Une source d’énergie conçue pour survivre à la civilisation
Imaginez un appareil qui n’a jamais besoin d’être rechargé. Pas une seule fois au cours de votre vie. Ni de celle de vos enfants, de vos petits-enfants, ni même de vos arrière-petits-enfants. Cette vision est passée de la science-fiction à la réalité en laboratoire en décembre 2024, lorsque des chercheurs de l’université de Bristol et de l’Autorité britannique de l’énergie atomique ont dévoilé un prototype qui remet en question tout ce que nous croyons savoir sur le stockage de l’énergie.
Sommaire
- Une source d’énergie conçue pour survivre à la civilisation
- Comment la désintégration radioactive produit de l’électricité
- Transformer les déchets nucléaires en énergie
- Des applications où la longévité prime sur la puissance
- La course mondiale aux batteries atomiques
- Les défis avant la commercialisation
- À retenir
La batterie au diamant et au carbone 14 produit de l’électricité grâce à la désintégration radioactive, dont la période est de 5 700 ans. Autrement dit, l’appareil conserve la moitié de sa puissance initiale après près de six millénaires, suffisamment longtemps pour relier les civilisations antiques aux technologies modernes. Contrairement aux batteries lithium-ion, qui se dégradent en quelques années, ou même aux panneaux solaires, qui ont besoin de lumière, cette source d’énergie fonctionne en continu, scellée dans la substance naturelle la plus dure connue sur Terre.
Le professeur Tom Scott, professeur en science des matériaux à l’université de Bristol, dirige l’équipe à l’origine de cette innovation. Son groupe de recherche travaille depuis des années à mettre au point des méthodes pour transformer des matières radioactives en sources d’énergie utiles. Ces travaux ont abouti à ce prototype de faisabilité, qui pourrait changer notre façon d’envisager l’alimentation électrique des appareils utilisés dans des environnements inaccessibles. Cette annonce marque une étape importante dans la recherche sur les matériaux nucléaires : elle montre que les déchets issus des réacteurs à fission peuvent devenir des ressources plutôt que des passifs.
La durée de vie de cette batterie défie les conceptions habituelles du stockage de l’énergie. Les batteries rechargeables modernes durent généralement entre 500 et 1 000 cycles avant de se dégrader nettement. Or, ce dispositif à base de diamant fournirait encore une énergie utile lorsque les documents historiques d’aujourd’hui seront devenus de simples curiosités archéologiques. La physique de la désintégration du carbone 14 offre une fiabilité quasi mécanique que les batteries chimiques ne peuvent égaler.
Cette stabilité rend la technologie particulièrement précieuse pour les applications où la panne est exclue et la maintenance impossible. Le prototype ne représente pas seulement une amélioration progressive de la chimie des batteries, mais une nouvelle façon d’envisager l’alimentation électrique des appareils sur des durées qui se comptent en siècles plutôt qu’en heures.
Comment la désintégration radioactive produit de l’électricité
Pour comprendre le fonctionnement de cette batterie, pensez aux principes qui régissent les panneaux solaires. Les cellules photovoltaïques traditionnelles captent l’énergie de particules lumineuses appelées photons et la convertissent en électricité. La batterie au diamant repose sur un principe similaire, appelé bêtavoltaïque, mais au lieu de capter la lumière du soleil, elle récupère les électrons rapides libérés par la désintégration des atomes de carbone 14.
Le carbone 14 est un isotope radioactif célèbre en archéologie, où les scientifiques s’appuient sur son taux de désintégration prévisible pour dater d’anciens matériaux organiques. En se désintégrant, cet isotope émet un rayonnement bêta de faible portée, libérant des électrons de haute énergie. Dans la batterie au diamant, le carbone 14 est intégré à des couches de diamant synthétique. À mesure que l’isotope se désintègre, il émet des particules bêta que les propriétés semi-conductrices du diamant convertissent en courant électrique.
