TEIL C

ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (XI)

Nuklearbatterie

Unter dieser Bezeichnung habe ich verschiedene nuklear betriebene Energiequellen zusammengefaßt. Ihre gemeinsame Geschichte beginnt im Jahr 1912, als der junge britische Physiker Henry Gwyn Jeffreys Moseley Experimente mit der Energie von β-Teilchen durchführt und zeigen kann, daß sich aus der radioaktiven Quelle des Radiums hohe Potentiale erzielen lassen – womit er die erste Atombatterie erfindet, auch wenn es ihm nicht gelingt, die 1 MeV zu erzeugen, die nötig sind um die Partikel zu stoppen.

Moseleys Apparatur besteht aus einer, auf der Innenseite versilberten Glaskugel, in welcher auf der Spitze eines Drahts in der Mitte Radium als Emitter montiert ist. Dabei erzeugen die geladenen Teilchen des Radiums einen Stromfluß, wenn sie sich schnell vom Radium zur Innenfläche der Kugel bewegen. Als der Erste Weltkrieg ausbricht, meldet sich Moseley zu den Royal Engineers als Telekommunikations-Offizier – und wird bei einem Angriff auf die türkische Halbinsel Gallipoli bei den Dardanellen im August 1915 erschossen, im Alter von 27 Jahren. Hätte er überlebt und weitergeforscht, wären wir heute möglicherweise schon wesentlich weiter...

Moseleys Modell führt erst nach 1945 zu erneuten Bemühungen, experimentelle Batterien zu bauen, die Strom aus den Emissionen radioaktiver Elemente gewinnen, doch in den 1950er und 1960er Jahren erhält das Forschungsfeld beträchtliche Aufmerksamkeit, u.a. aufgrund des Bedarfs an langlebigen Energiequellen für die Raumfahrt und für unzugängliche Orte wie die Tiefsee. Ab 1954 arbeitet die RCA aber auch an einer kleinen Atombatterie für Funkempfänger, Hörgeräte oder medizinische Implantate.

Eine schon weiterentwickelte Form der Nuklearbatterien ist der Radioisotopengenerator, ein thermoelektrischer Generator auf der Basis von Radioisotopen (Radioisotope Thermoelectric Generators, RTG, manchmal auch: Radioisotope Power System, RPS), der Wärme mittels des Seebeck-Effekts in Elektrizität umwandelt. Er enthält ein oder mehrere radioaktive Heizelemente, die direkt in den RTG eingeschoben werden, der im Grunde aus einem Metallzylinder besteht, in dessen Wand Thermoelemente eingelassen sind. An der Außenwand sind Kühlrippen angebracht, um die für den Betrieb der Thermoelemente notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Der Wirkungsgrad liegt bei 3 – 8 %.

Die RTGs werden in den späten 1950er Jahren von Wissenschaftlern um Dr. Bertram C. Blanke an den Mound Laboratories in Miamisburg, Ohio, entwickelt, und zwar im Auftrag der United States Atomic Energy Commission. Ab den 1960er Jahren werden sie bei Dutzenden von Raumfahrtmissionen eingesetzt, das erste Mal im Juni 1961 im Rahmen des Systems Nuclear Auxiliary Power Program (SNAP) 3 an Bord des Satelliten TRANSIT 4A der US-Marine (auch unter NAVSAT bekannt). Schon im November folgt der TRANSIT 4B mit nahezu ähnlicher Ausstattung.

Die elektrische Leistung dieser RTGs beträgt lediglich ~ 2,5 W, aber sie funktionieren 15 Jahre lang. Die meisten RTGs der NASA – sie sind oftmals so groß wie Waschmaschinen – verwenden Plutonium-238, dessen hochenergetische Strahlung eine enorme Wärmemenge produziert. Im April 1964 gibt es allerdings eine Katastrophe, als beim Start des dritten Satelliten TRANSIT 5BN-3 die Rakete hoch über der Erde versagt, worauf der Akku während des atmosphärischen Wiedereintritt vollständig verbrennt und dabei 1 kg Plutonium-238 zu feinem Staub verdampft.

Als Neil Armstrong und Buzz Aldrin als erste Menschen auf dem Mond landen, hinterlassen sie auch dort etwas Plutonium-238. Dieses befindet sich in zwei Radioisotopen-Heizungen (Apollo Lunar Radioisotopic Heaters, ALRH), jeweils etwa 34 g, die während der 14 Tage währenden Mondnächte einen Seismometer warm und funktionsfähig halten. 

