Manchmal geben Mobiltelefone früher als erwartet den Geist auf oder Elektrofahrzeuge haben nicht genug Ladung, um ihr Ziel zu erreichen. Die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) in diesen und anderen Geräten halten in der Regel mehrere Stunden oder Tage ohne Aufladung. Bei wiederholter Nutzung lassen die Batterien jedoch nach und müssen häufiger aufgeladen werden. Jetzt ziehen Forscher Radiokohlenstoff als Quelle für sichere, kleine und erschwingliche Kernbatterien in Betracht, die Jahrzehnte oder länger ohne Aufladen auskommen könnten.
Das häufige Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht nur lästig. Es schränkt den Nutzen von Technologien ein, die die Batterien als Energiequelle nutzen, wie etwa Drohnen und Fernerkundungsgeräte. Die Batterien sind auch schlecht für die Umwelt: Die Gewinnung von Lithium ist energieintensiv, und die unsachgemäße Entsorgung von Lithium-Ionen-Batterien kann Ökosysteme verschmutzen. Doch mit der zunehmenden Verbreitung von vernetzten Geräten, Datenzentren und anderen Computertechnologien steigt die Nachfrage nach langlebigen Batterien.
Kernbatterien als Alternative zu Lithium-Ionen
Und bessere Li-Ionen-Batterien sind wahrscheinlich nicht die Antwort auf diese Herausforderung. „Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien ist nahezu gesättigt“, sagt Su-Il In, Professor am Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology, der über zukünftige Energietechnologien forscht. Deshalb entwickeln In und sein Team nukleare Batterien als Alternative zu Lithium.
Kernbatterien 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 Nuklearbatterien macht.
Die Forscher stellten einen Prototyp einer betavoltaischen Batterie mit Kohlenstoff-14 her, einer instabilen und radioaktiven Form von Kohlenstoff, genannt Radiokohlenstoff. „Ich habe mich für ein radioaktives Isotop von Kohlenstoff entschieden, weil es nur Betastrahlen erzeugt“, sagt In. Außerdem ist Radiokohlenstoff, ein Nebenprodukt von Kernkraftwerken, preiswert, leicht verfügbar und einfach zu recyceln. Und da sich Radiokohlenstoff nur sehr langsam abbaut, könnte eine mit Radiokohlenstoff betriebene Batterie theoretisch Jahrtausende lang halten.
In einer typischen betavoltaischen Batterie treffen Elektronen auf einen Halbleiter, was zur Erzeugung von Elektrizität führt. Halbleiter sind eine entscheidende Komponente in betavolanischen Batterien, da sie in erster Linie für die Energieumwandlung verantwortlich sind. Daher erforschen Wissenschaftler fortschrittliche Halbleitermaterialien, um eine höhere Energieumwandlungseffizienz zu erreichen – ein Maß dafür, wie effektiv eine Batterie Elektronen in nutzbaren Strom umwandeln kann.
Elektronenlawine im Titandioxid: Die Schlüsselkomponente
Um die Energieumwandlungseffizienz ihres neuen Designs deutlich zu verbessern, verwendeten In und das Team einen Halbleiter auf Titandioxidbasis, ein Material, das üblicherweise in Solarzellen verwendet wird, und sensibilisierten ihn mit einem Farbstoff auf Rutheniumbasis. Sie verstärkten die Verbindung zwischen dem Titandioxid und dem Farbstoff durch eine Behandlung mit Zitronensäure. Wenn die Betastrahlen des Radiokohlenstoffs auf den behandelten Ruthenium-Farbstoff treffen, kommt es zu einer Kaskade von Elektronenübertragungsreaktionen, einer so genannten Elektronenlawine. Anschließend durchläuft die Lawine den Farbstoff, und das Titandioxid fängt die erzeugten Elektronen effektiv auf.
Die neue Batterie enthält auch Radiokohlenstoff in der farbstoffsensibilisierten Anode und einer Kathode. Durch die Behandlung beider Elektroden mit dem radioaktiven Isotop erhöhten die Forscher die Menge der erzeugten Betastrahlen und verringerten den abstandsbedingten Energieverlust durch Betastrahlung zwischen den beiden Strukturen.
Doppelte Strahlung, doppelte Effizienz
Bei der Demonstration des Batterieprototyps stellten die Forscher fest, dass die von dem Radiokohlenstoff auf beiden Elektroden freigesetzten Betastrahlen den Ruthenium-Farbstoff auf der Anode dazu veranlassten, eine Elektronenlawine zu erzeugen, die von der Titandioxidschicht aufgefangen und durch einen externen Stromkreis geleitet wurde, wodurch nutzbarer Strom erzeugt wurde. Im Vergleich zu einem früheren Design, bei dem sich der Radiokohlenstoff nur auf der Kathode befand, wies die Batterie der Forscher mit Radiokohlenstoff auf der Kathode und der Anode eine wesentlich höhere Energieumwandlungseffizienz auf, die von 0,48 Prozent auf 2,86 Prozent stieg. Diese langlebigen Kernbatterien könnten zahlreiche Anwendungen ermöglichen, sagt In. So könnte beispielsweise ein Herzschrittmacher ein Leben lang halten und den chirurgischen Austausch überflüssig machen.
Allerdings wandelt dieses betavoltische Design nur einen winzigen Teil des radioaktiven Zerfalls in elektrische Energie um, was zu einer geringeren Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ionen-Batterien führt. Weitere Anstrengungen zur Optimierung der Form des Betastrahlenemitters und zur Entwicklung effizienterer Betastrahlenabsorber könnten die Leistung der Batterie verbessern und die Stromerzeugung steigern.
Mit der zunehmenden Sorge um das Klima ändert sich auch die öffentliche Wahrnehmung der Kernenergie. Sie wird jedoch immer noch als Energie betrachtet, die nur in einem großen Kraftwerk an einem abgelegenen Ort erzeugt wird. Mit diesen Dual-Site-Source-Batterien mit farbstoffsensibilisierten Betazellen, so In, „können wir sichere Kernenergie in Geräte von der Größe eines Fingers einspeisen“.
