Strom aus Atommüll

Bei der Lagerung von Atommüll kommt oft die Frage auf, ob man den vor sich hin strahlenden Müll nicht auch für etwas nützliches gebrauchen könnte. Schließlich geben Brennstäbe auch noch Jahre nach ihrem Einsatz im Kernreaktor Strahlung und Wärme ab. Die Idee aus dem radioaktiven Zerfall Strom zu gewinnen ist dabei keinesfalls neu.

In der Raumfahrt werden Radioisotopenbatterien als unabhängige, lang ausdauernde Energiequelle geschätzt um Raumsonden wie Voyager, Cassini oder den Mars Rover Curiosity anzutreiben. Diese nutzen zur Gewichtsoptimierung aber eigens für diesen Zweck erbrütetes Plutonium-238 als Wärmequelle, was entsprechend aufwendig und teuer ist. Spaltprodukte aus der Kernreaktion müssen nicht erbrütet werden. Sie sind in großen Mengen verfügbar. Anders als Pu-238 setzten diese ihre Energie aber nicht als Alpha-Strahler frei, sondern als Beta- und Gammastrahler. Für Batterien kommen hauptsächlich reine Beta-Strahler in Frage, denn Gammastrahler benötigen eine schwere Abschirmung.

Strom aus Radioaktivität

Wie kann man Strom aus dem Zerfall von Atomen gewinnen? Im einfachsten Fall nutzt man die entstehende Wärme und erzeugt Strom durch den Seebeck-Effekt mit einem Thermoelement, das etwa 5% der Energie in Strom umwandelt. Effizienter ist es, einen Stirling Motor anzutreiben, dessen bewegliche Teile aber nur eine begrenzte Lebensdauer haben. In beiden Fällen muss das Material zunächst hohe Temperaturen erreichen. Mit kleinen Mengen oder nur schwach radioaktiven Isotopen ist das unmöglich.

Eine zweite Möglichkeit ist die Nutzung von Betavoltaik. Das Prinzip ist das gleiche wie in der Photovoltaik. An die Stelle des Lichts treten die sehr energiereichen Elektronen der Betastrahlung. Diese geben den Elektronen im Halbleiter so viel Energie ab, dass sie ihre Plätze im Kristallgitter verlassen und sich im Halbleiter frei bewegen können. Dabei hinterlassen sie eine Freistelle an ihrem angestammten Platz, die aber von Elektronen der benachbarten Atome gefüllt werden können. Dann ist das Loch an einer anderen Stelle. Da die Löcher sich zu bewegen scheinen, spricht man von ihnen genauso, als wären sie Teilchen. Nun gilt es die Löcher von den Elektronen zu trennen, so dass sie sich an entgegengesetzten Enden des Halbleiters sammeln und eine Spannung zwischen ihnen entsteht. Das erreicht man, indem man das Kristallgitter mit fremden Atomen dotiert, die zu viel oder zu wenig Elektronen haben. Die erzeugen ein permanentes elektrisches Feld, das die Elektronen in die eine und die Löcher in die andere Richtung zieht, bevor sich Loch und Elektron begegnen können.

Jae W. Kwon arbeitete mit seinen Kollegen an der Universität von Missouri bereits 2009 an der Optimierung dieser Technik (Encapsulated Radioisotope fore Efficiency Improvement of Nuclear Microbattery). Er integrierte einen Betastrahler in einer Zelle, die auf beiden Seiten von Halbleitern umgeben waren. Dadurch wird die Batterie nicht nur effizienter, weil sonst die Hälfte der Betastrahlen verloren geht, der Halbleiter ersetzt auch einen Teil der nötigen Abschirmung. Um eine angemessene Leistung zu erreichen, konnte aber nur Schwefel-35 als Beta-Strahler genutzt werden. S-35 zeichnet sich durch eine kurze Halbwertszeit von 87 Tagen und Beta-Strahlung mit nur 49 keV Zerfallsenergie aus. Mehr Energie würde die Kristallstruktur des Halbleiters beschädigen. Die Effizienz der Batterie betrug zwar nur 2,42%, aber das stellte 2009 einen neuen Rekord in der Betavoltaik dar. Aber dieses Jahr sollte sich alles ändern!