La structure en diamant remplit deux fonctions : elle produit de l’énergie tout en faisant office de bouclier impénétrable contre les rayonnements. Comme le carbone 14 n’émet qu’un rayonnement de faible portée, l’enveloppe en diamant absorbe toutes les émissions potentiellement nocives à l’intérieur du dispositif. Aucun rayonnement ne s’en échappe en fonctionnement normal, ce qui rend la batterie sûre pour les implants médicaux et les applications grand public.
Sarah Clark, directrice du cycle du combustible tritium à l’UKAEA, a expliqué le mécanisme de sécurité de cette technologie.
Les batteries au diamant constituent une solution sûre et durable pour fournir en continu une puissance de l’ordre du microwatt. Cette technologie émergente utilise un diamant fabriqué pour enfermer en toute sécurité de petites quantités de carbone 14.
Les batteries prototypes mesurent environ 10 millimètres sur 10, pour une épaisseur pouvant atteindre 0,5 millimètre. Ce format compact fournit en continu une puissance de l’ordre du microwatt, suffisante pour les appareils à faible consommation, mais très inférieure aux besoins des smartphones ou des véhicules électriques.
Transformer les déchets nucléaires en énergie
L’un des aspects les plus intéressants de cette technologie tient à la matière première utilisée. Le carbone 14 des batteries provient de blocs de graphite retirés des réacteurs à fission nucléaire. Ces matériaux nécessiteraient autrement un stockage coûteux à long terme en tant que déchets radioactifs. Le Royaume-Uni en détient à lui seul environ 95 000 tonnes, ce qui représente à la fois un défi de stockage et une ressource encore inexploitée.
En extrayant le carbone 14 du graphite des réacteurs, les scientifiques réduisent simultanément le volume des déchets nucléaires et créent une ressource énergétique précieuse. Le procédé consiste à placer la matière radioactive dans du diamant synthétique produit par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Des ingénieurs du campus de Culham de l’UKAEA ont construit une installation spécialisée de dépôt plasma pour créer ces couches de diamant avec précision, en confinant la matière radioactive en toute sécurité tout en maximisant la captation de l’énergie.
Cette technique de fabrication s’inspire directement de la recherche sur l’énergie de fusion. L’expertise de l’UKAEA dans la manipulation de matières radioactives, le dépôt plasma et la fabrication de semi-conducteurs spécialisés, développée à l’origine pour les réacteurs tokamaks, a été mise à profit dans le projet de batterie au diamant. Cette collaboration montre comment les investissements dans la recherche fondamentale en physique peuvent déboucher sur des applications pratiques inattendues.
Le professeur Neil Fox, professeur en matériaux pour l’énergie à l’université de Bristol, a souligné les propriétés protectrices de l’enveloppe en diamant.
Le diamant est la substance la plus dure connue de l’homme ; il n’existe littéralement aucun matériau que nous pourrions utiliser pour offrir une meilleure protection.
Lorsque la batterie arrivera au terme de sa durée de vie utile, elle pourra être renvoyée aux fabricants pour être recyclée ou éliminée de façon contrôlée. Le carbone 14 reste confiné en toute sécurité pendant tout le cycle de vie du dispositif, qui répond ainsi à la fois aux besoins énergétiques et aux préoccupations environnementales. Un gramme de carbone 14 peut fournir 15 joules d’électricité par jour et durer des siècles de plus que les batteries classiques.
Des applications où la longévité prime sur la puissance
La batterie au diamant fournit une puissance de l’ordre du microwatt, bien inférieure aux besoins des smartphones ou des véhicules électriques. Cette limite devient toutefois un avantage dans certains contextes où la longévité et la fiabilité comptent davantage que la puissance brute. La technologie est particulièrement adaptée aux environnements où le remplacement d’une batterie est dangereux, coûteux ou impossible.