Hier abgebildet ist ferner ein RTG des Voyager-Programms, bei dem im Jahr 1977 zwei Raumsonden zur Erkundung des äußeren Planetensystems und des interstellaren Raums aufbrechen, deren Missionen bis heute andauern. An Bord jeder Sonde sind jeweils drei Stück  Mehrhundert-Watt-Radioisotopengeneratoren (Multihundred-Watt radioisotope thermoelectric generators, MHW RTG), die zum Startzeitpunkt zusammen 470 W liefern.

Das Gewicht des einzelnen RTG beträgt 37,7 kg, einschließlich etwa 4,5 kg Plutonium-238 in Form von 24 gepreßten Pu-238-Oxid-Kugeln. Damit wird genug Hitze erzeugt (etwa 2,4 kW), um zunächst ca. 157 W elektrische Leistung zu liefern, die sich danach alle 87,7 Jahre halbiert. Zur Umwandlung der Zerfallswärme des Plutoniums in elektrische Energiewerden 312 Silizium-Germanium-Thermoelemente (SiGe) verwendet.

Die später verwendeten Systeme werden Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) genannt und können sowohl im Vakuum des Weltraums oder in Planetenatmosphären eingesetzt werden. Sie sind mit rund 4,8 kg Pu-238 ausgestattet, was einem Satelliten eine Lebensdauer von mindestens 14 Jahren verschafft.

Daneben arbeitet die NASA an einem fortgeschrittenen Stirling-Radioisotopgenerator (Advanced Stirling Radioisotope Generator, ASRG), der ebenfalls die Zerfallswärme von Plutonium-238 in Strom wandelt, jedoch nicht mit Thermoelementen. Stattdessen bewirkt die Zerfallswärme, daß Gas expandiert und einen Kolben zum schwingen bringt. Dies bewegt einen Magneten innerhalb einer Drahtspule über 100-mal pro Sekunde vor und zurück – und erzeugt damit die Elektrizität für das Raumfahrzeug. Aufgrund der effizienten Konvertierung des Stirling-Zyklus mit einem Wirkungsgrad von 20 – 30 % ist die erzeugte Strommenge von etwa 130 W größer als die der MMRTGs, und dies bei etwa halbem Bedarf an Plutonium-238. Bislang sind noch keine Missionen vorgesehen, bei denen der für eine Lebensdauer von 14 Jahren konzipierte ASRG verwendet werden soll. Wegen des Risikos durch die bewegten Teile des ASRG-Generators plant die NASA, diesen zuerst bei einer preiswerten Mission zu testen.

Übrigens wird auch der im August 2012 auf dem Mars gelandete, 900 kg schwere NASA-Rover Curiosity (Mars Science Laboratory) durch eine Radionuklidbatterie versorgt. Zusätzlich hat er noch zwei Li-Io-Akkus für kurze, energieintensive Aktionen.

Eine der ersten terrestrischen Anwendungen von RTGs erfolgt auf der unbewohnten Felsinsel Fairway Rock in der Beringstraße, Alaska, wo die Marine im Jahr 1966 eine damit betriebene Umweltüberwachungseinrichtung installiert, die bis 1995 verwendet wird.

In der UdSSR sind RTGs, zumeist auf der Basis von Strontium-90, auch für die Versorgung von Leuchttürmen und Befeuerungen in entlegenen Regionen eingesetzt worden, insgesamt rund 1.000 Stück, die zum Teil noch heute im Einsatz sind. In den Jahren 2003 bis 2005 gibt es hier mehrere Fälle von Vandalismus, bei denen das radioaktive Material teilweise freigesetzt wird.

Daß sich RTGs lange Zeit nicht in kleinem Maßstab bauen lassen, behindert ihre breitere Anwendung. In den physischen Größenordnungen mikro-elektromechanischer Systeme (micro electro mechanical systems, MEMS) wird das Verhältnis zwischen der Oberfläche des Objekts und seinem Volumen sehr groß. Die relativ große Oberfläche verhindert jedoch eine ausreichende Reduzierung von Wärmeverlusten, wodurch die Arbeitstemperatur zum Betreiben eines RTG nicht aufrechterhalten werden kann.

