Neue Atombatterie: 50 Jahre Energie ohne Aufladen?

Die meisten Menschen träumen von Handys oder Laptops mit Batterien, die 50 Jahre halten, nicht aufgeladen werden müssen und umweltfreundlich sind. Diese Wunschvorstellung könnte tatsächlich bald schon wahr werden: Anfang Januar kündigte das 2021 gegründete chinesische Unternehmen Betavolt New Energy Technology eine Miniatur-Atombatterie an, welche die Technologie des Nickel-63-Isotopenzerfalls mit dem ersten Halbleitermodul aus Diamant kombiniert. Das Projekt befindet sich bereits in der Pilotphase. Kommt die Neuheit auf den Markt, wird sie nach Angaben des Unternehmens in der Lage sein, den Bedarf an langfristiger Energieversorgung in verschiedenen Szenarien zu decken – wie Luft- und Raumfahrt, Künstliche Intelligenz, medizinische Geräte, MEMS-Systeme (Micro-Electro-Mechanical System), Sensoren, Drohnen sowie Roboter.

Atombatterien wandeln die durch den Zerfall von Kernisotopen freigesetzte Energie mit Hilfe von Halbleiterwandlern in elektrische Energie um. Nach Angaben von Betavolt gibt es derzeit nur thermonukleare Batterien, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung finden. Diese sind groß und schwer, arbeiten bei hohen Temperaturen, sind teuer und eignen nicht für den zivilen Gebrauch.

Betavolt erklärt, dass ihre Batterien einen völlig anderen technologischen Ansatz verfolgen: Nuklearbatterien erzeugen den elektrischen Strom durch den Halbleiterübergang von Betateilchen (Elektronen), die von der radioaktiven Quelle Nickel-63 emittiert werden. Zu diesem Zweck entwickelte das Unternehmen einen einkristallinen Diamant-Halbleiter mit einer Dicke von nur 10 Mikrometern, indem eine 2 Mikrometer dicke Nickel-63-Schicht zwischen zwei Diamant-Halbleiter-Konvertern angeordnet wurde.

Diese neuen Nuklearbatterien sind modular aufgebaut und lassen sich aus Dutzenden oder Hunderten von unabhängigen Modulen zusammensetzen. Sie können auch in Reihe und parallel verwendet sowie in verschiedenen Größen und Kapazitäten hergestellt werden.

Das erste Produkt, das Betavolt auf den Markt bringen wird, ist die BV100 mit einer Leistung von 100 Mikrowatt, einer Spannung von 3 Volt und Abmessungen von 15 x 15 x 5 Kubikmillimetern – sie ist kleiner als eine Münze. Sie kann 8,64 Joule pro Tag und 3153 Joule pro Jahr erzeugen. Das Unternehmen plant, im Jahr 2025 eine Batterie mit einer Leistung von 1 Watt auf den Markt zu bringen. „Wenn die Gesetzgebung es zulässt, werden Atomenergiebatterien neue Möglichkeiten eröffnen: Sie müssen ihr Mobiltelefon nie wieder aufladen und Drohnen können 15 Minuten lang ununterbrochen fliegen“, erläutert Zhang Wei, Präsident und CEO von Betavolt.

Atombatterien zählen nicht zu den elektrochemischen Modellen wie Lithiumbatterien. Sie funktionieren in einem Temperaturbereich von – 60 Grad bis + 120 Grad normal, ohne dass Explosionsgefahr besteht. Nach Angaben von Betavolt ist ihre Atombatterie absolut sicher, sie gibt keine Strahlung nach außen ab und kann sogar in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern verwendet werden. Sie sind auch umweltfreundlich, da sich das Nickel-63-Isotop als radioaktive Quelle nach der Zerfallszeit in ein stabiles Kupferisotop verwandelt, das nicht radioaktiv ist und keine Gefahr oder Verschmutzung für die Umwelt darstellt. Aufgrund dieser Eigenschaften erfordern die Nuklearbatterien von Betavolt im Gegensatz zu den derzeitigen chemischen Batteriemodellen keine teuren Recyclingverfahren.

Nach Ansicht von Betavolt handelt es sich um einen bedeutenden technologischen Durchbruch, sowohl im Bereich der Batterien als auch der Halbleiter und Superkondensatoren. Das Unternehmen ist sich sicher, dass dieser Fortschritt China in der wissenschaftlichen Forschung „weit nach vorne“ bringt.

Das Unternehmen hat bereits ein Patent in Peking angemeldet und wird damit beginnen, dies auch weltweit zu tun. Im Kontakt mit Universitäten und Kernforschungseinrichtungen in China hat Betavolt Interesse an der Fortsetzung der Forschung mit anderen Isotopen wie Strontium-90, Promethium-147 und Deuterium bekundet. Das Ziel: Atomenergiebatterien mit höherer Leistung und einer Nutzungsdauer von 2 bis 30 Jahren zu entwickeln.

Mehr über Kernbatterien

Ein Vorteil von Kernbatterien gegenüber anderen Batterietypen ist ihre hohe Energiedichte, also die pro Masseneinheit gespeicherte Gesamtenergiemenge. Bei Kernbatterien ist die Energiedichte viel höher als bei chemischen Batterien. Andererseits haben Kernbatterien eine sehr niedrige Leistungsdichte – eine Eigenschaft, die sich darauf bezieht, wie schnell die Batterie Energie entladen kann.

Batterien mit hoher Energie-, aber niedriger Leistungsdichte, sind in der Lage, über längere Zeiträume zu arbeiten. Dies ist bei Mobiltelefonbatterien der Fall. Bei Anwendungen, die eine hohe Leistung erfordern, können Kernbatterien jedoch nicht mit chemischen Batterien oder Brennstoffzellen konkurrieren.

Viele Forschungsgruppen haben an der Entwicklung von Kernbatterien gearbeitet. Die Idee entstand in den 1950er Jahren, stieß aber in den Forschungsgebieten und bei der Verwendung allgemeiner radioaktiver Materialien an ihre Grenzen. Die Pioniere, die das Konzept in die Praxis umsetzten, waren die Donald W. Douglas Laboratories im Jahr 1974, als eine Batterie namens Betacel für den Einsatz in einem Herzschrittmacher entwickelt wurde.

In jüngster Zeit hat neben Betavolt ein weiteres Unternehmen begonnen, in Atombatterien zu investieren: Das 2020 gegründete britische Start-up Arkenlight arbeitet an der Entwicklung von Batterien, die Abfälle aus der Kernenergiewirtschaft, wie Tritium und Kohlenstoff-14, wiederverwerten. „Die Verbreitung von Elektronik mit geringem Stromverbrauch hat heute eine neue Ära für Atombatterien eingeläutet. Sie sind eine großartige Option für Fälle, in denen nur sehr wenig Energie verbraucht wird – wir sprechen hier von Mikrowatt oder sogar Pikowatt. Wir können sagen, dass das Internet der Dinge eine wichtige Triebkraft für die Wiederbelebung dieser Energiequellen war“, schildert Morgan Boardman, CEO von Arkenlight, in einem Interview mit Wired.