Betavoltaik: Haben wir bald Batterien mit einer Lebensdauer von einem halben Jahrhundert?

Kürzlich erst hat das chinesische Start-up Betavolt Technology mit der Präsentation einer neuen Atombatterie von sich reden gemacht: Eine münzgroße 3-Volt-Atombatterie mit einer Leistung von 100 Mikrowatt, die bis zu 50 Jahre lang halten soll, stehe kurz vor der Massenproduktion. Wie der Unternehmensname vermuten lässt, arbeitet das Unternehmen mit Betavoltaik.

Laut technischen Spezifikationen auf der Website von Betavolt Technology enthalten die Atombatterien Nickel-63 als Energiequelle und Diamanthalbleiter als Energiewandler. Durch Superkondensatoren als Energiespeicher kann dann eine Impulsstromversorgung mit höherer Lebensdauer erzeugt werden. Dabei ist die Batterie modular aufgebaut – Diamant-Halbleiterwandler im Wechsel mit Nickel-63-Schichten. Durch Reihen- und Parallelschaltungen kann die Leistung unterschiedlich konfiguriert werden.

Bei radioaktivem Zerfall können prinzipiell Alpha- oder Betateilchen freigesetzt werden. Betateilchen sind die ungefährlichere Variante, weil es sich dabei um schnelle und energiereiche, aber massearme Elektronen handelt. Das heißt, Betateilchen können zwar einige Millimeter tief in die Haut dringen, aber längst nicht so weit wie Röntgenstrahlen oder Alphateilchen. Zudem lassen sich Betateilchen schon durch geringfügige Maßnahmen abschirmen. Wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sollten auch Atombatterien nicht verschluckt werden.

Wichtig ist die Abgrenzung zu Kernreaktoren: Bei radioaktivem Zerfall liegt keine Kettenreaktion wie bei der Kernspaltung vor. Radionuklidbatterien können zudem auch im Bereich geringer Leistung verwendet werden. Der Brennstoff nimmt außerdem unabhängig von der Leistungsentnahme ab. Darum ist es bei den Batterien wichtig, dass die Halbwertszeit des Brennstoffs möglichst hoch ist, damit die Leistung über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden kann.

Anwendung für Unterhaltungselektronik und Raumfahrt

Betavolt möchte künftig den Elektronikmarkt, also Mobiltelefone, Laptops und Drohnen, mit seinen Atombatterien ausstatten. In einer Erklärung des Unternehmens heißt es: "Wenn es die Politik erlaubt, können Atomenergiebatterien es möglich machen, dass ein Mobiltelefon nie mehr aufgeladen werden muss und Drohnen, die sonst nur 15 Minuten fliegen, ununterbrochen fliegen können." Die Produktion befindet sich bereits im Pilotstadium, 2025 sollen die Batterien in die Massenproduktion gehen.

Auch das australische Unternehmen PhosEnergy soll im Bereich extrem langlebiger Batterien forschen und hat dafür eine höhere Investitionssumme von 2,4 Millionen Dollar vom Verteidigungsministerium erhalten.

Zusammen mit der Universität von Adelaide arbeitet PhosEnergy daran, Betastrahlungsisotope als Energiepakete für Satelliten und Rover nutzbar zu machen: "In jüngsten Proof-of-Concept-Experimenten hat sich gezeigt, dass die einzigartige Halbleiter-Metall-Elektrodenkonfiguration von GenX (Atombatterien von PhosEnergy) bei Erregung effektiv Energie aus der Halbleiterschicht gewinnt", so das Unternehmen. "Eine Demonstrationseinheit ist derzeit im Bau und ein Prototyp soll folgen, der vor einer kommerziellen Demonstration in einer weltraumähnlichen Umgebung getestet werden soll."

Diamantbatterien aus radioaktivem Abfall

In den letzten Jahren haben zudem Wissenschaftler aus Bristol an Diamantbatterien aus radioaktivem Abfall geforscht. Ihnen zufolge könnte in Diamant eingeschlossener Abfall aus radioaktivem Kohlenstoff-14 (Radiokarbon) als "ultralanglebige" Energiequelle genutzt werden. Die Forschung war Teil des Projekts Advanced Self-Powered sensor units in Intense Radiation Environments (ASPIRE).

Auf der Seite der britischen Firma Arkenlight, die aus dem Forschungsprojekt hervorging, wird der Release der C14-Karbon-Betabatterie für das Jahr 2026 angekündigt. Nutzungsbereich sind hier IoT-Anwendungen sowie Fälle für Strukturüberwachung, Bau, Verteidigung und Raumfahrt. Weitere Produkte in der Entwicklung sind Diamant-Gammavoltaik sowie Tritium-Betabatterien.

In ersten Versuchen wurde ebenfalls Nickel-63 als Strahlungsquelle verwendet, aber die Aufmerksamkeit richtete sich schon bald auf das effizientere Kohlenstoff-14. Die Forscher fanden heraus, dass Kohlenstoff-14 an der Oberfläche von Graphitblöcken konzentriert ist, die zur Aufrechterhaltung von Reaktionen in Kernkraftwerken verwendet werden. Nach der Extraktion kann Kohlenstoff-14 in Diamant eingebettet werden, der den Menschen schützt, indem er die Strahlung einschließt.

"Kohlenstoff-14 wurde als Quelle gewählt, weil es eine kurzreichweitige Strahlung aussendet, die von jedem festen Material schnell absorbiert wird", so Neil Fox von der School of Chemistry der Universität Bristol damals. "Das würde es gefährlich machen, es zu verschlucken oder mit der bloßen Haut zu berühren, aber sicher im Diamant eingeschlossen, kann keine Kurzstreckenstrahlung entweichen. Tatsächlich ist Diamant die härteste Substanz, die der Menschheit bekannt ist. Es gibt buchstäblich nichts, was wir verwenden könnten, das mehr Schutz bieten würde."