Eine Ausnahme bilden Herzschrittmacher, die ebenfalls mit Pu-238 betrieben werden, bevor es kleine und langlebige Batterien gibt. In Westdeutschland beispielsweise werden zwischen 1971 und 1976 insgesamt 284 Patienten Herzschrittmacher implantiert, die jeweils 200 mg Plutonium enthielten. Was erst beim Ableben der betreffenden Personen zu einem Problem wird, weil die Träger nirgendwo registriert sind – ebensowenig wie Einwanderer, z.B. aus der ehemaligen UdSSR, die ebenfalls derartige Batterien in der Brust tragen. Dort wurden diese bis Mitte der 1980er Jahre implantiert. Anderen Informationen zufolge verzeichnete das seit 1982 existierende Herzschrittmacher-Register in Deutschland 2011 nur noch zwei lebende Personen, denen 1972 Herzschrittmacher mit Plutonium-238 implantiert wurden und die diese noch in sich trugen.

In den darauf folgenden Dekaden experimentiert in Deutschland die bereits 1956 gegründete Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt (GKSS) mit einer 23 m tief versenkten Radionuklid-Batterie, und auch die Firmen MBB und Siemens arbeiteten daran, die Zerfallswärme radioaktiver Isotope für eine entsprechende Batteriekonstruktion zu nutzen, die später zwar nicht für Kraftfahrzeuge, aber sehr gut für automatische Wetterwarten, Signalbojen u.ä. geeignet ist. Bislang habe ich leider noch keine Details über diese Arbeiten finden können.

Erst in den letzten Jahren wird Nuklearbatterien wieder neues Interesse entgegengebracht. Forschungsgruppen der Cornell University und der University of Wisconsin-Madison arbeiten beispielsweise an nuklearen Mikrobatterien, die ihre Energie aus dem radioaktiven Zerfall künstlicher Radioisotope wie Nickel-63 oder Tritium beziehen (eine radioaktive Form des Wasserstoffs). Eine winzige Menge Nickel-63 (Halbwertszeit ca. 100 Jahre) oder Tritium (Halbwertszeit 12 Jahre) reicht aus, um ein MEMS über eine lange Zeit zu betreiben. Dabei dringen die während des Zerfalls freigesetzten Beta-Partikel in den meisten Feststoffen und Flüssigkeiten nicht mehr als 25 Mikrometer tief ein, so daß die Batterie auch in einer einfachen Plastikverpackung sicher ist.

Als kommerzielle Anwendungsbereiche gelten Mobiltelefone oder PDAs. Die kleinen Nuklearbatterien können zwar nicht genug Strom liefern, um deren Betrieb selbständig aufrecht zu erhalten, aber durch die Bündelung mehrerer Einheiten kann deren Ladungen in eine konventionelle chemische Batterie eingespeist werden, was den Betrieb dieser Batterie ohne erneutes externes Aufladen über Monate gewährleistet – oder es sogar gänzlich überflüssig macht.

Ein enthusiastischster Unterstützer der Energiequellen-Miniaturisierung ist die Defense Advanced Projects Agency (DARPA) in den USA, die bereits von zahlreichen Anwendungen auf dem Schlachtfeld träumt. Sich selbst mit Energie versorgende, nur zuckerwürfelgroße Sensoren könnten über das Gelände verstreut werden, um dort über Monate Bodenvibrationen und Temperaturschwankungen aufzuzeichnen und die Daten an tieffliegende Flugkörper zu senden. Ebenso sollen nukleare MEMS zur Energieversorgung sensorbestückter Überwachungs-Drohnen eingesetzt werden.

Die im September 2004 vorgestellten nuklearen Mikrobatterien benötigen keine Betankung oder Wiederbeladung. Die Effizienz der Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie ist ebenso wie bei großen Kernkraftwerken äußerst gering (ca. 4 %), aber die extrem hohe Energiedichte des radioaktiven Materials macht trotzdem eine signifikante Energieerzeugung möglich. Im Rahmen des Projekts Radio Isotope Micro-power Sources, das Teil eines neuen DARPA-Programms ist, wird nun daran gearbeitet, die Effizienz auf 20 % zu erhöhen.

