Die Atombatterie in der modernen Welt

Die Wissenschaft schreitet stetig voran. Eine nukleare Batterie wurde bereits erfunden. Eine solche Energiequelle kann bis zu 50, manchmal sogar bis zu 100 Jahre lang genutzt werden. Die genaue Lebensdauer hängt von der Größe und dem verwendeten radioaktiven Material ab.

Rosatom kündigte als erstes Unternehmen die Produktion einer Nuklearbatterie an. 2017 präsentierte das Unternehmen einen Prototyp auf einer Ausstellung.

Forschern ist es gelungen, die Schichten einer Nuklearbatterie zu optimieren, die den Beta-Zerfall des Nickel-63-Isotops zur Stromerzeugung nutzt.

1 Gramm dieser Substanz enthält 3300 Milliwattstunden.

Wie eine Atombatterie funktioniert

Eine Atombatterie, auch bekannt als Radioisotopen-Wärmegenerator (RIHG), ist eine Energiequelle, die den Zerfallsprozess radioaktiver Isotope nutzt, um Wärme zu erzeugen und diese wiederum in elektrische Energie umzuwandeln.

Das Funktionsprinzip einer Atombatterie beruht auf dem radioaktiven Zerfall, bei dem Atomkerne zerfallen und dabei Teilchen und Energie freisetzen. Eines der am häufigsten verwendeten Materialien in Atombatterien ist Plutonium-238, das eine lange Halbwertszeit besitzt. Plutonium-238 zerfällt zu Uran-234 und sendet dabei Alphateilchen aus. Diese Teilchen enthalten hohe Energie, die bei der Wechselwirkung mit der Umgebung in Wärme umgewandelt wird.

Die Wärmeerzeugung ist ein entscheidender Schritt im Betrieb einer Atombatterie. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen thermoelektrischen Konverter übertragen. Dieser Konverter enthält Materialien, die bei einer Temperaturdifferenz elektrischen Strom erzeugen. Die Wärme aus dem radioaktiven Zerfall von Plutonium-238 wird auf eine Seite des thermoelektrischen Konverters übertragen, wodurch eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten entsteht. Diese Temperaturdifferenz ermöglicht die Erzeugung elektrischer Energie mithilfe des Seebeck-Effekts.

Die von einem thermoelektrischen Konverter erzeugte elektrische Energie wird zur Stromversorgung elektrischer Geräte genutzt. Der Hauptvorteil von Atombatterien liegt darin, dass sie eine stabile und langlebige Energiequelle darstellen, die über viele Jahre weder ausgetauscht noch aufgeladen werden muss. Aufgrund der Verwendung radioaktiver Materialien bergen Atombatterien jedoch gewisse Risiken und erfordern besondere Sicherheitsvorkehrungen bei Gebrauch und Handhabung.

 

Sind Nuklearbatterien gefährlich?

Die Entwickler versichern, dass diese Batterien für normale Menschen völlig sicher sind. Dies liege an der durchdachten Gehäusekonstruktion.

Betastrahlung ist bekanntermaßen schädlich für den Körper. In der neu entwickelten Nuklearbatterie ist sie jedoch weich und wird von der Energiezelle absorbiert.

Experten nennen derzeit mehrere Branchen, in denen die russische Nuklearbatterie A123 eingesetzt werden soll:

1. Medizin.
2. Raumfahrtindustrie.
3. Industrie.
4. Transport.

Neben diesen Bereichen können neue, langlebige Energiequellen auch in anderen Bereichen eingesetzt werden.

Vorteile einer nuklearen Batterie

Eine Reihe positiver Eigenschaften werden hervorgehoben:

• Langlebigkeit. Sie können bis zu 100.000 Jahre halten.
• Fähigkeit, kritischen Temperaturen standzuhalten.
• Durch ihre geringe Größe sind sie tragbar und können in kompakten Geräten eingesetzt werden.

