¿Qué son las baterías de diamante? ¿Son una fuente de energía viable?

Hace unos meses aparecieron noticias sobre unas baterías de diamante ideadas por la Universidad de Bristol que, según algunos medios, podrían “revolucionar” el paradigma energético. Algunos incluso hablaban de una nueva “era de los diamantesde la producción de energía. Pero Israel Bello no terminaba de fiarse de estas predicciones, así que me mandó un correo (a jordipereyra@cienciadesofa.com) preguntando si las baterías de diamante serían realmente un invento tan revolucionario o si, por el contrario, serán una entrada más en la lista de avances exagerados por los titulares y que terminan cayendo silenciosamente en el olvido.

Pero, para variar, veamos cómo funcionan estas baterías antes de analizar su viabilidad.

Recordemos que una corriente eléctrica no es más que un flujo de electrones de un punto a otro. Es por eso que, como comentaba en esta otra entrada, las baterías normales contienen un material al que le faltan muchos electrones (carga positiva) y otro al que le sobran (carga negativa). En cuanto los dos terminales quedan unidos por un circuito, los electrones empiezan a pasar del lado del que sobran al que faltan, dando lugar así a una corriente eléctrica.

Si os interesa el asunto, hablaba sobre las baterías recargables en esta otra entrada.

Pero las baterías de diamante no utilizan dos materiales con carga eléctrica opuesta para estimular la circulación de electrones. En su lugar, generan una corriente eléctrica a través de la radiactividad.

Como comenté en este artículo sobre métodos de datación radiactiva, estamos rodeados de átomos que emiten radiación, incluso aunque se trate de elementos que normalmente no son radiactivos. Esto se debe a que una fracción de los átomos de muchos elementos que consideramos estables (como el carbono o el potasio), es en realidad inestable, de modo que, de vez en cuando, algunos de ellos se deshacen de alguna de las partículas que contiene su núcleo y se convierten en otros elementos. Esas partículas que salen disparadas del núcleo (o, a veces, rayos gamma) de los átomos inestables son los proyectiles diminutos a los que llamamos radiación nuclear.

Muchos elementos que no asociamos con la radiactividad se pueden presentar en formas en las que sí son radiactivos. Esto se debe a que cada elemento de la tabla periódica tiene varios isótopos (de los que hablé hace poco) o, lo que es lo mismo, versiones distintas de sus átomos que contienen cantidades de neutrones diferentes. Y resulta que algunas de esas combinaciones son inestables y, por tanto, radiactivas.

Y eso nos lleva a los diamantes.

Los diamantes están hechos de átomos de carbono ordenados en una estructura muy concreta. El isótopo más abundante del carbono es el carbono-12 (98,9% de los átomos de este elemento), lo que significa que tiene 12 partículas en su núcleo: 6 protones y 6 neutrones. Los núcleos de carbono-12 son perfectamente estables, así que la mayor parte del carbono que nos rodea (y compone) no es radiactivo.

Pero uno de cada billón de átomos de carbono es carbono-14, la versión del elemento que tiene 6 protones y 8 neutrones en su núcleo. El carbono no está cómodo con esta configuración, así que los átomos de carbono-14 se estabilizan convirtiendo uno de sus neutrones en un protón. Como resultado, el núcleo del átomo termina conteniendo 7 protones y 7 neutrones en su núcleo, así que termina convertido en un átomo de nitrógeno-14 (hablaba con más detalle de este proceso en esta entrada).

Y aquí viene la pieza clave de información para entender el invento: cuando un neutrón se transforma en un protón, un electrón sale disparado del núcleo del átomo. Y ese electrón que sale volando del núcleo atómico es a lo que llamamos radiación beta.

Por tanto, el concepto tras una batería de diamante consiste en fabricar un diamante con carbono-14 radiactivo y dejar que sus átomos se vayan convirtiendo en nitrógeno mientras emiten electrones.

¿Pero por qué se elige precisamente el carbono-14 para este invento? Quiero decir, hay muchos más elementos con isótopos radiactivos en la tabla periódica.

Pues ahí es donde llega la parte interesante del concepto, voz cursiva.

Los diamantes sintéticos tienen la capacidad de generar corrientes eléctricas cuando la radiación beta incide contra ellos. Esto se debe a que los electrones que componen esta radiación van colisionando con los electrones de la estructura mientras atraviesan el diamante, sacándolos de su sitio. Cuando esto ocurre, los electrones circundantes se ven atraídos hacia los espacios que han quedado huecos y, de esta manera, aparecen regiones donde faltan y sobran electrones dentro de la estructura del diamante… Que precisamente es lo que hace falta para inducir una corriente eléctrica.

Dicho esto, resulta que la gran ventaja de las baterías de diamante sería su (extremadamente larga) duración: tardarían 5.730 años en agotar la mitad de su carga.

¿¡QUÉEE!?¡ ¿Y eso cómo puede ser?!