Wahl des Isotops

Die Halbwertszeit des verwendeten Isotops bestimmt nicht nur die Lebenszeit der Batterie, sondern auch deren Leistung. Ein Gramm eines Isotops mit einer Halbwertszeit von 100 Jahren wird in einer Sekunde nur ein Zehntel der Energiemenge abgeben, wie ein Gramm eines Isotops mit 10 Jahren Halbwertszeit. Dafür tut es das 10 mal so lang. Natürlich wird die Leistung auch um so größer, um so größer die Zerfallsenergie ist.

Die Produkte der Kernspaltung bestehen nach einigen Jahren nur noch aus Isotopen mit Halbwertszeiten von bis zu 30 Jahren und über 200.000 Jahren. Dazwischen klafft eine große Lücke, weshalb die Auswahl der in Frage kommenden Isotope recht klein ist. Cäsium-137 und Strontium-90 stellen in den erste 300 Jahre der Lagerung den größten Teil der Radioaktivität dar. Das erste hat eine Halbwertszeit von 30,17 Jahren, ist aber ein starker Gammastrahler. Sr-90 ist ein reiner Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 28,8 Jahren, würde aber einen Halbleiter mit Zerfallsenergien von teilweise über 1000keV schnell zerstören. Tc-99 mit einer Halbwertszeit von 211.000 Jahren ist zu niedrigen Leistungsdichten verdammt, könnte aber über praktisch beliebige Zeiträume kleine Energiemengen liefern.

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Die Strontium-90 Kapsel in 1mol Kaliumhydroxidlösung, die bei dem Experiment zum Einsatz kam. Die Blasen entstehen durch radiolytische Spaltung des Wassers, also Spaltung durch Beta-Strahlung.

Der Durchbruch

Dieses Jahr fanden Baek Hyun Kim und sein Kollege Jae W. Kwon nun einen völlig neuen Ansatz. (Plasmon-assisted radiolytic conversion in aqueous solutions) Es ist bekannt, dass radioaktive Strahlung Wassermoleküle aufspalten kann, wodurch im Wasser freie Radikale entstehen. Freie Radikale sind chemisch instabile und sehr reaktive Teilchen. Kim und Kwon stellten fest, dass bisher noch niemand versucht hat diese Teilchen für die Stromgewinnung aus Betastrahlung zu nutzen.

Sie erzeugten Nanoporen in Titanoxid und überzogen diese mit einer hauchdünnen Schicht Platin, so dass die Poren erhalten blieben. Es sind 3-5 Milliarden Löcher pro Quadratzentimeter, mit einem Durchmesser von 10-20 Nanometer. Diese Konstruktion wird mit einer Kaliumhydroxidlösung bedeckt, die auch in die Poren eindringt. Die Stromerzeugung erfolgt nun auf zwei Wegen. Das Titanoxid fungiert als Halbleiter mit einer großen Bandlücke von 5,6eV. Die Betastrahlung kann in dem Halbleiter Elektron-Loch-Paare erzeugen, die dann wie in einer Solarzelle durch die Spannungsdifferenz in der Zelle getrennt werden und zu einem Stromfluss führen.

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Schematischer Aufbau der radiolytischen Zelle

Dieser Prozess kann jedoch nicht den gesamten Stromfluss erklären. Die Betastrahlung erzeugt nicht nur Elektron-Loch-Paare in dem Halbleiter, sondern auch freie Radikale in der wässrigen Lösung. Diese freien Radikale könnten zusätzlich zur Stromerzeugung beitragen. Allerdings werden geladene Teilchen in Wasser sofort von einer Hülle von Wassermolekülen umgeben, denn Wassermoleküle haben eine positiv und eine negativ geladene Seite. Ein negativ geladenes Teilchen wird zum Beispiel von der positven Seite des Wassermoleküls stärker angezogen als es von der negativ geladenen Seite abgestoßen wird. Die so eingeigelten Teilchen können sich kaum bewegen. Das hat den Vorteil, dass die frisch gespaltenen Wassermoleküle nicht sofort wieder zusammen finden, denn dann könnte man aus ihnen keine Energie gewinnen. Aber es hat auch einen Nachteil. Die negativ geladenen Radikale müssen zur Elektrode gelangen und ihre Ladung beim Halbleiter abliefern. Aber zuvor müssen sie erst aus ihrer Wasserschale entkommen. Die Platinschicht spielt dabei eine entscheidende Rolle.

