Winzige Atombatterie macht Aufladen überflüssig – so geht’s

Die Forschung an winzigen Nuklearbatterien, die nie mehr aufgeladen werden müssen, macht immer weiter Fortschritte. Südkoreanische Wissenschaftler des Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology haben jetzt den Prototyp einer Batterie vorgestellt, die nach folgendem Betavoltaik-Prinzip funktioniert, wie die Forscher erläutern:

Nuklearbatterien erzeugen Strom, indem sie hochenergetische Teilchen nutzen, die von radioaktiven Stoffen abgegeben werden. Nicht alle radioaktiven Elemente geben Strahlung ab, die für lebende Organismen schädlich ist, und manche Strahlung kann durch bestimmte Materialien abgeschirmt werden. Betateilchen (auch als Betastrahlen bekannt) können beispielsweise mit einer dünnen Aluminiumschicht abgeschirmt werden, was die Betavoltaik zu einer potenziell sicheren Wahl für Kernbatterien macht.

Der Prototyp einer derartigen Betavoltaik-Batterie basiert auf Kohlenstoff-14. Dabei handelt es sich um eine instabile und radioaktive Form von Kohlenstoff, genannt Radiokarbon. Dieses Kohlenstoff-Isotop ist zwar radioaktiv, erzeugt aber nur Betastrahlung, die sich leicht abschirmen lässt. Außerdem ist Radiokohlenstoff ein Nebenprodukt von Kernkraftwerken und somit laut den Forschern preiswert, leicht verfügbar und einfach zu recyceln. Da sich Radiokarbon nur sehr langsam abbaut, könnte eine mit Radiokohlenstoff/Radiokarbon betriebene Batterie theoretisch Jahrtausende lang Energie liefern.

Der neueste Prototyp dieser Radiokarbon-Batterie hat den Forschern zufolge eine wesentlich höhere Energieumwandlungseffizienz, die von 0,48 % auf 2,86 % gestiegen sei.

Einsatzzweck einer derartigen Batterie

Eine solche Batterie wäre nur so groß wie ein Finger. Solche langlebigen Nuklearbatterien könnten zahlreiche Anwendungen ermöglichen, sagt Professor Su-Il In. Ein damit betriebener Herzschrittmacher würde zum Beispiel ein Leben lang halten und einen chirurgischen Austausch überflüssig machen.

Aktuell ist es aber noch so, dass diese Betavoltaik-Batterie nur einen winzigen Teil des radioaktiven Zerfalls in elektrische Energie umwandelt, was zu einer geringeren Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ionen-Batterien führt. Hier müssen die Forscher also noch weitere Entwicklungsarbeit leisten.

Das Konstruktionsprinzip dieser Batterie wird in diesem englischsprachigen Dokument genauer erklärt. Hier wiederum werden der obige Forschungsansatz sowie der im nächsten Abschnitt folgende Ansatz noch einmal genauer erklärt.

Betavolts Mini-Atom-Batterie liefert Strom für 50 Jahre

Das chinesische Unternehmen Betavolt New Energy Technology Co., Ltd. mit Sitz in Peking hatte bereits Anfang 2024 eine Batterie vorgestellt (siehe das Foto zu dieser Meldung), die etwas kleiner als eine Münze ist und trotzdem 50 Jahre lang Strom liefern soll. Ohne dass sie zwischendurch aufgeladen werden muss oder eine Wartung erforderlich sei. Der Grund: Die Mini-Batterie arbeitet mit Atomkraft. Betavolt spricht deshalb von einer Miniatur-Atomenergiebatterie.

Betavolt

Das Unternehmen beschrieb hier seine damals neu vorgestellte Batterie folgendermaßen:

Betavolt-Atomenergiebatterien können 50 Jahre lang stabil und autonom Strom erzeugen, ohne dass Aufladung oder Wartung erforderlich sind. Sie sind in der Pilotphase und werden in der Massenproduktion auf den Markt gebracht. Betavolt-Atomenergiebatterien können den Bedarf an langlebiger Stromversorgung in verschiedenen Szenarien decken, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, bei KI-Geräten, medizinischen Geräten, MEMS-Systemen, fortschrittlichen Sensoren, kleinen Drohnen und Mikrorobotern. Diese neue Energieinnovation wird China dabei helfen, in der neuen Runde der technologischen KI-Revolution einen Vorsprung zu erlangen.

