Die Atombatterie

Das typische Zukunftsszenario erfordert Millionen von energiearmen Hochfrequenzgeräten, die in unserer Umgebung verstreut sind – von Sensorarrays in Fabrikhallen über medizinische Implantate bis hin zu intelligenten Geräten für Schlachtfelder.

Aufgrund der kurzen und unvorhersehbaren Lebensdauer chemischer Batterien wäre jedoch ein regelmäßiger Austausch erforderlich, um diese Geräte am Brummen zu halten. Brennstoffzellen und Solarzellen sind wartungsarm, aber erstere sind für solche bescheidenen Anwendungen mit geringem Stromverbrauch zu teuer und letztere brauchen viel Sonne.

Eine dritte Option kann jedoch eine leistungsstarke – und sichere – Alternative darstellen. Es heißt Direct Energy Conversion (DEC) Cell, eine auf Betavoltaik basierende Nuklearbatterie, die über ein Jahrzehnt mit den Elektronen betrieben werden kann, die durch den natürlichen Zerfall des radioaktiven Isotops Tritium erzeugt werden. Es wurde von Forschern der University of Rochester und dem Startup BetaBatt in einem Projekt entwickelt, das in der Advanced Materials-Ausgabe vom 13. Mai beschrieben und teilweise von der National Science Foundation finanziert wird.



Da die Halbwertszeit von Tritium 12,3 Jahre beträgt (die Zeit, in der die Hälfte seiner radioaktiven Energie emittiert wurde), könnte die DEC-Zelle für viele Anwendungen die Leistung eines Jahrzehnts liefern. Das wäre natürlich ein wirtschaftlicher Segen – insbesondere für Anwendungen, bei denen der Austausch von Batterien sehr umständlich ist, wie beispielsweise in der Medizin-, Öl- und Bergbauindustrie, wo Sensoren oft an gefährlichen oder schwer zugänglichen Stellen platziert werden.

Einer unserer Hauptmärkte sind entfernte, sehr schwer zu ersetzende Sensoren, sagt Larry Gadeken, Cheferfinder und Präsident von BetaBatt. Sie könnten diese [Batterie] einmal platzieren und in Ruhe lassen.

Betavoltaik-Geräte verwenden Radioisotope, die relativ harmlose Betateilchen emittieren, anstatt gefährlichere Gammaphotonen. Sie werden tatsächlich seit 50 Jahren in Laboren getestet – aber sie erzeugen so wenig Strom, dass eine größere kommerzielle Rolle für sie noch nicht gefunden wurde. Bisher wurden Tritium-betriebene Betavoltaik verwendet, die eine minimale Abschirmung erfordern und die menschliche Haut nicht durchdringen können, um Rettungszeichen und im Dunkeln leuchtende Uhren zu beleuchten. Eine kommerzielle Version des DEC Cell wird wahrscheinlich nicht genug Saft haben, um ein Mobiltelefon mit Strom zu versorgen – aber viel für einen Sensor oder Herzschrittmacher.

Der Schlüssel zur Rentabilität der DEC-Zelle liegt in der Erhöhung der Effizienz, mit der sie Strom erzeugt. Betavoltaik-Forscher haben in der Vergangenheit ein ähnliches Design wie eine Solarzelle verwendet: Ein flacher Wafer wird mit einem Diodenmaterial beschichtet, das beim Beschuss mit emittierten Elektronen elektrischen Strom erzeugt. Bei diesem Design gehen jedoch alle bis auf die Elektronenteilchen verloren, die zu den Dioden schießen, sagt Phillipe Fauchet, Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Rochester, der das effizientere Design basierend auf Gadekens Konzept entwickelt hat.

Die Lösung bestand darin, den Partikeln mehr von der reaktiven Oberfläche auszusetzen, indem ein poröser Siliziumdiodenwafer erzeugt wurde, der mit 1 Mikrometer breiten, 40 Mikrometer tiefen Vertiefungen bestreut war. Wenn das radioaktive Gas diese Gruben besetzt, bietet es die maximale Möglichkeit, die Reaktion zu nutzen.

Ebenso wichtig ist, dass der Prozess leicht reproduzierbar und kostengünstig ist, sagt Fauchet – eine Notwendigkeit, wenn die DEC-Zelle kommerziell rentabel sein soll.