Estas baterías seguirán funcionando mientras haya átomos de carbono-14 descomponiéndose en su interior, lo que a su vez está relacionado con el periodo de semidesintegración del isótopo, el tiempo que tardan la mitad de los átomos de una muestra cualquiera en emitir una partícula. En el caso del carbono-14, este periodo es precisamente de 5.730 años (hablaba con más detalle del periodo de semidesintegración en la entrada sobre la datación que había mencionado).

¡Vaya, una batería que dura miles de años! ¡Nunca más tendré que comprar pilas, ni cargar el móvil, ni el ordenador, ni la cámara, ni…!

Eh, eh, para el carro, voz cursiva. Examinemos con más detenimiento la idea antes de hacernos ilusiones.

En primer lugar, las baterías que se basan en las corrientes eléctricas inducidas por algún tipo de radiación no son una idea nueva: en los años 60 aparecieron las primeras baterías betavoltaicas, que son aquellas que utilizan la radiación beta producida por algún elemento radiactivo para generar electricidad. La ventaja de estas células es que duran tanto como les permite el periodo de semidesintegración del isótopo utilizado para fabricarlas.

El primer marcapasos betavoltaico (1972). (Fuente)

Las baterías betavoltaicas que hay en el mercado utilizan isótopos como el tritio, una versión radiactiva del hidrógeno que tiene dos neutrones y un periodo de semidesintegración de 12,32 años. Esto significa que, pasados 12,32 años, la mitad de la batería de tritio se habrá agotado. Después de otros 12,32 años, la mitad de esa mitad habrá dejado de emitir partículas beta… Y así hasta que la emisión es demasiado débil como para seguir produciendo una corriente utilizable.

Pero, tras medio siglo experimentando en este campo y haciendo pruebas con isótopos de elementos distintos (como el tritio, el prometio-147 o el níquel-63), los científicos notaron que la larga duración de las baterías betavoltaicas viene acompañada de una gran desventaja: generan corrientes muy bajas, del orden de microamperios (μA) o incluso nanoamperios (nA), por lo que la potencia que producen es del orden de los miliwatts (mW) o microwatts (µW).

¿Y por qué eso es poco?

Para que te hagas una idea, voz cursiva, las bombillas que usas en casa suelen tener una potencia de entre 40 y 60 watts (W). Los cargadores de móvil rondan los 2,5 W (5V, 0,5A) y los de ordenador unos 66 W (19V, 3,5A). O sea, que las baterías betavoltaicas producen una potencia miles o millones de veces menor que la necesaria para abastecer a los electrodomésticos menos exigentes (en términos energéticos) que usamos en nuestro día a día.

O sea, que con estas cifras puedes hacerte una idea de el poco uso que tendrían las baterías de diamante para el ciudadano de a pie, voz cursiva.

Espera, espera. ¿Cómo sabes que las baterías de diamante producirán tan poca energía como el resto de baterías betavoltaicas? ¿Y si terminan siendo mucho mejores que las otras que están hechas con materiales menos románticos?

Buena pregunta.

La Universidad de Bristol no ha sacado a la luz las especificaciones técnicas exactas de este invento, pero se han hecho experimentos en los que se ha irradiado un diamante con un chorro de electrones de 20 KeV (kiloelectrón-voltios, que es una unidad de medida de energía) y obtenido una corriente con una potencia de unos 10,48 microwatts, lo que encaja con la idea de que una batería de diamante produciría una energía comparable a la del resto de baterías betavoltaicas.

Pero también es verdad que la situación no es del todo equivalente, así que hagamos un cálculo rápido para aproximar la cantidad de energía que cabría esperar de una batería de diamante real.

De nuevo, la Universidad de Bristol no ha especificado el tamaño que tendrían sus baterías, pero el diamante sintético más grande que se ha producido tiene una masa de unos 10 quilates o, lo que es lo mismo, 2 gramos, así que usemos esta cifra para aproximar un valor por lo alto. Teniendo en cuenta que la mitad de los átomos de esa batería habrán emitido un electrón con una energía media de 49.000 eV a lo largo de los primeros 5.730 años, se podría esperar una producción ideal de energía de unos 0.00218W o, lo que es lo mismo, 2,2 mW.

Pero, ojo, que esa es la cantidad de energía que podríamos sacar del sistema si pudiéramos aprovechar toda la energía de los electrones emitidos por el carbono-14. En la vida real, la eficiencia de las baterías betavoltaicas ronda el 5%, de modo que esta cifra sería unas 20 veces menor, lo que equivaldría a unos 0,1 mW o 100 µW.

Por supuesto, se trata de una aproximación un poco patatera que no pretende dar una cifra exacta pero, dada la información que tenemos, nos sirve para hacernos una idea de la escala a la que produciría energía una batería de diamante real.

Vaya… Entonces las baterías de diamante serían igual de inútiles que el resto de dispositivos betavoltaicos…

A ver, que una cosa no produzca suficiente energía para cargarte el móvil no quiere decir que sea inútil, voz cursiva. Hay aplicaciones que funcionan con potencias muy bajas y entre las que se encuentran algunos procesadores nuevos o láseres diminutos. De hecho, hay aparatos como los marcapasos que funcionan con corrientes diminutas y a los que la larga vida de una batería de diamante les podría resultar muy beneficiosa… Porque, bueno, cuando tienes un dispositivo electrónico implantado en el pecho, lo último que te apetece es que tengan que abrirte el tórax cada dos por tres para cambiarle las pilas.