batterie-bild

Bild der echten Zelle, wie im Experiment verwendet. Forschung live.

Ohne die Platinschicht lieferte die Zelle eine Leistung von 2.565 Mikrowatt pro Quadratzentimeter, was einer wenig spektakulären Effizienz von 1,8% entspricht.. Mit der Schicht waren es 75.02 Mikrowatt und eine Effizienz von etwa 54%! In aufwendigen Untersuchungen und Simulationen konnten sie nachweisen, dass die Ursache dafür Plasmonen sind. Das sind quantisierte Schwankungen elektrischer Felder, die sich auf der Oberfläche der Platinschicht bilden können. Erst sie stellen die notwendige Feldstärke bereit um die freien Radikalen aus den Fängen restlichen Wassermoleküle zu befreien.

Und nun?

Auch das Problem der zerstörten Kristallstrukturen wird durch diese Konstruktion zumindest teilweise gelöst. Während die Betastrahlung die Wasserschicht durchdringen, geben sie einen großen Teil ihrer Energie ab. Nur die energiereichsten Betastrahlen haben noch ausreichend Energie um Schäden anzurichten, jedoch konnten die Forscher in den 6 Stunden ihrer Messung keinerlei Reduktion der Leistung feststellen.

Natürlich steckt auch diese Technologie noch in den Kinderschuhen. Insbesondere die Standfestigkeit der Zelle muss noch untersucht und gegebenenfalls verbessert werden. Außerdem sind die üblichen Probleme der Skalierbarkeit und der Kosten noch zu untersuchen. Die hohe Effizienz und die Fähigkeit auch Isotope mit hoher Zerfallsenergie nutzen zu können sind jedoch einzigartig und vielversprechend.

Es stellt sich natürlich auch die Frage, ob sich das gleiche Prinzip auch auf andere Isotope als Strontium-90 anwenden läßt. Radiolytische Spaltung von Wasser ist auch kein ungewöhnliches Phänomen, das nur auf bestimmte Isotope beschränkt ist. Es läßt sich auch bei Gammastrahlung beobachten. Klar ist aber auch, dass das Experiment in genau dieser Form, nur mit Betastrahlung machbar war.

Eine Batterie mit Gammastrahlung müsste groß genug sein, dass ein Großteil der Gammastrahlung von dem Wasser absorbiert wird. Sonst geht die Energie für die Stromgewinnung verloren. In jedem Fall wäre sie groß, etwa im Meterbereich, mit zusätzlicher Abschirmung. Es bliebe auch die Frage, ob Gammastrahlen mit der Zeit die Nanostruktur der Elektroden zerstören würden.

Natürlich ist eine Demonstration noch keine geeignete Grundlage für die Nutzung der Technologie. Insbesondere die Sicherheit muss gewährleistet werden und eine geeignet Verkapselung der Radioisotope gefunden werden, die auch die Aufarbeitung benutzter Batterien erlaubt.

Zu guter letzt muss auch klar sein, dass derartige Batterien nicht ohne Aufsicht genutzt werden können. Der Einsatz von Radioisotopenbatterien als Stromquelle in Leuchttürmen an der Sibirischen Küste führte nach dem Kollaps der Sovietunion zu solchen Bildern:

Eine Beta-M Radioisotopenbatterie mit Sr-90 Quelle. Sie liefert dauerhaft 10W Strom. Im Vergleich zu anderen Batterien ihrer Art, befindet sie sich noch in gutem Zustand.

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