Les implants médicaux constituent l’une des pistes les plus prometteuses. Les stimulateurs cardiaques, appareils auditifs et dispositifs oculaires actuels reposent sur des batteries classiques qui nécessitent une intervention chirurgicale de remplacement tous les cinq à dix ans. Chaque intervention comporte des risques d’infection et de complications, ainsi qu’une période de convalescence. Une batterie au diamant pourrait alimenter ces appareils pendant toute la vie du patient, supprimant les opérations répétées et réduisant les coûts de santé. Pour les patients vivant dans des régions isolées où l’accès aux soins est limité, cette longévité pourrait changer leur vie.
L’exploration spatiale constitue une autre application naturelle. Les sondes spatiales lointaines et les satellites finissent par perdre le contact lorsque leurs panneaux solaires ne captent plus assez de lumière ou que leurs batteries classiques sont épuisées. Voyager 1, l’objet fabriqué par l’homme le plus éloigné de la Terre, dépend de batteries nucléaires classiques à durée de vie limitée. Une source d’énergie au carbone 14 pourrait alimenter les instruments et les systèmes de communication pendant des décennies, voire des siècles, et permettre des missions allant bien au-delà des limites technologiques actuelles.
Les étiquettes radiofréquences placées sur les engins spatiaux ou leurs charges utiles pourraient rester détectables pendant des milliers d’années, réduisant les coûts d’exploitation tout en prolongeant la durée des missions. La batterie fonctionne efficacement à des températures extrêmes, comprises entre -60 °C et +120 °C, sans autodécharge, ce qui en fait une solution idéale pour les environnements hostiles.
Sur Terre, les applications dans des lieux isolés comprennent les stations de surveillance de l’Arctique, les capteurs sous-marins installés sur les infrastructures pétrolières et gazières, ainsi que les dispositifs de sécurité dans des endroits inaccessibles. Tout système devant fonctionner sans surveillance pendant des décennies pourrait bénéficier de cette technologie. Des étiquettes radiofréquences actives pourraient servir à identifier et suivre des appareils sur Terre ou dans l’espace pendant des décennies, en réduisant les coûts et en prolongeant leur durée de fonctionnement.
La course mondiale aux batteries atomiques
Bristol et l’UKAEA ont fait la une avec le premier prototype au carbone 14, mais ils ne sont pas les seuls à travailler sur les batteries nucléaires. Cette technologie a déclenché une compétition internationale : des équipes de recherche en Chine, aux États-Unis et en Europe s’efforcent de commercialiser des dispositifs similaires, utilisant d’autres isotopes radioactifs.
La société chinoise Beijing Betavolt New Energy Technology a annoncé un modèle concurrent utilisant du nickel 63 plutôt que du carbone 14. Sa batterie BV100, dévoilée début 2024, mesure 15 millimètres sur 15 sur 5 et produit 100 microwatts sous 3 volts. Cette solution au nickel 63 offre une durée de vie de 50 ans, nettement inférieure à celle du carbone 14. Betavolt prévoit toutefois de lancer plus tard cette année un modèle d’un watt, qui pourrait alimenter des appareils électroniques grand public grâce à des connexions en série.
La société californienne Infinity Power s’est également lancée dans la course en 2024, en développant une pile bouton au nickel 63 selon une approche similaire à celle de Betavolt. De leur côté, des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies de Daegu-Gyeongbuk, en Corée du Sud, ont expérimenté des cellules bêtavoltaïques utilisant différents radio-isotopes, notamment des isotopes du carbone et de l’hydrogène.
Pour certaines applications, l’équipe de Bristol conserve un avantage distinct en matière de longévité. Les batteries au nickel 63 peuvent fonctionner pendant des décennies et conviennent à l’électronique grand public, mais la période de 5 700 ans du carbone 14 offre une proposition de valeur fondamentalement différente pour les applications de très longue durée où la maintenance est impossible. Le professeur Scott a créé Arkenlight, une entreprise commerciale, afin de nouer des partenariats industriels et d’évaluer les débouchés de la technologie au carbone 14.
