Chinesische Wissenschaftler haben kürzlich die Ergebnisse ihrer Forschung zu Kernenergiebatterien in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Demnach nutzte das Forschungsteam um Professor Wang Shu Ao von der Dongwu-Universität (China) die von radioaktiven Isotopen freigesetzten Alphastrahlen, um diese Art von Batterie zu entwickeln.

Aktuell gelten Alpha-Isotope aufgrund ihrer hohen Zerfallsenergie von 4 bis 6 Megaelektronenvolt (MeV) als vielversprechende Kandidaten für mikronukleare Batterien. Die Energie der Alphastrahlung hat das Potenzial, die von Beta-Isotopen in Minen zur Energiegewinnung deutlich zu übertreffen. Die höchste Zerfallsenergie von Beta-Isotopen liegt hingegen bei einigen zehn Kiloelektronenvolt (keV).

Obwohl die Effizienz 8.000-mal höher ist als die herkömmlicher Batterien, weist die Mikronuklearbatterie dennoch Einschränkungen auf. Die geringe Eindringtiefe der Alphateilchen in Festkörper führt zu einem erheblichen Energieverlust durch Selbstabsorption. Professor Vuong Thu Ao, Leiter des Forschungsteams, erklärt: „Die Selbstabsorption reduziert die tatsächliche Kapazität der Alpha-Isotopen-Mikronuklearbatterie deutlich stärker als die theoretische.“

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Abbildung einer von chinesischen Wissenschaftlern entwickelten Mikro-Nuklearbatterie. Fotoquelle: SCMP

Die Konstruktion der Mikronuklearbatterie beinhaltet eine integrierte Schicht, die wie eine Solarzelle funktioniert und die Alphastrahlung optimal nutzt. Das Team integrierte einen Energiewandler – eine Polymerschicht, die das Isotop umgibt und die bei der Strahlung freigesetzte Energie in Licht und Elektrizität umwandelt, ähnlich einer Photovoltaikzelle.

Laut dieser Studie erzeugte der Komplex mit nur 11 Mikrocurie (μCi) der synthetischen radioaktiven Substanz 243Am Lumineszenz durch Alphastrahlen, die beim Zerfall des Isotops emittiert wurden. In einem weiteren Experiment wurde eine Lumineszenzleistung von 11,88 Nanowatt (nW) bestimmt, wobei der Wirkungsgrad der Umwandlung von Energie aus dem Zerfallsprozess in Licht 3,43 % erreichte.

Das Forschungsteam gab an, dass die photovoltaische Nuklearbatterie, die Strahlung in elektrische Energie umwandelt, eine lange Lebensdauer aufweist und unabhängig von Temperaturschwankungen funktioniert. Konkret erreicht die experimentelle Mikronuklearbatterie einen Gesamtwirkungsgrad von 0,889 % und erzeugt 139 Mikrowatt pro Curie.

Die vom Forschungsteam entwickelte Mikronuklearbatterie wurde durch theoretische Untersuchungen und zahlreiche Experimente eingehend geprüft. Dabei zeigte sich, dass ihre Energieumwandlungseffizienz 8.000 Mal höher ist als die herkömmlicher Batteriestrukturen.

Auch der Leistungswandler ist äußerst stabil; seine Leistungsparameter bleiben über 200 Stunden Dauerbetrieb nahezu konstant. Da die Halbwertszeit der synthetischen radioaktiven Substanz 243Am beträgt, hat die Mikronuklearbatterie eine Lebensdauer von bis zu mehreren Jahrhunderten.

Batterieaufbau (Foto 1), Eigenschaften des Energiewandlers (Foto 2), theoretische und experimentelle Forschungsergebnisse (Foto 3) und Ergebnisse der Batterieleistung (Foto 4). Fotoquelle: Chinesisches Schlüsselforschungslabor für Nuklearmedizin und Strahlensicherheit.

„Dies ist einer der bedeutendsten Durchbrüche bei nuklearen Batterien der letzten Jahrzehnte“, kommentierte die China Science and Technology Daily . Die Forschung trägt nicht nur Chinas strategischen und sicherheitstechnischen Bedürfnissen im Bereich der Kernenergie Rechnung, sondern bietet auch einen neuen Ansatz für die Nutzung von Atommüll und Aktiniden außerhalb des nuklearen Brennstoffkreislaufs.

Die Zeitung SCMP urteilte wie folgt: „Die langen Halbwertszeiten und der hochenergetische Alpha-Zerfall einiger Isotope äußern sich in der radioaktiven Toxizität von Atommüll. Allerdings bieten diese Isotope auch den Vorteil einer langen Lebensdauer und hoher Energie.“

Professor Wang Shu Ao ist ein chinesischer Wissenschaftler, der bedeutende Erfolge im Bereich der nuklearen Abfall- und Abwasserbehandlung sowie in der Forschung zur Notfallbewältigung bei Unfällen erzielt hat. Er widmet sich seit vielen Jahren Chinas strategischen Bedürfnissen nach einer nachhaltigen und sicheren nuklearen Entwicklung.

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