Eine weitere Sonderform der nuklearen Mikrobatterien, die mit DARPA-Mitteln an der Cornell University entwickelt wird, wandelt die Energie der emittierten Teilchen der radioaktiven Quelle direkt in elektrischen Strom um, indem eine kleine Menge Nickel-63 in die Nähe einer Silizium-p-n-Sperrschicht – d.h. einer Diode – plaziert wird. Die beim Zerfall zu Kupfer emittierenden Beta-Partikel ionisieren die Atome in der Diode, worauf die gebildeten Elektronenpaare und -löcher von der Sperrschicht weg fließen und damit einen Strom produzieren. Mit 0,1 Millicurie Nickel-63 können ca. drei Nanowatt erzeugt werden, ausreichend für Applikationen wie nanoelektrische Speicher und einfache Prozessoren für ökologische oder militärische Sensoren.

Sehr interessant sind auch die radioaktiven piezoelektrischen Generatoren, welche die Elektrizität indirekt produzieren, da die Strahlungsenergie hier zunächst in mechanische Energie und erst dann in oszillierende elektrische Pulse umgewandelt wird.

Infolge der gepulsten Energieabgabe ist die unmittelbare Leistung viel höher als bei direkter Wandlung. Bei diesem System treten die Beta-Partikel aus der radioaktiven Quelle (Nickel-63-Film) aus und treffen auf eine Kupfer-Folie, in der sie sich ansammeln und die sie negativ aufladen. Die elektrostatische Anziehung zwischen der Kupfer-Folie und der radioaktiven Quelle verbiegt den Silizium-Ausleger mit der auf seiner Oberseite angebrachten piezoelektrischen Platte soweit, bis die Kupfer-Folie die radioaktive Quelle berührt. Nun fließen die Elektronen zurück und die Anziehung endet, worauf der Ausleger zurückschnellt und dabei in Schwingungen versetzt wird. Diese mechanische Belastung verschiebt wiederum die Ladungsverteilung innerhalb der piezoelektrischen Kristallstruktur und erzeugt so einen elektrischen Strom.

Dieser Lade/Entlade-Zyklus des Auslegers wiederholt sich kontinuierlich. Die erzeugten elektrischen Pulse können gleichgerichtet und geglättet werden, um Gleichstrom zu erzeugen. Das Ein-Ausleger-System generiert Pulse mit einer Spitzenleistung von 100 Milliwatt, doch mit einer Erhöhung der Anzahl von Auslegern und deren Schaltung in Reihe kann die Menge der erzeugten Energie stark erhöht werden. Schon 2004 wird ein briefmarkengroßes Array mit einer Million Auslegern entwickelt.

In einer weiteren Variante wird am Ausleger ein magnetisiertes Material befestigt, so daß durch dessen oszillierende Bewegungen innerhalb einer Spule Elektrizität erzeugt werden kann. Doch auch eine direkte Nutzung der mechanischen Energie ohne Umweg über die Elektrizität ist möglich, da die Bewegung von auf Auslegern basierenden Systemen MEMS-Motoren, -Pumpen und andere mikro-mechanische Geräte betreiben können.

Eine Herausforderung bildet allerdings die Verfügbarkeit preiswerter Radioisotope, die einfach in elektronische Geräte integriert werden können. Ein Millicurie Nickel-63 kostet ca. 25 US $, viel zu viel für eine Massenfertigung (Stand 2008). Eine preiswerte Alternative ist Tritium, das in einigen Kernreaktoren in großen Mengen als Nebenprodukt anfällt. Die für eine Mikrobatterie benötigte Menge würde in diesem Fall nicht mehr als einige Cents kosten.

Bei der Recherche zur Aktualisierung dieser Angaben muß ich allerdings feststellen, daß das Cornell-Team bis 2010 keine besonderen Fortschritte gemacht hat. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet eine Forschergruppe um Amit Lal an der Anpassung eines MEMS, um Strom für die künstlichen Fluginsekten eines entsprechenden DARPA-Projekts zu erzeugen. Die aktuellen Modelle liefern 5 mW für 10 Mikrosekunden, was ausreicht, um als WLAN-Knoten zu agieren. Die Effizienz beträgt allerdings nur 0,06 %. (Über einen überraschenden Projektvorläufer der CIA aus den 1970er Jahren berichte ich übrigens in einem der Kapitelteile zu den Elektro- und Solarflugzeugen, s.d.).

