Si distinguono sistemi a conversione termica, che utilizzano il calore del decadimento, e sistemi a conversione non termica, che sfruttano l'interazione della radiazione con un convertitore. Ne fanno parte i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG), impiegati nell'esplorazione spaziale, e i dispositivi betavoltaici, destinati alla produzione di piccole potenze elettriche.
Principio di funzionamento
La sorgente radioattiva emette energia anche in assenza di un carico elettrico. Il convertitore ne trasforma una parte in elettricità, senza che sia necessaria una ricarica dall'esterno. La potenza disponibile dipende dall'attività della sorgente, dall'energia emessa e dal rendimento di conversione. La durata operativa dipende sia dall'emivita del radionuclide sia dal deterioramento dei materiali del dispositivo.
Nei convertitori a semiconduttore, l'assorbimento della radiazione produce coppie elettrone-lacuna. La separazione e la raccolta delle cariche consentono di alimentare un circuito esterno. L'energia delle particelle, la struttura del convertitore e i danni da irraggiamento ne condizionano le prestazioni.
Sistemi di conversione
Metodi di conversione dell'energia del decadimento
Conversione
Metodo
Principio
Termica
Termoelettrico
Una differenza di temperatura genera una tensione per effetto Seebeck.
Termica
Stirling
Il calore aziona un motore Stirling, collegato a un generatore elettrico.
Termica
Termofotovoltaico
La radiazione termica di un emettitore riscaldato alimenta celle fotovoltaiche.
Non termica
Betavoltaico
Le particelle beta generano cariche in un semiconduttore.
Non termica
Alfavoltaico
La conversione nel semiconduttore utilizza particelle alfa.
Non termica
Radiofotovoltaico
Un materiale radioluminescente trasforma la radiazione ionizzante in luce, poi convertita in elettricità da celle fotovoltaiche.
Non termica
A carica diretta
Le particelle cariche emesse dalla sorgente vengono raccolte da un elettrodo.
Negli RTG il calore mantiene una differenza di temperatura fra le giunzioni di una serie di termocoppie. La conversione avviene senza parti mobili. Una parte del calore non trasformato in elettricità può essere utilizzata per mantenere gli strumenti alla temperatura di funzionamento.
La NASA studia anche sistemi a radioisotopi con convertitori Stirling, accanto allo sviluppo di materiali termoelettrici più efficienti.
La conversione non termica comprende sia l'impiego diretto della radiazione sia sistemi con un passaggio intermedio attraverso la luce. I dispositivi betavoltaici e alfavoltaici appartengono al primo gruppo, mentre quelli con scintillatori accoppiati a celle fotovoltaiche appartengono al secondo.
Fra i limiti di questi dispositivi rientrano la potenza erogata, il rendimento di conversione e il degrado dei semiconduttori o dei materiali luminescenti esposti alla radiazione.
Radioisotopi
La scelta della sorgente dipende dal tipo di radiazione, dalla sua energia e dall'emivita. Trizio, nichel-63 e promezio-147 sono fra gli emettitori beta studiati per la conversione diretta. Il plutonio-238 è utilizzato come sorgente di calore negli RTG delle missioni NASA.
Emivita di alcuni radionuclidi impiegati o studiati nelle batterie atomiche
L'emivita descrive il dimezzamento dell'attività della sorgente, non la durata garantita del generatore completo.
Impieghi
L'impiego spaziale dei generatori a radioisotopi iniziò nel 1961 con il satellite statunitense Transit IV-A, dotato di un generatore SNAP-3B da 2,7 W. Questi sistemi consentono di alimentare strumenti dove l'illuminazione solare è insufficiente o discontinua. Il generatore MMRTG fornisce energia elettrica e calore ai rover marziani Curiosity e Perseverance.
Le batterie a radioisotopi sono state utilizzate anche in pacemaker cardiaci. La ricerca sui convertitori non termici riguarda inoltre sensori senza fili, elettronica a basso consumo e strumentazione per ambienti in cui la sostituzione della sorgente di alimentazione è difficile.
Ricerca
Fra i materiali studiati per migliorare la conversione non termica figurano i semiconduttori ad ampio intervallo di banda, fra cui diamante e carburo di silicio. La ricerca comprende anche perovskiti ad alogenuri metallici e calcogenuri, utilizzabili come rivelatori di radiazione o scintillatori.
Nel dicembre 2024 la UK Atomic Energy Authority e l'Università di Bristol hanno annunciato la realizzazione di una batteria al diamante contenente carbonio-14. Il dispositivo sfrutta gli elettroni prodotti dal decadimento beta. L'annuncio descrive una tecnologia per potenze dell'ordine dei microwatt e ne prospetta applicazioni in dispositivi medici e in ambienti estremi.
La geometria dei convertitori è un altro oggetto di studio. Nel 2026 sono state presentate celle betavoltaiche in carburo di silicio con lo strato superficiale a griglia, valutate mediante simulazioni e prove sotto irraggiamento con un fascio di elettroni.
1234(EN) D. Kowal et al., Current trends in material research for nuclear batteries: Harnessing metal perovskite halides and other chalcogenides for greater compactness and efficiency (abstract), in Applied Physics Reviews, vol.12, n.1, 2025, DOI:10.1063/5.0236524, 011328. URL consultato il 21 settembre 2026.
