Diamantenbatterie

Eine Diamantenbatterie wäre eine aus schwach radioaktivem ¹⁴C-Abfall 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

Das Kohlenstoff-Isotop ¹⁴C entsteht 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. Unter Abgabe von Betastrahlung zerfällt es zum stabilen Stickstoff-Isotop ¹⁴N. Aufgrund der Radioaktivität kann die Batterie mit diamantförmigem ¹⁴C als betavoltaische Apparatur eingesetzt werden. Die Halbwertszeit beträgt mehrere tausend Jahre.

Wenn Stickstoff Neutronenstrahlung ausgesetzt wird, kann es auch zu einem „Herausschlagen“ eines Protons durch ein eintreffendes Neutron kommen. Dies betrifft jedoch nur das stabile leichtere Isotop ¹⁴N, das allerdings die überwiegende Mehrheit des Stickstoffs ausmacht (nur knapp unter 1 % ist das ebenfalls stabile Isotop ¹⁵N). Genau 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. Da graphitmoderierte Kernreaktoren quasi nicht mehr neu gebaut werden, ist diese Quelle des ¹⁴C allerdings begrenzt. In Kernreaktoren findet sich Stickstoff als Kühlmittel (Luftkühlung von Reaktoren mit niedriger thermischer Leistung) oder als Verunreinigung des Moderators (z. B. Gelöst im Moderator/Kühlwasser von Leichtwasserreaktoren).

Obwohl Kohlenstoff-14 im Bereich von 1 ppt in natürlichem Kohlenstoff enthalten ist, ist die Extraktion aus dieser Quelle wenig lohnend, da der Masseanteil von ca. 1 Nanogramm pro Tonne um Größenordnungen niedriger ist als zum Beispiel jener des Alphastrahlers Radium in Uranerzen, welches mit ca. 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran vorliegt. Eine Radium-Radionuklidbatterie hätte bezüglich Leistung und Langlebigkeit ähnliche Eigenschaften wie eine Diamantbatterie, da ²²⁶Ra mit 1600 Jahren eine Halbwertszeit in derselben Größenordnung wie ¹⁴C aufweist. Die Zerfallsenergie von Radium-226 zu Radon-222 ist jedoch um ca. den Faktor 30 größer als jene von Kohlenstoff-14 zu Stickstoff-14.

Mögliche Abwandlungen

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, so dass insgesamt etwa 349 bzw. 352 amu 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.