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'''Radionuklidbatterien''' erzeugen elektrische Energie durch den [[Radioaktivität|radioaktiven Zerfall]]. Im Gegensatz zu Kernreaktoren, die nukleare Kettenreaktionen zur Erzeugung von Atomkernenergie benutzen, wird bei Radionuklidbatterien auf die natürlichen radioaktiven Emissionen gesetzt, um Strom zu gewinnen.<ref name="kumar"/>
  
 
== Prinzip ==
 
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Durch den radioaktiven Zerfall eines [[Radionuklid|Radionuklids]] entsteht Energie, die in Form von Strahlung freigesetzt wird. Diese Energie kann mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Energie umgesetzt werden.
 
Durch den radioaktiven Zerfall eines [[Radionuklid|Radionuklids]] entsteht Energie, die in Form von Strahlung freigesetzt wird. Diese Energie kann mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Energie umgesetzt werden.
  
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* '''Radio-thermisch''' Die Wärmeenergie des radioaktiven Zerfalls wird in elektrische Energie umgewandelt.
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** Dafür kann ein Kreisprozess verwendet werden, der über einen Generator die elektrische Energie erzeugt. In der Regel wird hierfür ein Stirling-Motor konzipiert, sein Wirkungsgrad ist mit 20 bis 30 Prozent ist höher als bei thermoelektrischen Elementen.<ref name="kumar"/>
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** Die üblichste Anwendung sind aber Peltier-Elemente, die durch den Seebeck-Effekt elektrische Energie erzeugen. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen dem radioaktiven Element und der Umgebung verwendet, wobei der Wirkungsgrad etwa 10% beträgt.<ref name="kumar"/>
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** Vielversprechend ist auch die Thermo-Voltaik (TV). Analog zur Photo-Voltaik (PV), welche Strahlung im sichtbaren Licht nutzt, kann die Wärmeabstrahlung durch TV-Module in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad liegt hier bei etwa 20%, und damit zwischen Peltier-Elementen und Stirlingmotoren.<ref name="kumar"/> Sie vereinen damit die Vorteile von Stirlingmotoren (Wirkungsgrad) und Peltier-Elementen (keine beweglichen Teile).
  
* Radio-thermisch, durch Peltierelemente oder Stirling für einen Kreisprozess
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* '''Radio-elektrisch''' Das radioaktive Material emittiert Beta-Minus-Strahlung, die durch Beta-Voltaik (BV) in elektrische Energie umgewandelt wird. Die BV-Module sind dotierte Halbleiter aus GaAs, InP, usw mit p-n-Übergang, die nicht mit Photonen wie in der Photo-Voltaik, sondern Elektronen bestrahlt werden. Da [[Radioaktivität#Beta-Minus-Emission|Beta-Minus-Strahlung]] nichts anderes als Elektronen sind, können diese durch ein geeignetes [[Radionuklid]] erzeugt werden. Der Wirkungsgrad liegt theoretisch bei etwa 10%, im Labor wurden bisher aber nur 2% erreicht.<ref name="kumar"/>
* Radio-elektrisch, durch Beta-Minus-Strahlung, die zu einer Ladungstrennung führt, und dann Beta-Voltaik
 
* Radio-Lumineszenz, durch Anregung eines Gases, das im Sichtbaren Spektrum strahlt, und dann Photo-Voltaik
 
  
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* '''Radio-Lumineszenz''' Die radioaktiven Emissionen treffen auf ein lumineszierendes Material wie Phosphor, das daraufhin im sichtbaren Spektrum des Lichtes anfängt zu leuchten. Das Leuchten des Gases wird dann über Photo-Voltaik (PV) in elektrische Energie umgewandelt. Um die größtmögliche Effizienz zu gewährleisten, muss das Spektrum der PV-Module auf das emittierte Licht abgestimmt werden. Der Wirkungsgrad liegt theoretisch bei 25%, bisher wurden aber nur 2% erreicht.<ref name="kumar"/>
  
 
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== Radionuklide ==
 
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== Anwendungen ==
 
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Am U.S. Air Force Research Laboratory<ref>U.S. Air Force Research Laboratory http://www.wpafb.af.mil/afrl/</ref> gelang die Herstellung einer Batterie mit einer Lebensdauer von 30 Jahren.<ref>[http://www.nextenergynews.com/news1/next-energy-news-betavoltaic-10.1.html Scientists Invent 30 Year Continuous Power Laptop Battery], NextEnergyNews, 1. Oktober 2007</ref> Seit den 2010er Jahren wird [[Tritium]] als Material verwendet. Die amerikanische Firma 'City Labs' bietet NanoTritium-Batterien mit einer Lebensdauer von 20 Jahren im Bereich der Mikroelektronik für Anwendungen wie medizinische Implantate und Langzeitsensoren an.<ref>[http://www.citylabs.net/index.php?option=com_wrapper&view=wrapper&Itemid=20] auf www.citylabs.net; Abgerufen am 16. Februar 2015</ref>
 