La Chine mise sur une commercialisation à court terme pour l’aérospatiale, les équipements d’intelligence artificielle et les microrobots, tandis que l’équipe britannique privilégie les dispositifs médicaux et les applications dans l’espace lointain qui exigent une longévité exceptionnelle. Les deux approches visent à supprimer la maintenance et le remplacement des batteries dans les systèmes critiques.
Les défis avant la commercialisation
Des obstacles importants restent à franchir avant que les batteries au diamant soient utilisées dans des dispositifs médicaux ou des engins spatiaux. Le précurseur gazeux nécessaire à la production de diamant pur au carbone 14 coûte environ 46 000 dollars le litre, ce qui complique la montée en puissance de la production. La fabrication nécessite des réacteurs spécialisés de dépôt chimique en phase vapeur à flux statique, installés dans des installations de manipulation de matières radioactives, ce qui limite les capacités de production.
L’homologation réglementaire constitue un autre obstacle complexe. Si le confinement assuré par l’enveloppe en diamant simplifie la certification de sécurité par rapport à d’autres technologies nucléaires, tout appareil contenant des matières radioactives doit faire l’objet de tests et d’une surveillance approfondis. Les applications médicales sont soumises à des exigences particulièrement strictes afin de garantir la sécurité des patients pendant des décennies d’implantation.
La perception du public influera également sur les perspectives d’adoption. Malgré la sûreté technique du carbone 14 confiné, le terme « radioactif » reste stigmatisant et pourrait freiner l’acceptation de la technologie sur les marchés grand public. Une communication transparente sur les mécanismes de confinement et la radioprotection sera essentielle à son adoption à grande échelle.
Le professeur Scott reste optimiste quant à la possibilité de surmonter ces difficultés grâce à la poursuite des recherches. Il a évoqué le calendrier de développement pour la prochaine décennie.
Notre technologie de micropuissance peut répondre aux besoins de nombreuses applications importantes, des technologies spatiales et des dispositifs de sécurité aux implants médicaux. Nous sommes ravis de pouvoir explorer toutes ces possibilités dans les prochaines années, avec des partenaires industriels et de recherche. Nous voulons mettre cette technologie au service du progrès de l’humanité.
Au cours de la prochaine décennie, les efforts porteront sur l’augmentation de la production et l’amélioration des performances énergétiques. La réussite de cette montée en puissance pourrait réduire les coûts et permettre des applications plus larges, au-delà des secteurs spécialisés de la médecine et de l’aérospatiale.
À retenir
- Des chercheurs de l’université de Bristol et de l’Autorité britannique de l’énergie atomique ont créé la première batterie au diamant et au carbone 14 au monde en décembre 2024
- La batterie exploite la désintégration radioactive du carbone 14, dont la période est de 5 700 ans, pour fournir en continu une puissance de l’ordre du microwatt pendant des millénaires
- Le carbone 14 est extrait de blocs de graphite issus de réacteurs nucléaires, ce qui permet de transformer des déchets radioactifs en une source d’énergie confinée
- Le diamant synthétique fait office à la fois de semi-conducteur et de bouclier contre les rayonnements : il absorbe toutes les particules émises tout en produisant de l’électricité
- Les applications comprennent les implants médicaux (stimulateurs cardiaques, appareils auditifs), les sondes spatiales lointaines, les capteurs éloignés et les étiquettes de suivi par radiofréquence
- Des technologies concurrentes en Chine (Betavolt) et aux États-Unis utilisent du nickel 63, dont la durée de vie est plus courte, mais leur commercialisation est plus proche
- La commercialisation à grande échelle nécessite d’augmenter les capacités de production et d’obtenir les autorisations réglementaires ; le précurseur gazeux coûte actuellement 46 000 dollars le litre