Die Miniatur-Atomenergiebatterie kombiniert laut Hersteller eine Nickel-63-Kernisotopenzerfallstechnologie und Chinas erstes Diamanthalbleitermodul (Halbleiter der 4. Generation). Auf diesem Feld und bei der Entwicklung von Miniatur-Atomenergiebatterie sei China “europäischen und amerikanischen wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Unternehmen weit voraus”, so die Behauptung. Betavolt beschreibt den Aufbau seiner Mini-Atombatterie so:

Das Wissenschaftlerteam von Betavolt entwickelte einen einzigartigen einkristallinen Diamanthalbleiter mit einer Dicke von nur 10 Mikrometern, indem es eine 2 Mikrometer dicke Nickel-63- Folie zwischen zwei Diamanthalbleiterkonverter platzierte. Die Zerfallsenergie der radioaktiven Quelle wird umgewandelt in elektrischen Strom, der eine eigenständige Einheit bildet. Kernbatterien sind modular aufgebaut und können aus Dutzenden oder Hunderten unabhängigen Einheitsmodulen bestehen und in Reihe und parallel verwendet werden, sodass Batterieprodukte unterschiedlicher Größe und Kapazität hergestellt werden können.

Derzeit befindet sich Betavolts Mini-Atombatterie aber noch in der Pilotphase. Um beispielsweise ein Handy dauerhaft mit Strom zu versorgen, müsste Betavolt die Leistungsfähigkeit seiner Miniatur-Atombatterie noch steigern. Betavolt erste einsatzbereite Batterie soll die 15 x 15 x 5 Millimeter große BV100 sein. Mit einer Leistung von 100 Mikrowatt und einer Spannung von 3 Volt. Im Jahr 2025 soll dann eine Mini-Atombatterie mit einer Leistung von einem Watt folgen. Die Batterien lassen sich in Reihe und parallel schalten.

Betavolts Ziel sei es, Atomenergiebatterien für Mobiltelefone zu bauen, die nie mehr aufgeladen werden müssen und für Drohnen, die dann kontinuierlich fliegen können.

Das sind Atombatterien

Atombatterien, auch als Radionuklidbatterien bezeichnet, gibt es schon lange und sind keinesfalls eine chinesische Erfindung. Bereits 2019 meldeten russische Forscher den Durchbruch bei nuklearen Mini-Batterien mit 50 Jahren Laufzeit. Ebenfalls mit dem Isotop Nickel-63. Und seit den 1960er-Jahren finden kleine Atombatterien in der Raumfahrt Verwendung. In den 1970er-Jahren gab es sogar Herzschrittmacher mit Atomantrieb. Insofern klingt die jetzt aus China kommende Ankündigung keinesfalls abwegig.

Diese Atombatterien gewinnen ihre Energie aus dem radioaktiven Zerfall von Ni-63. Anders als bei herkömmlichen Radionuklidgeneratoren wird die Energie aber nicht aus der beim radioaktiven Zerfall entstehenden Wärme gewonnen. Sondern in dem Diamant-Halbleiter wird die Betastrahlung des Ni-63 direkt in elektrische Energie umgesetzt (vielen Dank an den Leser, der uns auf diesen Unterschied hinwies). Über die Jahre und Jahrzehnte nimmt die Menge der abgegebenen Energie allerdings ab. Zudem kann eine derartige Batterie vergleichsweise wenig Energie liefern.

Aufgrund der Verwendung von radioaktivem Material dürfte der Einsatz dieser Energiegewinnungsmethode in Alltagsgeräten wie einem Handy zumindest in Deutschland längerfristig aber unwahrscheinlich sein.

Wichtig: Es kommt bei dieser Methode nicht zu einer gefährlichen Kettenreaktion (Kernspaltung), wie es bei einem Kernreaktor der Fall ist.