Kürzlich gaben chinesische Wissenschaftler im Magazin Nature offiziell die Ergebnisse ihrer Forschung zu Kernenergiebatterien bekannt. Demnach nutzte das Forschungsteam um Professor Wang Shu Ao von der Dong Wu University (China) Alphastrahlen radioaktiver Isotope, um diesen Batterietyp herzustellen.

Derzeit gelten Alpha-Radioisotope aufgrund ihrer hohen Zerfallsenergie von 4 bis 6 Megaelektronenvolt (MeV) als aussichtsreiche Kandidaten für Mikronuklearbatterien. Die potenzielle Energie von Alphastrahlen übersteigt die von Geräten zum Abbau von Beta-Radioisotopen bei weitem. Die höchste Zerfallsenergie von Beta-Radioisotopen liegt bei einigen zehn Kiloelektronenvolt (KeV).

Obwohl die Effizienz 8.000-mal höher ist als bei herkömmlichen Batterien, weist die Mikronuklearbatterie dennoch Einschränkungen auf, da die extrem kurze Eindringtiefe in Feststoffe dazu führt, dass Alphateilchen durch den Selbstabsorptionseffekt viel Energie verlieren. Professor Vuong Thu Ao, Leiter des Forschungsteams, erklärt: „Der Selbstabsorptionseffekt reduziert die tatsächliche Kapazität der Alpha-Radioisotopen-Mikronuklearbatterie deutlich stärker als die theoretische.“

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Abbildung einer von chinesischen Wissenschaftlern entwickelten Mikronuklearbatterie. Fotoquelle: SCMP

Das Design der Mikronuklearbatterie verfügt über eine integrierte Schicht, die wie eine Solarzelle wirkt und die Alphastrahlung optimal nutzt. Das Team integrierte einen Energiekonverter – eine Polymerschicht, die das Isotop umgibt und die bei der Bestrahlung freigesetzte Energie überträgt. Sie wandelt sie in Licht und Strom um, ähnlich einer Photovoltaikzelle.

Dieser Studie zufolge erzeugte der Komplex mit nur 11 Mikrocurie (μCi) der synthetischen radioaktiven Substanz 243Am Lumineszenz aus Alphastrahlen, die beim Isotopenzerfall emittiert wurden. In einem weiteren Experiment wurde die Lumineszenzleistung auf 11,88 Nanowatt (nW) bestimmt, wobei die Effizienz der Umwandlung der Zerfallsenergie in Licht 3,43 % erreichte.

Das Forschungsteam erklärte, dass die photovoltaische Kernbatterie, die Strahlung in elektrische Energie umwandelt, eine lange Lebensdauer habe und unabhängig von Temperaturschwankungen funktioniere. Konkret habe die experimentelle Mikrokernbatterie einen Gesamtwirkungsgrad von 0,889 % und erzeuge eine Leistung von 139 Mikrowatt/Curie.

Die vom Forschungsteam entwickelte Mikronuklearbatterie wurde anhand von Theorien und zahlreichen Experimenten eingehend überprüft. Dabei zeigte sich, dass ihre Energieumwandlungseffizienz 8.000-mal höher ist als die herkömmlicher Batteriestrukturen.

Auch der Stromrichter ist äußerst stabil; seine Leistungsparameter bleiben über mehr als 200 Stunden Dauerbetrieb nahezu konstant. Mit einer Halbwertszeit von 243 Am synthetischem radioaktivem Material hat die Mikronuklearbatterie eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten.

Batteriestruktur (Foto 1), Energiewandlereigenschaften (Foto 2), theoretische und experimentelle Forschungsergebnisse (Foto 3) und Ergebnisse zur Batterieleistung (Foto 4). Fotoquelle: China Key Research Laboratory of Nuclear Medicine and Radiation Safety.

„Dies ist einer der größten Durchbrüche im Bereich der Atombatterien der letzten Jahrzehnte“, kommentierte die China Science and Technology Daily . Die Forschung adressiert nicht nur Chinas strategische und sicherheitsrelevante Anforderungen an die Atomkraft, sondern bietet auch einen neuen Ansatz für die Nutzung von Atommüll und Aktinidennukliden außerhalb des Kernbrennstoffkreislaufs.

Die Zeitung SCMP urteilte dazu: „Die langen Halbwertszeiten und der hochenergetische Alphazerfall mancher Isotope äußern sich in Form radioaktiver Toxizität des Atommülls. Dennoch bieten diese Isotope den Vorteil einer langen Lebensdauer und hohen Energie.“

Professor Wang Shu Ao ist ein chinesischer Wissenschaftler, der große Erfolge in Projekten zur Behandlung von Atommüll und Abwasser sowie in der Forschung zur Notfallreaktion bei Unfällen erzielt hat. Er konzentriert sich seit vielen Jahren auf Chinas strategische Bedürfnisse nach einer nachhaltigen und sicheren nuklearen Entwicklung.

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