Die Herstellungstechniken mögen erschwinglich sein, aber das Tritium selbst – ein Nebenprodukt der Atomstromerzeugung – ist immer noch teurer als das Lithium in Ihrem Handy-Akku. Die Kosten sind jedoch bei Geräten, die speziell für die Erfassung schwer zugänglicher Daten entwickelt wurden, ein geringeres Problem.

Die Kosten sind nur ein Grund, warum Gadeken sagt, dass er den batteriehungrigen Markt für Unterhaltungselektronik nicht weiterverfolgen wird. Weitere Probleme sind die Regulierungs- und Marketinghindernisse, die durch den Betrieb von Massenmarktgeräten mit radioaktiven Materialien entstehen, und die große Batteriegröße, die erforderlich wäre, um ausreichend Strom zu erzeugen. Dennoch, sagt er, könnte die Technologie eines Tages als Erhaltungsladegerät für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.

Stattdessen zielt sein Unternehmen auf Marktsegmente ab, die eine langfristige Batterieleistung benötigen und mit nuklearen Materialien vertraut sind.

Wir zielen auf Anwendungen wie die Medizintechnik, die bereits Radioaktivität nutzen, sagt Gadeken.

Zum Beispiel überleben viele Implantatpatienten ihre Batterien und benötigen eine kostspielige und riskante Ersatzoperation.

Schließlich hofft Gadeken, auch der NASA zu dienen, wenn das Unternehmen einen Weg finden kann, genug Energie aus Tritium zu gewinnen, um ein Weltraumobjekt anzutreiben. Weltraumbehörden sind an sichereren und leichteren Stromquellen als den plutoniumbetriebenen Radioisotopen-Thermalgeneratoren (RTG) interessiert, die in Robotermissionen wie Voyager verwendet werden, die über eine RTG-Stromquelle verfügen, die bis etwa 2020 laufen soll.

Darüber hinaus würde eine Betavoltaik-Stromquelle wahrscheinlich Umweltbedenken lindern, wie sie beim Start der Cassini-Satellitenmission zum Saturn geäußert wurden, als Demonstranten befürchteten, dass eine Explosion zu Fallout über Florida führen könnte.

Vorerst hofft Gadeken jedoch, den medizinischen Bereich und eine Vielzahl von Nischenmärkten für Unterwasser-, Unterwasser- und Polarsensoranwendungen mit einem Schwerpunkt auf der Ölindustrie zu interessieren.

Und der nächste Schritt besteht darin, die Technologie für den Einsatz in sehr kleinen Batterien anzupassen, die mikroelektromechanische Systeme (MEMS) mit Strom versorgen könnten, wie sie in optischen Schaltern oder den frei schwebenden intelligenten Staubsensoren, die vom Militär entwickelt werden, verwendet werden.

Tatsächlich zielt ein weiteres Betavoltaik-Gerät, das an der Cornell University in Entwicklung ist, ebenfalls auf den MEMS-Leistungsmarkt ab. Der radioisotope-betriebene piezoelektrische Generator, dessen Prototyp in einigen Jahren erwartet wird, wird eine Betavoltaik-Zelle mit einem tritiumbetriebenen elektromechanischen Cantilever-Gerät kombinieren, das erstmals 2002 demonstriert wurde.

Amit Lal, einer der Cornell-Forscher, äußert sowohl Lob als auch vorsichtige Skepsis gegenüber der DEC-Zelle. Obwohl er von der Leistungsabgabe der DEC-Zelle beeindruckt ist, sagte er, dass es immer noch Probleme mit Stromverlusten gebe. Um diese potenziellen Leckageprobleme zu vermeiden, verwendet Cornell ein etwas größeres Waferdesign. Sie planen auch, auf ein poröses Design und entweder festes oder flüssiges Tritium umzustellen, um die Effizienz zu verbessern.

Lal weist auch darauf hin, dass der Markt für entweder Cornells Gerät oder die DEC-Zelle durch neuere, langlebigere Lithiumbatterien gequetscht werden könnte. Dennoch gibt es eine Nische für sehr kleine Geräte, glaubt er, insbesondere solche, die länger als zehn Jahre laufen müssen.

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