Nachteile einer nuklearen Batterie

• Komplexität der Produktion.
• Es besteht die Gefahr einer Strahlenbelastung, insbesondere wenn das Gehäuse beschädigt ist.
• Teuer. Eine einzelne Nuklearbatterie kann zwischen 500.000 und 4.500.000 Rubel kosten.
• Nur für einen begrenzten Personenkreis verfügbar.
• Kleine Auswahl.

Die Forschung und Entwicklung von Nuklearbatterien wird nicht nur von großen Unternehmen, sondern auch von Studenten vorangetrieben. Ein Student in Tomsk hat beispielsweise eine eigene, nuklearbetriebene Batterie entwickelt, die etwa zwölf Jahre ohne Aufladen funktionieren kann. Die Erfindung basiert auf dem Zerfall von Tritium. Die Eigenschaften dieser Batterie bleiben über die Zeit unverändert.

Nuklearbatterie für Smartphones

Seit 2019 werden nukleare Energiequellen für Mobiltelefone hergestellt. Sie sehen aus wie die auf dem Bild unten gezeigte.

Sie ähneln einem Mikrochip, der in spezielle Steckplätze in einem Handy passt. Ein solcher Akku kann 20 Jahre halten und muss in dieser Zeit nicht aufgeladen werden. Möglich macht dies die Kernspaltung. Diese Energiequelle mag jedoch für viele beunruhigend sein. Schließlich ist allgemein bekannt, dass Strahlung schädlich für den Körper ist. Und nur wenige Menschen würden gerne ein solches Gerät den ganzen Tag mit sich herumtragen.

Wissenschaftler versichern jedoch, dass diese Nuklearbatterie völlig sicher ist. Tritium dient als aktiver Stoff. Die beim Zerfall entstehende Strahlung ist harmlos. Tritium lässt sich beispielsweise an einer im Dunkeln leuchtenden Quarzuhr beobachten. Die Batterie hält Temperaturen bis zu -50 °C stand und funktioniert zuverlässig bis zu 150 °C.⁰Gleichzeitig wurden keine Schwankungen in der Arbeitsleistung festgestellt.

Es wäre schön, so einen Akku parat zu haben, zumindest um sein Handy mit einem normalen Akku aufladen zu können.

Die Spannung einer solchen Batterie schwankt zwischen 0,8 und 2,4 Volt. Sie erzeugt außerdem zwischen 50 und 300 Nanoampere. Und all dies geschieht über einen Zeitraum von 20 Jahren.

Die Kapazität berechnet sich wie folgt: C = 0,000001 W * 50 Jahre * 365 Tage * 24 Stunden / 2 V = 219 mA

Der Wert der Batterie wird derzeit auf 1.122 US-Dollar geschätzt. Umgerechnet in Rubel zum aktuellen Wechselkurs (65,42) wären das 73.400 Rubel.

Wo werden Nuklearbatterien eingesetzt?

Der Anwendungsbereich ist praktisch identisch mit dem von herkömmlichen Batterien. Sie werden eingesetzt in:

• Mikroelektronik.
• Druck- und Temperatursensoren.
• Implantate.
• Als Powerbanks für Lithiumbatterien.
• Identifikationssysteme.
• Std.
• SRAM-Speicher.
• Zur Stromversorgung von Prozessoren mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. FPGAs und ASICs.

Dies sind nicht die einzigen Geräte; ihre Liste wird sich in Zukunft deutlich erweitern.

Nickel-63-Nuklearbatterie und ihre Eigenschaften

Diese auf dem Isotop 63 basierende Kernenergiequelle kann bis zu 50 Jahre lang betrieben werden. Sie nutzt den Beta-Volta-Effekt, der dem photoelektrischen Effekt sehr ähnlich ist. Beim Beta-Volta-Effekt werden im Halbleiterkristallgitter durch schnelle Elektronen oder Betateilchen Elektron-Loch-Paare erzeugt. Beim photoelektrischen Effekt geschieht dies durch Photonen.

Eine Nickel-63-Atombatterie wird durch die Bestrahlung von Nickel-62-Targets in einem Reaktor hergestellt. Laut Forscher Gavrilov dauert dieser Prozess etwa ein Jahr. Die benötigten Targets sind in Schelesnogorsk bereits vorhanden.