Am U.S. Air Force Research Laboratory<ref>U.S. Air Force Research Laboratory http://www.wpafb.af.mil/afrl/</ref> gelang die Herstellung einer Batterie mit einer Lebensdauer von 30 Jahren.<ref>[http://www.nextenergynews.com/news1/next-energy-news-betavoltaic-10.1.html Scientists Invent 30 Year Continuous Power Laptop Battery], NextEnergyNews, 1. Oktober 2007</ref> Seit den 2010er Jahren wird [[Tritium]] als Material verwendet. Die amerikanische Firma 'City Labs' bietet NanoTritium-Batterien mit einer Lebensdauer von 20 Jahren im Bereich der Mikroelektronik für Anwendungen wie medizinische Implantate und Langzeitsensoren an.<ref>[http://www.citylabs.net/index.php?option=com_wrapper&view=wrapper&Itemid=20] auf www.citylabs.net; Abgerufen am 16. Februar 2015</ref>
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== Einzelnachweise ==
 
== Einzelnachweise ==
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<ref name="kumar">Suhas Kumar: ''Atomic Batteries: Energy from Radioactivity'', Department of Electrical Engineering, Stanford University, Stanford 2015. [https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1511/1511.07427.pdf Abgerufen] am 17.05.2020 ([https://web.archive.org/web/20200517105152/https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1511/1511.07427.pdf Archivierte Version] bei [https://web.archive.org/ Wayback Machine])</ref>
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https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1511/1511.07427.pdf
 
  
 
https://medium.com/war-is-boring/powering-the-militarys-future-batteries-nuclear-style-472975d7de8
 
https://medium.com/war-is-boring/powering-the-militarys-future-batteries-nuclear-style-472975d7de8

Aktuelle Version vom 17. Mai 2020, 13:35 Uhr

Radionuklidbatterien erzeugen elektrische Energie durch den radioaktiven Zerfall. Im Gegensatz zu Kernreaktoren, die nukleare Kettenreaktionen zur Erzeugung von Atomkernenergie benutzen, wird bei Radionuklidbatterien auf die natürlichen radioaktiven Emissionen gesetzt, um Strom zu gewinnen.[1]

Prinzip

Durch den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids entsteht Energie, die in Form von Strahlung freigesetzt wird. Diese Energie kann mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Energie umgesetzt werden.

  • Radio-thermisch Die Wärmeenergie des radioaktiven Zerfalls wird in elektrische Energie umgewandelt.
    • Dafür kann ein Kreisprozess verwendet werden, der über einen Generator die elektrische Energie erzeugt. In der Regel wird hierfür ein Stirling-Motor konzipiert, sein Wirkungsgrad ist mit 20 bis 30 Prozent ist höher als bei thermoelektrischen Elementen.[1]
    • Die üblichste Anwendung sind aber Peltier-Elemente, die durch den Seebeck-Effekt elektrische Energie erzeugen. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen dem radioaktiven Element und der Umgebung verwendet, wobei der Wirkungsgrad etwa 10% beträgt.[1]
    • Vielversprechend ist auch die Thermo-Voltaik (TV). Analog zur Photo-Voltaik (PV), welche Strahlung im sichtbaren Licht nutzt, kann die Wärmeabstrahlung durch TV-Module in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad liegt hier bei etwa 20%, und damit zwischen Peltier-Elementen und Stirlingmotoren.[1] Sie vereinen damit die Vorteile von Stirlingmotoren (Wirkungsgrad) und Peltier-Elementen (keine beweglichen Teile).
  • Radio-elektrisch Das radioaktive Material emittiert Beta-Minus-Strahlung, die durch Beta-Voltaik (BV) in elektrische Energie umgewandelt wird. Die BV-Module sind dotierte Halbleiter aus GaAs, InP, usw mit p-n-Übergang, die nicht mit Photonen wie in der Photo-Voltaik, sondern Elektronen bestrahlt werden. Da Beta-Minus-Strahlung nichts anderes als Elektronen sind, können diese durch ein geeignetes Radionuklid erzeugt werden. Der Wirkungsgrad liegt theoretisch bei etwa 10%, im Labor wurden bisher aber nur 2% erreicht.[1]
  • Radio-Lumineszenz Die radioaktiven Emissionen treffen auf ein lumineszierendes Material wie Phosphor, das daraufhin im sichtbaren Spektrum des Lichtes anfängt zu leuchten. Das Leuchten des Gases wird dann über Photo-Voltaik (PV) in elektrische Energie umgewandelt. Um die größtmögliche Effizienz zu gewährleisten, muss das Spektrum der PV-Module auf das emittierte Licht abgestimmt werden. Der Wirkungsgrad liegt theoretisch bei 25%, bisher wurden aber nur 2% erreicht.[1]

