Nie wieder Handy aufladen? Radionuklidbatterie verspricht 50 Jahre Laufzeit

Das chinesische Unternehmen Betavolt Technology hat eine 3-Volt-Batterie mit einer Leistung von 100 Mikrowatt in einem kompakten Gehäuse (15 mm × 15 mm × 5 mm) angekündigt, die eine Lebensdauer von 50 Jahren verspricht. Das will das Unternehmen mithilfe von Betavoltaik erreichen, bei der man einen Halbleiter mit schnellen Elektronen bestrahlt, die beim Betazerfall eines Isotops entstehen. Bisher gibt es zu der Batterie allerdings nur eine Pressemitteilung mit einigen Spezifikationen und 3D-Bildern. Von der jetzt laut Betavolt in die Pilotphase startenden Batterie bis zum Zeitpunkt, bis man sein "Mobiltelefon nie wieder aufladen muss", ist es noch ein weiter Weg – der allerdings aufgrund der damit verbundenen Risiken schon früher nicht gegangen wurde.

Im Jahr 2025 will Betavolt Technology sogar Batterien mit einer Leistung von 1 Watt auf den Markt bringen. Durch die Integration eines Superkondensators in der Batterie soll die Batterie als Pulsstromquelle mit längerer Lebensdauer dienen. Ob das zufriedenstellend funktioniert, ist allerdings fraglich. In modernen Smartphones kann allein der Prozessor unter Volllast 10 bis 15 Watt elektrische Leistung aufnehmen. Hinzu kommen Komponenten wie das Funkmodul und Display.

Die vorgestellte Batterie verwendet als Energiequelle Nickel-63 und einen Diamant-Halbleiter als Energiewandler. Nickel-63 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 101,2 Jahren unter Emission weicher Betastrahlung zum stabilen Kupfer-63.

Außerdem will das Unternehmen seine Studien auf Isotope wie Strontium-90 und Promethium-147 ausweiten, um Radionuklidbatterien mit höherer Leistungsfähigkeit und einer Lebensdauer zwischen zwei und dreißig Jahren zu entwickeln. Als Einsatzorte für solche Batterien sieht die Firma Smartphones, Drohnen, aber auch Medizintechnik (Herzschrittmacher, Kunstherzen, Cochlea-Implantate), sofern die Politik dies zuließe. Laut Betavolt Technology stehen die Entwicklungen im Einklang mit dem 14. Fünfjahresplan Chinas und der "Vision 2035", die sowohl die zivile Nutzung der Kernkraft als auch die "Mehrzweckentwicklung von Kernisotopen als künftige Entwicklungstrends" vorsehen.

Die Kernbatterie besteht aus einem Wandler, einem Substrat, der Nickel-63-Quelle und einer Zellschutzschicht. Die Nickel-63-Diamant-β-Volt-Batterie ist modular aufgebaut und erreicht nach Angaben von Betavolt Technology eine Energieumwandlungsrate von 8,8 Prozent. Das Unternehmen habe dafür eigens einen einkristallinen Diamant-Halbleiter entwickelt, der nur 10 Mikrometer dick ist. Zwischen zwei Diamant-Halbleiter-Wandlern, die die Zerfallsenergie der radioaktiven Quelle in elektrischen Strom umwandeln, befindet sich laut Betavolt Technology eine zwei Mikrometer dünne Nickel-63-Schicht.

Funktionsweise

Die beim radioaktiven Zerfall des Nickel-63 als Betastrahlung frei werdenden Elektronen sollen in dem p-n-Übergang des Diamant-Halbleiters sekundäre Ladungsträger erzeugen. Ein Raumladungszonenfeld bewirkt eine Trennung der Ladungsträger. Es entsteht an der Grenzfläche zwischen den unterschiedlich dotierten Bereichen im Halbleiter und wirkt wie eine Barriere, die die durch die Betastrahlung erzeugten Ladungsträger voneinander trennt. Diese Trennung erfolgt entgegen einer extern angelegten Spannung, wodurch die Bewegung der Ladungsträger kontrolliert und somit elektrische Energie gewonnen werden kann.

Ursprünge in den 1960er-Jahren

Radionuklidbatterien sind nicht neu: Seit den 1960er-Jahren wird bei Raumfahrtmissionen Wärmeenergie des radioaktiven Zerfalls mittels sogenannter thermoelektrischen Generatoren (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) in elektrische Energie umgewandelt. Auch der Mars-Rover Curiosity, der seit 2011 für die NASA auf dem Mars herumfährt, verwendet eine Radionuklidbatterie mit etwa fünf Kilogramm Plutoniumdioxid.

Ein frühes Beispiel für Radionuklidbatterien in der Medizintechnik sind Herzschrittmacher. In den 1970er-Jahren entwickelte Larry C. Olsen bei McDonnell Douglas die Promethium-117-Batterie "Betacel". Trotz ihres innovativen Ansatzes fand die Betacel-Batterie wegen ihrer begrenzten Lebensdauer und Bedenken wegen der Verwendung radioaktiven Materials keine breite Anwendung. In den letzten Jahren gab es jedoch immer wieder Versuche, unter anderem mit Nickel-63.

Zwar lässt sich die Betastrahlung der eingesetzten Isotope leicht abschirmen, doch bei Beschädigung oder unsachgemäßer Entsorgung der Batterie besteht das Risiko des Austretens radioaktiver Substanzen, und die lange Lebensdauer der Batterie könnte zu einer dauerhaften Exposition gegenüber niedrigen Strahlungsdosen führen. Diese Risiken und die damit verbundenen Umweltauswirkungen erfordern eine sorgfältige Prüfung und Zertifizierung, um ihre Sicherheit zu gewährleisten. Deswegen werden Radionuklidbatterien weiterhin meist nur in der Raumfahrt oder fürs Militär eingesetzt.

(vza)