Diamantenbatterie

Eine Diamantenbatterie wäre eine aus radioaktivem Kohlenstoff ¹⁴C hergestellte langlebige Primärzelle bzw. Radionuklidbatterie.

Die noch nicht marktreife Entwicklung erfolgte am Cabot Institute an der University of Bristol und wurde 2016 vom Physikprofessor Tom Scott vorgestellt.

Hintergrund

Unter Abgabe von Betastrahlung zerfällt ¹⁴C zum stabilen Stickstoff-Isotop ¹⁴N. Aufgrund der Radioaktivität kann die Batterie mit diamantförmigem ¹⁴C als betavoltaische Apparatur eingesetzt werden. Die Halbwertszeit von ¹⁴C ist 5730 Jahre, somit könnte eine solche Batterie eine lange Lebensdauer erreichen. Das Hauptproblem ist dabei, die benötigte Menge von ¹⁴C zu sammeln.

Wenn Stickstoff Neutronenstrahlung ausgesetzt wird, kann es zu einem „Herausschlagen“ eines Protons durch ein eintreffendes Neutron kommen. Dies betrifft das Isotop ¹⁴N, das 99,6 % des Stickstoffs ausmacht. Diese Reaktion findet in hohen Schichten der Erdatmosphäre zwischen kosmischer Strahlung bzw. sekundär von ihr induzierten Neutronen und Stickstoff statt und ist die Quelle des natürlichen ¹⁴C im Kohlenstoffkreislauf. Obwohl Kohlenstoff-14 im Bereich von 1 ppt in natürlichem Kohlenstoff enthalten ist, ist die Extraktion aus dieser Quelle wenig lohnend. Der Masseanteil von ca. 1 Nanogramm pro Tonne ist um Größenordnungen niedriger als zum Beispiel jener des Alphastrahlers Radium in Uranerzen, welches mit ca. 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran vorliegt. Eine Radium-Radionuklidbatterie aus ²²⁶Ra mit ca. 1600 Jahren Halbwertszeit hätte bezüglich Leistung und Langlebigkeit ähnliche Eigenschaften wie eine Diamantbatterie. Die Zerfallsenergie von Radium-226 zu Radon-222 ist jedoch um ca. den Faktor 30 größer als jene von Kohlenstoff-14 zu Stickstoff-14.

Das Kohlenstoff-Isotop ¹⁴C entsteht jedoch auch in Graphitblöcken, die in Kernreaktoren als Neutronenmoderator eingesetzt werden, durch den zwar seltenen, aber über Jahre und Jahrzehnte Laufzeit unvermeidlichen Neutroneneinfang in ¹³C (etwa 1 % Masseanteil in natürlichem Kohlenstoff, je nach Herkunft) bzw. durch zweifachen Neutroneneinfang in ¹²C. Da graphitmoderierte Kernreaktoren nicht mehr neu gebaut werden, ist diese Quelle des ¹⁴C allerdings begrenzt. In Kernreaktoren findet sich zudem Stickstoff als Kühlmittel (Luftkühlung von Reaktoren mit niedriger thermischer Leistung) oder als Verunreinigung des Moderators (z. B. Gelöst im Moderator/Kühlwasser von Leichtwasserreaktoren).

Will man die Leistungsdichte erhöhen, ist eine Anreicherung von ¹⁴C nötig. Im Gegensatz zur Urananreicherung, die auf den sehr geringen Masseunterschied zwischen ²³⁵UF₆ und ²³⁸UF₆ setzt (Fluor als Reinelement hat hierbei immer die Massezahl 19, sodass insgesamt etwa 349 bzw. 352 u pro Molekül Uranhexafluorid vorliegen), ist die Anreicherung von Kohlenstoff pro SWU weniger energieintensiv und wird in geringen Mengen von Firmen, die Isotop-Labeling-Forschung beliefern, zur Bereitstellung von ¹³C betrieben. Hierbei kommt üblicherweise Kryodestillation von Kohlenmonoxid oder Methan zum Einsatz, wobei hierbei als Koppelprodukt auch ¹⁸O bzw. Deuterium angereichert wird.

Weblinks

• Caroline Delbert: How to turn nuclear waste into diamond batteries. In: Popular Mechanics, 21. Januar 2020.
• Lukas Feldhaus: Nukleare Diamanten. In: Die Zeit, 5. Januar 2017.
• Jason Murdoch: Diamond batteries created with nuclear waste may soon provide source of „near infinite“ power. In: Newsweek, 22. Januar 2020.