Konverter

  • AMTEC: Der Alkali-Metal Thermal to Electric Converter nutzt Komponenten der Natrium-Schwefel-Batterie. Der Aufbau ähnelt einer Brennstoffzelle: Durch die Wärme des Radionuklides verdampftes Natrium wird durch einen Festelektrolyt aus Aluminiumoxid-Keramik gedrückt. Da die Keramik nur Na+-Ionen leitet, muss das Elektron über einen Verbraucher zum anderen Ende der Keramik fließen. Dort vereinigen sich Natriumion und Elektron und werden an einem Kondensator verflüssigt. Das flüssige Natrium wird mit Hilfe einer magnetohydrodynamischen Pumpe zum Verdampfer transportiert, der Kreislauf beginnt von vorne. Der Wirkungsgrad liegt bei 15 bis 25 Prozent, in Zukunft werden bis zu 40 Prozent für möglich gehalten.
  • Betavoltaik: Hier wird dasselbe Prinzip genutzt, dass auch bei der Photovoltaik genutzt wird, nur dass in diesem Fall die Betastrahlung der radioaktiven Elemente in einem Halbleiter in elektrischen Strom umgewandelt wird.
  • Stirlingmotor: Die radioaktive Zerfallswärme kann auch in einer Kraftmaschine genutzt werden. Bei einem Stirling Radioisotope Generator (SRG) treibt die von den Radioisotopen erzeugte Wärme einen Stirlingmotor an. Sein Wirkungsgrad (20 bis 30 Prozent) ist höher als bei thermoelektrischen Elementen, im Gegensatz zu thermoelektrischen oder AMTEC-Wandlern benutzt er allerdings bewegte Teile.
  • Thermoelement: Die Wärme des Radionuklids wird an ein Peltier-Element geführt, dessen andere Seite gekühlt wird, so dass durch den Seebeck-Effekt eine elektrische Spannung entsteht. Diese Art ist bei Radionuklidbatterien die gebräuchlichste. Die Bauweise besteht aus einem Metallzylinder, in dessen Wand die Thermoelemente eingelassen sind. Er besitzt an seiner Außenwand Kühlrippen, um die von den Radionukliden erzeugte Wärme abzugeben und so die für den Betrieb der Thermoelemente notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Der Wirkungsgrad liegt bei 3 bis 8 Prozent.
  • Thermovoltaik: Thermophotovoltaic cells work by the same principles as a photovoltaic cell, except that they convert infrared light (rather than visible light) emitted by a hot surface, into electricity. Thermophotovoltaic cells have an efficiency slightly higher than thermoelectric couples and can be overlaid on thermoelectric couples, potentially doubling efficiency. The University of Houston TPV Radioisotope Power Conversion Technology development effort is aiming at combining thermophotovoltaic cells concurrently with thermocouples to provide a 3- to 4-fold improvement in system efficiency over current thermoelectric radioisotope generators. 🤔

Radionuklide

Anwendungen

Am U.S. Air Force Research Laboratory[2] gelang die Herstellung einer Batterie mit einer Lebensdauer von 30 Jahren.[3] Seit den 2010er Jahren wird Tritium als Material verwendet. Die amerikanische Firma 'City Labs' bietet NanoTritium-Batterien mit einer Lebensdauer von 20 Jahren im Bereich der Mikroelektronik für Anwendungen wie medizinische Implantate und Langzeitsensoren an.[4]

Einzelnachweise

  1. a b c d e f Suhas Kumar: Atomic Batteries: Energy from Radioactivity, Department of Electrical Engineering, Stanford University, Stanford 2015. Abgerufen am 17.05.2020 (Archivierte Version bei Wayback Machine)
  2. U.S. Air Force Research Laboratory http://www.wpafb.af.mil/afrl/
  3. Scientists Invent 30 Year Continuous Power Laptop Battery, NextEnergyNews, 1. Oktober 2007
  4. [1] auf www.citylabs.net; Abgerufen am 16. Februar 2015




https://medium.com/war-is-boring/powering-the-militarys-future-batteries-nuclear-style-472975d7de8

https://citylabs.net/products/

https://phys.org/news/2018-06-prototype-nuclear-battery-power.html

https://phys.org/news/2016-11-diamond-age-power-nuclear-batteries.html

https://www.researchgate.net/profile/C-K_Wang/publication/4154123_GaN_betavoltaic_energy_converters/links/56d8a4b708aebabdb40d1e08/GaN-betavoltaic-energy-converters.pdf

http://www.ecf.utoronto.ca/~kherani/pdfs/2003-Kosteski-Tritiated%20amorphous%20silicon%20betavoltaic%20devices.pdf

https://www.nature.com/articles/srep05249

https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-advances/article/gan-nuclear-batteries-radiation-modeling-for-the-accelerated-contact-exposure-of-betavoltaics/4E83900BC52F991D14C599A10BA2755B