi sono tuttavia diversi problemi da affrontare. Innanzitutto parlando di decadimento radioattivo la prima domanda che sorgerà spontanea è "ma non è pericoloso?". In realtà il decadimento beta è uno dei fenomeni meno pericolosi tra i quelli di decadimento radioattivo, poiché è sufficiente una adeguata schermatura metallica per neutralizzare gli effetti che le particelle beta, comunque debolmente ionizzanti, possono avere sull'ambiente circostante.

Vi sono tuttavia altri ostacoli da superare: innanzitutto il semiconduttore costantemente "bombardato" dalle particelle beta subirà comunque un processo di "degradazione" atomica, con il risultato di diventare, col tempo, di fatto inutilizzabile o meno efficiente. In secondo luogo l'efficienza di un generatore betavoltaico è piuttosto ridotta, nell'ordine del 25% circa, il che sta a significare un elevato ammontare di dispersione di energia, verosimilmente sottoforma di calore.

Nel caso in cui l'isotopo impiegato fosse proprio il Trizio (per altro molto probabile proprio per via della relativamente bassa pericolosità del decadimento beta), vi è un ulteriore problema: il Trizio è un gas caratterizzato da una densità piuttosto bassa, motivo per cui servirebbero contenitori piuttosto voluminosi per disporre della quantità necessaria di gas al fine di realizzare una batteria paragonabile in termini di potenza, energia e corrente ad una tradizionale batteria agli ioni di litio.

Ed è il caso di sfatare un ulteriore mito, quello dei 30 anni di autonomia. Ogni isotopo radioattivo, infatti, andrà naturalmente incontro al processo di decadimento perdendo così la propria radioattività. Il momento in cui un isotopo decade è tuttavia completamente casuale ed imprevedibile. La fisica ha comunque permesso di stabilire che, dato un campione di un particolare isotopo (che quindi è costituito da un numero di atomi di diversi ordini di grandezza), i decadimenti seguono un preciso andamento esponenziale. E' stato quindi introdotto il concetto di "tempo di dimezzamento" che sta ad indicare il tempo necessario per il quale decadono la metà degli atomi di un campione di un determinato isotopo. Tempo di dimezzamento che rappresenta una costante per ogni dato isotopo.

Nel caso particolare che stiamo trattando, il trizio ha un tempo di dimezzamento di poco superiore ai 12 anni: ciò significa che trascorso questo periodo nel generatore betavoltaico sarà presente la metà del campione di trizio utilizzato per la sua costruzione (un quarto dopo 24 anni), con tutte le conseguenze che ciò avrà in termini di perdita di potenza, energia e corrente.

Tirando le fila: la tecnologia betavoltaica non è inutile, in quanto, come detto in apertura, già utilizzata da tempo per alcuni ambiti di applicazione specifici. E' certo possibile che venga avvicinata alla vita di tutti i giorni impiegandola per la realizzazione di generatori che possano trovare posto nei mezzi di trasporto come treni, automobili e aerei. E' tuttavia il caso di ridimensionare i sensazionalismi secondo i quali la tecnologia betavoltaica può permettere di realizzare batterie per dispositivi elettronici come portatili, palmari e via discorrendo. O, almeno, non nel giro di tre anni come le notizie circolate in questi giorni vogliono far credere.