Atombatterien

Bereits in den 1950er Jahren galt die Betavoltaik – eine Technologie zur Gewinnung der Energie der Betastrahlung – von Wissenschaftlern als Grundlage für die Schaffung neuer Energiequellen der Zukunft. Heutzutage gibt es echte Gründe für die zuversichtliche Behauptung, dass der Einsatz kontrollierter Kernreaktionen grundsätzlich sicher ist. Dutzende Nukleartechnologien werden bereits von Menschen im Alltag genutzt, beispielsweise Radioisotopen-Rauchmelder.

So reproduzierten die Wissenschaftler Jae Kwon und Bek Kim von der University of Missouri, Columbia, USA, im März 2014 den weltweit ersten funktionierenden Prototyp einer kompakten Stromquelle auf Basis von Strontium-90 und Wasser. In diesem Fall fungiert Wasser als Energiepuffer, was im Folgenden erläutert wird.

Die Kernbatterie wird jahrelang ohne Wartung betrieben und kann durch den Abbau von Wassermolekülen, die mit Betapartikeln und anderen Zerfallsprodukten des radioaktiven Strontium-90 interagieren, Strom erzeugen.

Die Leistung einer solchen Batterie dürfte völlig ausreichen, um Elektrofahrzeuge und sogar Raumschiffe anzutreiben.Das Geheimnis des neuen Produkts liegt in der Kombination von Betavoltaik und einem relativ neuen physikalischen Trend – Plasmonenresonatoren.

Plasmonen wurden in den letzten Jahren aktiv bei der Entwicklung spezifischer optischer Geräte eingesetzt, darunter hocheffiziente Solarzellen, völlig flache Linsen und spezielle Drucktinte mit einer Auflösung, die um ein Vielfaches höher ist als die Empfindlichkeit unserer Augen. Plasmonische Resonatoren sind spezielle Strukturen, die Energie in Form von Lichtwellen und anderen Formen elektromagnetischer Strahlung sowohl absorbieren als auch abgeben können.

Heute gibt es bereits Radioisotop-Energiequellen, die die Energie des Atomzerfalls in Elektrizität umwandeln, allerdings geschieht dies nicht direkt, sondern durch eine Kette zwischengeschalteter physikalischer Wechselwirkungen.

Zunächst erhitzen die Tabletten mit radioaktiven Stoffen den Körper des Behälters, in dem sie sich befinden. Anschließend wird diese Wärme mithilfe von Thermoelementen in Strom umgewandelt.

In jeder Phase der Umwandlung geht eine große Menge Energie verloren; Davon überschreitet der Wirkungsgrad solcher Radioisotopenbatterien 7 % nicht. Aufgrund der sehr schnellen Zerstörung von Batterieteilen durch Strahlung wurde Betavoltica in der Praxis schon lange nicht mehr eingesetzt.

Schließlich fanden Wissenschaftler einen Weg, die freigesetzte Energie zusammen mit den Zerfallsprodukten der instabilen Atome direkt umzuwandeln. Es stellte sich heraus, dass Betateilchen (Elektronen, deren Geschwindigkeit beim Zerfall eines Atoms hoch genug ist) in der Lage sind, Wassermoleküle in Wasserstoff, Hydroxylradikale und andere Ionen zu zerlegen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass diese zerfallenen Teile von Wassermolekülen genutzt werden können, um die Energie, die sie durch Kollisionen mit Betateilchen absorbieren, direkt zu extrahieren.

Damit die Wasser-Atombatterie funktioniert, ist eine spezielle Struktur aus Hunderten von mikroskopisch kleinen Titanoxidsäulen erforderlich, die mit einem Platinfilm bedeckt sind und die Form eines Kamms haben. In seinen Zähnen und auf der Oberfläche der Platinhülle befinden sich zahlreiche Mikroporen, durch die die genannten Wasserzersetzungsprodukte in das Gerät eindringen können. Während des Betriebs der Batterie finden im „Kamm“ eine Reihe chemischer Reaktionen statt – es kommt zur Zersetzung und Bildung von Wassermolekülen, während freie Elektronen entstehen und eingefangen werden.

Die bei all diesen Reaktionen freigesetzte Energie wird von den „Nadeln“ aufgenommen und in Elektrizität umgewandelt. Aufgrund der auf der Oberfläche der Säulen erscheinenden Plasmonen mit besonderen physikalischen Eigenschaften erreicht eine solche Wasser-Kern-Batterie ihren maximalen Wirkungsgrad, der 54 % betragen kann, was fast zehnmal höher ist als bei klassischen Radioisotopen-Stromquellen.

Die hier verwendete ionische Lösung lässt sich selbst bei ausreichend niedrigen Umgebungstemperaturen nur sehr schwer einfrieren, sodass mit der neuen Technologie hergestellte Batterien zum Antrieb von Elektrofahrzeugen und bei richtiger Verpackung auch in Raumfahrzeugen für andere Zwecke eingesetzt werden können.

Die Halbwertszeit von radioaktivem Strontium-90 beträgt etwa 28 Jahre, sodass die Atombatterie von Kwon und Kim mehrere Jahrzehnte lang ohne nennenswerten Energieverlust betrieben werden kann, mit einer Leistungsreduzierung von nur 2 % pro Jahr.Wissenschaftler sagen, dass solche Parameter eine klare Aussicht auf die Allgegenwärtigkeit von Elektrofahrzeugen eröffnen.