Forschung: Batterien in der Mikroelektronik könnten mit Atommüll laufen
Die Kernenergie verursacht fast keine Treibhausgasemissionen, bringt aber Probleme in Form von radioaktivem Abfall mit sich. Deren sichere Entsorgung ist eine Herausforderung. Ein US-amerikanisches Forschungsteam schlägt in einer Studie(öffnet im neuen Fenster) vor, die Abfälle als Energiequelle für Batterien in der Mikroelektronik zu verwenden.
Das Team nutzte die von Atommüll abgegebene Gammastrahlung, um Energie für den Betrieb von Mikrochips zu erzeugen. Das Verfahren ist derzeit auf kleine Sensoren beschränkt. Die Arbeitsgruppe hofft jedoch, dass es in größerem Maßstab genutzt werden könnte.
Etwa zehn Prozent des weltweiten Energiebedarfs werden derzeit durch Kernkraft gedeckt. In den USA sind es ungefähr 20 Prozent. Das ist eine Alternative zu fossilen Brennstoffen. Wenn es gelingt, die Abfälle zu verwerten, könnte sie zu einer neuen Option werden.
Wie aus einem Abfallprodukt Strom wird
"Wir ernten etwas, das von der Natur als Abfall angesehen wird, und versuchen, es in einen Schatz zu verwandeln" , erklärte der Nuklearingenieur Raymond Cao (Ohio State University) in einer Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster) .
Nukleare Batterien, die radioaktiven Zerfall in Elektrizität umwandeln, werden seit Jahrzehnten entwickelt. Jedoch hapert es an der praktischen Anwendung.
Das Team erzeugte unter Verwendung von Szintillatorkristallen in einem zweistufigen Prozess tatsächlich Strom. Die Kristalle haben eine hohe Dichte und senden Licht aus, wenn sie Strahlung absorbieren. Das Licht erzeugt Strom, indem es auf Solarzellen fällt. Vor wenigen Monaten stellte eine andere Arbeitsgruppe ein ähnliches Konzept vor, in dem es um Diamanten-Batterien aus Atommüll geht.
Der erste Testlauf
Die Batterie selbst besteht nicht aus radioaktiven Material, vielmehr wird mit der verwendeten Methode die Gammastrahlung aus der Umgebung absorbiert. Für den Test wurde um ein ungefähr vier Kubikzentimeter kleiner Prototyp genutzt, der aus zwei verschiedenen radioaktiven Quellen gespeist wurde: Cäsium-137, eines der wichtigsten Spaltprodukte, das aus abgebrannten Kernbrennstoffen stammt, und Kobalt-60, ein Produkt der nuklearen Aktivierung.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Batterie bei Verwendung von Cäsium-137 288 Nanowatt erzeugte. Mit dem viel stärkeren Isotop Kobalt-60 lieferte die Batterie 1,5 Mikrowatt Strom - genug, um den winzigen Sensor eines Mikrochips zu betreiben.
Mögliche Einsatzbereiche und Einschränkungen
Auch wenn die Leistung für Haushalte und Elektronik meist im Kilowattbereich liege, deute dies darauf hin, dass solche Geräte mit der richtigen Energiequelle auf Anwendungen im Wattbereich oder darüber hinaus skaliert werden könnten, erklärt Cao.
Form und Größe der Kristalle können einen Einfluss auf die elektrische Leistung haben. Ein größeres Volumen ermöglicht es, mehr Strahlung zu absorbieren und die zusätzliche Energie in mehr Licht umzuwandeln. Eine größere Oberfläche hilft der Solarzelle auch bei der Stromerzeugung.
"Dieser zweistufige Prozess befindet sich noch in der Anfangsphase, aber der nächste Schritt besteht darin, mit Scale-up-Konstruktionen mehr Watt zu erzeugen" , so Studienautor Ibrahim Oksuz.
Solche Batterien könnten in Lagerbecken für Atommüll oder in Nuklearsystemen für die Weltraum- und Tiefseeforschung eingesetzt werden. Dort könnten sie die vorhandene Gammastrahlung für die Energieerzeugung nutzen. Das System ist nicht für den allgemeinen Gebrauch gedacht.
Zur Studie
Die Studie wurde in der Februar-Ausgabe 2025 von Optical Materials: X veröffentlicht: Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level(öffnet im neuen Fenster) (Kernphotovoltaik-Batterien auf Szintillatorbasis zur Stromerzeugung im Mikrowattbereich).