An der University of Rochester in New York wiederum wird im Jahr 2005 eine verbesserte kleine Nuklearbatterie präsentiert, deren erste Prototypen schon 10 Mal effizienter sind als die bisherigen Modelle, wie sie z.B. in U-Booten eingesetzt werden.

Die hierbei verwendete Technik der Betavoltaik existiert zwar bereits seit einem halben Jahrhundert, doch mit einer neu entwickelten Technologie, bei der die vorhandene Technik von zweidimensionalen auf dreidimensionale Modelle mit etwa 160-facher Fläche umgestellt wird – während gleichzeitig bei den chemischen Prozessen auf Entwicklungen aus der Solartechnik zurückgegriffen wird, soll sich aus den selben Effekten wesentlich mehr Energie gewinnen lassen.

So können die neuen Batterien mit den gleichen technischen Einrichtungen produziert werden, mit denen man Chips herstellt. Statt Schaltungen einzuätzen, werden allerdings 40 Mikron tiefe Löcher in Silizium gebohrt, in denen die Energieumwandlung stattfindet.

Die Forscher um Prof. Philippe Fauchet hoffen nun, mit weiteren Verfeinerungen dieses Prototyps eine sogar 200-fache Effizienz erreichen zu können. Die Lebensdauer wird mehrere Dekaden betragen. Die Forschungen werden von der National Science Foundation (NSF) gefördert. Mehr darüber findet sich unter Betavoltaische Batterie.

Auf dem Frühlingstreffen 2008 der Materials Research Society in San Francisco stellen Liviu Popa-Simil, ein früherer Nuklearingenieur und 2007 Gründer der Entwicklungsfirma LAVM LLC, in Los Alamos, New Mexico, sowie Claudiu Iulian Muntele von der Alabama A&M University, ein neues und hocheffizientes Material vor, das Nuklearstrahlung direkt in Strom umwandelt. Grundlage bilden Versuche, die in den 1960er Jahren in den USA und in der damaligen Sowjetunion mit thermoelektrischen Materialien durchgeführt worden waren. Die beiden genannten beantragen im Januar 2008 ein Patent unter dem Titel ,Nano-structured nuclear radiation shielding’ das im November 2011 auch erteilt wird (US-Nr. 8.067.758), weitere Anträge und Patente lassen sich in den Datenbanken finden.

Dabei geht es um Schichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die mit Gold belegt und von Lithiumhydrit umgeben sind, und die bis zu 20 Mal mehr Energie liefern sollen als die üblichen thermoelektrischen Materialien. Wenn die radioaktiven Partikel mit dem Gold zusammenstoßen, schlagen sie aus diesem hochenergetische Elektronen heraus, welche durch die Nanoröhrchen in das Lithiumhydrit abfließen, von wo aus sie mittels Elektroden abgenommen werden. Bis solche Strahlungskonverter allerdings in Raumfahrzeugen zum Einsatz kommen, wird den Entwicklern zufolge aber noch mindestens eine Dekade vergehen.

 

Im April 2008 stellt das im Vorjahr in Santa Fe, New Mexico, gegründete Unternehmen Hyperion Power Generation Inc. (später in Denver, Colorado) das Konzept eines transportablen Nuklearreaktors vor, der ohne bewegliche Teile auskommt und deshalb manchmal auch als nukleare Batterie bezeichnet wird. Das Patent geht auf den Wissenschaftler Otis Peterson im Jahr 2003 zurück, und Hyperion erwirbt vom Los Alamos National Laboratory (LANL) eine Exklusivlizenz über diese Technologie. Investitionsmittel erhält das Unternehmen, das die Technologie auch für den privaten Sektor marktreif machen will, von der Altira Group LLC aus Denver, Colorado.

Bereits Ende 2012 soll in New Mexico eine Anlage zur Herstellung einer Erstserie von 4.000 Stück dieser mit Uranhydrit befüllten und von einer Wasserstoff-Atmosphäre umgebenen Mini-Atomreaktoren errichtet werden. Möglicherweise ist es ganz vorteilhaft, daß es dann doch nicht so schnell geht.