Vergleicht man die neuen russischen Nickel-63-Nuklearbatterien mit Lithium-Ionen-Batterien, so sind sie 30-mal kleiner.

Experten behaupten, dass diese Energiequellen für den Menschen ungefährlich seien, da sie nur schwache Betastrahlen aussenden. Außerdem würden diese nicht nach außen abgegeben, sondern verblieben im Gerät.

Diese Energiequelle eignet sich derzeit ideal für Herzschrittmacher. Die Entwickler haben die Kosten jedoch nicht offengelegt. Sie lassen sich aber auch ohne ihre Angaben berechnen. Ein Gramm Ni-63 kostet aktuell etwa 4.000 US-Dollar. Daher wäre eine voll funktionsfähige Batterie mit einer erheblichen Investition verbunden.

Zusammensetzung einer Nuklearbatterie

Nickel-63 wird aus Diamanten gewonnen. Die Gewinnung dieses Isotops erforderte jedoch die Entwicklung einer neuen Technologie zum Schneiden des widerstandsfähigen Diamantmaterials.

Eine Nuklearbatterie besteht aus einem Emitter und einem Kollektor, die durch eine spezielle Folie getrennt sind. Beim Zerfall des radioaktiven Elements wird Betastrahlung abgegeben. Dadurch lädt sich der Emitter positiv auf. Gleichzeitig lädt sich der Kollektor negativ auf. Dies erzeugt eine Potenzialdifferenz und somit einen elektrischen Strom.

Unsere Atomkraftwerkszelle ist im Prinzip wie ein geschichteter Kuchen aufgebaut. 200 Nickel-63-Energiespeicher sind zwischen 200 Diamant-Halbleitern eingebettet. Der Energiespeicher ist etwa 4 mm hoch und wiegt 250 Milligramm. Seine geringe Größe ist ein großer Vorteil für die russische Atombatterie.

Die Bestimmung der optimalen Abmessungen ist schwierig. Ein dickes Isotop verhindert, dass die von ihm erzeugten Elektronen entweichen. Ein dünnes Isotop ist nachteilig, da es die Anzahl der Beta-Zerfälle pro Zeiteinheit reduziert. Dasselbe gilt für die Dicke des Halbleiters. Die Batterie arbeitet am effizientesten mit einer Isotopendicke von etwa 2 Mikrometern, während ein Diamant-Halbleiter 10 Mikrometer benötigt.

Doch die bisherigen Erfolge der Wissenschaftler stellen nicht das Ende der Fahnenstange dar. Die Abgasemissionen könnten mindestens verdreifacht werden. Das bedeutet, dass eine Nuklearbatterie dreimal günstiger hergestellt werden könnte.

Eine Kohlenstoff-14-Nuklearbatterie mit einer Lebensdauer von 100 Jahren.

Diese Atombatterie bietet gegenüber anderen Strahlungsenergiequellen folgende Vorteile:

1. Billigkeit.
2. Umweltfreundlich.
3. Lange Lebensdauer von bis zu 100 Jahren.
4. Geringe Toxizität.
5. Sicherheit.
6. Geeignet für den Betrieb unter extremen Temperaturbedingungen.

Das radioaktive Isotop Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5.700 Jahren. Es ist völlig ungiftig und kostengünstig.

Nicht nur die USA und Russland, sondern auch andere Länder arbeiten aktiv an der Modernisierung von Nuklearbatterien! Forschern ist es gelungen, einen Film auf einem Carbidsubstrat aufzubringen. Dadurch konnten die Substratkosten um den Faktor 100 gesenkt werden. Diese Struktur ist strahlungsbeständig und macht die Energiequelle somit sicher und langlebig. Durch den Einsatz von Siliziumkarbid in Nuklearbatterien ist ein Betrieb bei Temperaturen von 350 Grad Celsius möglich.

So gelang es Wissenschaftlern, mit eigenen Händen eine Atombatterie zu bauen!