Además, este invento tendría la ventaja adicional de que el material necesario para fabricarlas se puede sacar de las barras de grafito utilizadas para moderar los electrones en las centrales nucleares, en las que la concentración de carbono-14 es mayor que esa parte por billón que se puede encontrar de manera natural. Como el carbono-14 se tiende a acumular en la superficie de las barras, bastaría con calentarlas hasta el punto de ebullición del carbono y recolectar el gas producido (aunque es una de esas cosas que es más fácil decir que hacer, ya que se necesitan temperaturas que rondan los 3.600ºC para sublimar el carbono).

Por tanto, en el panorama tecnológico actual sí que hay sitio para una batería de diamante que produzca muy poca energía durante un periodo de tiempo muy largo. Pero, sabiendo esto, ahora toca analizar el factor principal que determinará el éxito o el fracaso de cualquier invento mínimamente plausible: su coste.

En primer lugar, producir diamantes sintéticos no es barato. Por lo que he podido encontrar, el precio por quilate (200 miligramos) ronda entre los 3.000$ y los 6.000$ de modo que el proceso de fabricación de un diamante de 2 gramos para nuestra batería nos saldría por unos 30.000$ o 60.000$. Es verdad que estos son los precios de diamantes muy transparentes, de una calidad que no sé si hace falta para fabricar una batería betavoltaica… Pero eso tampoco importa mucho, porque el coste del fabricar el diamante sintético palidece en comparación con el precio del propio carbono-14 que se necesitaría.

Algunos diamantes sintéticos. (Fuente)

No he podido encontrar ninguna fuente en la que se detalle el coste de extracción del carbono-14 de las barras de grafito usadas en las centrales nucleares, pero sí que hay empresas que venden 0,06 miligramos de carbono-14 a 2.649$, lo que demuestra lo complicado que es separarlo del resto de carbono-12, muchísimo más abundante. Y, claro, con estas cifras, el carbono-14 necesario para construir una batería de diamante de 2 gramos rondaría los 44.000.000$, mucho más que la fabricación del propio diamante.

Basados en estos datos, ¿qué podemos concluir?

Las baterías de diamante son un concepto interesante, pero producirán tan poca energía que ni siquiera servirán para suministrar abastecer los dispositivos más pequeños que usamos en nuestro día a día, como teléfonos móviles u ordenadores. Eso no significa que no puedan tener unas aplicaciones interesantes muy concretas, por supuesto, pero no tiene pinta de que este invento vaya a “revolucionar el panorama energético”, como indicaban algunos titulares.

Por otro lado, aunque las baterías de diamante tienen una vida útil larguísima, si se compara el carbono-14 con otras opciones más económicas, como el tritio, que ronda los 30.000 $/g, es difícil imaginar que las baterías de diamante vayan a sustituir a las baterías betavoltaicas actuales a menos que aparezca una manera más económica de extraer carbono-14.

Así que, nada, dicho todo esto…

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

 

5 pensamientos en “¿Qué son las baterías de diamante? ¿Son una fuente de energía viable?”

  1. si eso fuera verdad esas pilas dieran carga asi fuera solo a los moviles ya estarían en el mercado y esa gente estaría multmillonaria, pero algo que siempre me he preguntado es por que en los coches electricos no se aprovecha el movimiento de las ruedas para poner unos dinamos que generen electricidad y esta sea almacenada en una batería de respaldo.

    1. Me preguntaba lo mismo tambien pero ahora comprendo que eso no es posible ya que la energia que obtendrias al hacer eso no seria menor a la que gastarias en hechar a andar dicho dinamo, en algunos autos electricos si se aprovecha el momento de la frenada al convertir el mismo motor en un alternador y cargar asi supercapacitores o la misma bateria que despues dicha energia se aprovecha, en cuanto a los autos a gasolina pues tu dinamo es el mismo alternador pero tambien ese genera perdidas ya que se comporta como una carga al motor pero es necesario para mantener todos los sistemas electricos andando, ‘a culpa de todo la tiene la ley de la termodinamica.

  2. Interesante artículo, aunque la respuesta sobre su utilidad es algo desilusoria.

    Por mi parte, tengo otra pregunta que creo podría ser atractiva:

    ¿Existe alguna substancia sólida que al enfriarse se vuelva líquida, o alguna substancia líquida que al enfriarse se vuelva gaseosa?

    Sería interesante saber sobre alguna substancia con tales cambios inusuales de estado.

    Atte: soy el de la pregunta sobre los metales de colores.

    1. Adición:

      Esta pregunta puede verse desde otro ángulo.
      “¿Existe un líquido que al calentarse se vuelva sólido?”

      Aunque en este caso, la respuesta no es tan interesante.
      Por ejemplo, un huevo se vuelve sólido al calentarse, pero no vuelve a ser líquido al enfriarse, por lo tanto no es una substancia valida para mi otra pregunta (la primera de arriba).

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