Das einzelne Hyperion-Modul ist nur wenige Meter groß, soll tief in der Erde vergraben werden und liefert 70 MW thermische und - mittels einer Dampfturbine - 25 MW elektrische Energie, und . Der Firma zufolge ist es in der Lage, 10.000 Haushalte 10 Jahre lang mit Strom und Wärme zu versorgen, und dies „Nahezu wartungsfrei” und (natürlich) „Absolut sicher!”.

Im März 2012 wird die Firma in Gen4 Energy Inc. umbenannt und gibt bekannt, daß sie einen Genehmigungsantrag gestellt habe, um auf dem Savannah River Testgelände des Department of Energy in South Carolina ihr erstes Gen4 Modul-Kernkraftwerk zu bauen.

Ein weiteres Startup, das auf Kernenergie setzt, ist die Firma TerraPower LLC in Bellevue, Washington, die das Design eines Laufwellen-Reaktors verfolgt und ab 2010 Bill Gates als Investor zählt. Da es in beiden Fällen um Technologien geht, die sich kaum noch dem Begriff Batterie zuordnen lassen, werde ich mich nicht weiter damit beschäftigten.

Im Dezember 2008 berichten Paul Engel und seine Kollegen von der Rice University in Houston, Texas, daß sie das Problem der extrem niedrigen Effizienz bei der Nutzung von Tritium gelöst haben. Daß bislang nur ein kleiner Bruchteil der emittierten Elektronen in Strom umgewandelt werden konnte, lag daran, daß die Elektronen von ihren Startplatz im Tritiumkern nicht weit reisen. Die meisten landen in dem radioaktives Material selbst und erreichen nie die benachbarten Halbleiter.

Nun gelingt es den Forschern, diese Batterien mittels der dünnen Schicht eines flüssigen Polymers, der die Isotope enthält, effizienter zu machen. Das Polymer kann auf die Oberfläche eines porösen Halbleiters aufgebracht werden, wobei eine sehr dünne Schicht des radioaktiven Materials entsteht, das in die Poren eindringt. Dies minimiert den Abstand zwischen den zerfallenden Kernen und dem Halbleiter, so daß sich Elektronen viel eher eingefangen und in Strom verwandeln lassen.

Die Verwendung von dünnen Schichten bedeutet aber auch, daß diese Batterien in einer Vielzahl von Formen hergestellt werden können, so auch als dünne Bleche. Die von Tritium und ähnlichen Materialien ausgehende Beta-Strahlung ist leicht zu begrenzen. Auch wenn das Gehäuse einer Batterie defekt wird, hält die enge Verbindung zwischen dem Polymer und dem Halbleiter das radioaktive Material fest an seinem Platz.

In ihrem Patent (WO-Nr. 2008101069) beanspruchen Engel und seine Miterfinder (darunter auch L. Gadeken von der Betavoltaik-Firma BetaBatt Inc., s.d.), daß die resultierenden Batterien eine ganze Reihe von Anwendungen haben – entweder als alleinige Energiequellen oder als Erhaltungsladegerät (Trickle-Charger), das normale chemische Batterien länger halten läßt.

Ein Forscherteam um Jae Kwon und J. David Robertson von der University of Missouri stellen im Oktober 2009 eine winzige Radionuklidbatterie vor, die ihren Angaben zufolge über Millionen mal mehr Leistungskraft verfügt als herkömmlichen Batterien.

Diese Atombatterie kann praktisch ewig verwendet werden, denn die etwa münzengroßen Energiespeicher weisen eine Laufzeit von bis zu mehreren hundert Jahren auf. Auch bei diesemr Batterietyp wird  die thermische Energie, die durch den radioaktiven Zerfall der Radioisotope freigesetzt wird, in elektrische Energie umgewandelt, wobei die Innovation hinter der neuen Atombatterie nicht nur in ihrer winzigen Größe, sondern auch in den integrierten Halbleitern liegt.

Der kritische Teil beim Betrieb einer radioaktiven Batterie ist nämlich die Strahlungsenergie, welche die Gitterstruktur eines festen Halbleiters beschädigen kann. Anstatt eines festen Halbleiters verwenden die Wissenschaftler daher einen flüssigen, bei dem sich dieses Problem minimiert. Nun soll die Batterie weiter getestet und auch ihre Leistungskraft noch weiter verbessert werden. Zudem wird angestrebt, sie noch kleiner und sie letzten Endes sogar dünner als ein menschliches Haar zu machen, um sie vor allem in Mikrosystemen (MEMS) und den noch kleineren nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) zum Einsatz zu bringen.

Unter dem Begriff Thorium-Plasma-Batterie kursiert im  Jahr 2010 eine Meldung, der zufolge ein Erfinder, der fast 12 Jahre lang daran gearbeitet und dabei rund 150.000 $ investiert hat, eine neue Art ,grüner’ Batterie zu entwickeln, durch einen vom US-Department of Defence erwirkten Gerichtsbeschluß daran gehindert wird, über seine Erfindung zu sprechen. Diese soll nämlich nur für militärische Anwendungen genutzt werden. Es sei Danny, einem ehemaligen Reservisten der Air Force aus Kalifornien, noch nicht einmal erlaubt, seinen richtigen Namen zu nennen - im Namen der nationalen Sicherheit. Agenten der Regierung konfeszieren alle seine Notizen, Zeichnungen, Prototypen und sogar seine Computer-Festplatte, außerdem werden seine Patente als Geheimsache erklärt.

Den wenigen Informationen zufolge soll das Gerät auf der Grundlage von abgestrahlten Isotopen und einem magnetischen Feld arbeiten, sehr kompakt sein und für 5 - 7 Jahre eine stetige und konstante Leistung mit einer Effizienz von über 90 % abgeben. Eine Batterie von der Größe einer Zigarettenschachtel sei ausreichend, um einen Fernseher oder Elektro-Roller mit Strom zu versorgen, und in der Größe eines Schuhkartons könne sie ein kleines Elektroauto 13 Monate lang non-stop betreiben. Die Batterie-Prototypen seien anschließend bei den Sandia National Laboratories gelandet, wo mehrere Prototypen gefertigt und für Feldversuche an die NASA, Navy, Army und Air Force verteilt wurden.

Es scheint, daß Einzelerfinder dieses Batterie-Typs sowieso recht gefährlich leben. Im Jahr 2007 soll ein weiterer Pionier, ein amerikanischer Wissenschaftler mit holländischen Wurzeln namens Arie Melis DeGeus, auf dem Parkplatz des Charlotte Douglas International Airport in North Carolina tot in seinem Wagen aufgefunden worden sein, von wo aus er nach Europa fliegen wollte, um dort einen Multi-Millionen-Dollar-Vertrag zu unterzeichnen. Immerhin sind seine Patente noch Online einsehbar, daunter auch eines mit dem Titel ,Method and Apparatus for the Production of so called "Fractional Hydrogen" and Associated Production of Photon Energy’  (WO-Nr. 0231833), für das auch ein Europäischer Patentantrag eingereicht wurde (EP-Nr. 1322547).

In einige Berichten über seine Plasmavolt genannte Batterie-Erfindung wird diese als ein IEC-Fusion-Generator beschrieben, die einen rotierenden Plasma-Wirbel verwendet, um die Fusion zwischen Leichtmetallkernen (Lithium, Beryllium und Bor) zu erreichen. Die IEC-Methode (Inertial Electrostatic Confinement = Elektrostatischer Trägheitseinschluß) kann ein Plasma hoher Dichte und hoher Ionenenergie alleine oder mit Hilfe eines elektrischen Feldes erzeugen.

Dimitri Petronov wiederum, ein russischer Erfinder, der eine Plasma-Batterie von der Größe einer Schuhschachtel erfunden haben soll, die sein ganzes Haus und alle Geräte über ein Jahr lang mit Strom versorgt, ohne dabei ein einziges Mal aufgeladen werden zu müssen, verschwindet im Jahr 2010 mitten in Moskau, nur wenige Wochen nach der Demonstrationen seiner 3 Jahre haltenden Batterie vor Generälen einer russischen Militärbasis. Man darf gespannt sein, was in den nächsten Jahren diesbezüglich noch alles aufgedeckt wird.

Im März 2013 berichten die Fachblogs von einem Nuklearbatterie-Konzept, dessen Entwicklung von Prof. Phil Walker an der britischen University of Surrey vorangetrieben wird, der dabei mit einem internationalen Team zusammenarbeitet. Auch hier wird von bis zu einer Million mal mehr Energie im Vergleich zu herkömmlichen Batterien gesprochen.

Durch das Einfangen von geladenen Teilchen in einem speziellen Speicherring am Beschleunigerlabor der GSI in Darmstadt, Deutschland, ist zum ersten Mal die direkte Beobachtung eingeschlossener Energiezustände möglich, wodurch die Experten ein langjähriges Problem der mangelnden Übereinstimmung mit der Theorie lösen können, nämlich die Grundstruktur des instabilen Isotops Bismut (Bi-212) zu verstehen. Nun kann die Theorie zuverlässig verwendet werden, um andere Eigenschaften dieses Isotops vorherzusagen, was auf Möglichkeiten hinweist, die gefangene Energie auch freisetzen zu können.

Die nächsten Schritte des Experimentierens sollen auf längere Sicht zu einer steuerbaren Form der ,eingeschlossenen’ Kernenergie führen, mit der Fähigkeit, diese Energie auf Anforderung freizugeben.

Anm.: Möglicherweise handelt es sich bei der sogenannten Kammler-Batterie ebenfalls um eine Nuklearbatterie (s.d.).

Organische Radikalbatterie

Sekundäre organische Batterien werden bereits in den 1970er Jahren erstmalig erwähnt, wobei der damalige Ansatz von Heerer et al. auf Polyacetylen basiert, das im dotierten Zustand leitfähig ist. Erste Versuche Ende der 1980er Jahre, kohlenstoffhaltige Polymere als aktives Elektrodenmaterial in Batterien zu verwenden, scheitern jedoch. Als Radikale bezeichnet man Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron, die meist besonders reaktionsfreudig sind. Basieren sie auf organischen Verbindungen, spricht man von organischen Radikalen.

Die weitere Entwicklung der Organic Radical Battery (ORB) führt zu Polymeren als Matrix, welche mit einer Vielzahl von redoxaktiven Seitengruppen einen Ladungstransport durch das sogenannte ‚Electron-Hopping’ entlang der aktiven Seitengruppen gewährleisten. Heute existieren gleich mehrere Polymerklassen, die Strom speichern können, und die Redoxpolymere besitzen ein definiertes und stabiles Redoxpotenzial.

Forscher der japanischen NEC Corp. schlagen bereits im Jahr 2001 die Verwendung einer organischen Radikal-Verbindung als aktives Elektrodenmaterial vor.

Im Jahr 2005 wird von NEC dann eine sehr dünne und biegsame Batterie auf Basis von organischen Radikalen vorgestellt, die um den Faktor 1,4 leistungsfähiger und dabei auch noch signifikant zuverlässiger sein soll als herkömmliche Batterien. Das Material dieser ORB-Zelle, die pro Quadratzentimeter 1 mWh  leistet, besteht aus einem umweltneutralen Gel-Elektrolyten.

Bis 2012 erreichen die von NEC gebauten ORB-Prototypen die Größe einer Münze, sind mit 0,3 mm dünn genug, um mit Standard-IC-Karten kompatibel zu sein, verfügen aber bereits über eine Kapazität von 5 mAh. Ein mögliches Einsatzgebiet sind die LED-Blitze von Handy-Kameras. NEC gibt für seine ORBs eine Blitzfolge von zehn unmittelbar aufeinander folgenden Blitzen an – und dies bei bis zu 20.000 Wiederholungen.

Ein Akku mit einem Gewicht von 88 g und Abmessungen von nur 55 x 43 x 4 mm soll bis zu 35 W bereitstellen und in der Lage sein, mit vier in Reihe geschalteten Einheiten kurzzeitig einen typischen 140 W PC zu versorgen und diesen im Falle eines Stromausfalls sogar selbständig herunterzufahren.

Das Geheimnis der Batterie liegt im Material der Kathode, die aus einem Nano-Komposit besteht. Zu dessen Herstellung wird ein festes Material aus organischen Radikalen in ein Polymergel umgewandelt und dann mit Kohlenstoff kombiniert. Die dünne Ausführungsform wird durch eine spezielle Drucktechnologie ermöglicht, die es erlaubt, die negativen Elektroden direkt auf den Leiterplatten auszubilden.

Äußerlich sind die NEC-Batterien mit einem Polymerfilm von 0,05 mm Dicke umhüllt. Die ORB-Batterie-Prototypen weiten eine Energiedichte von 5 kW/l auf und zeigen, daß die Batterien nach 500 Zyklen immer noch 75 % ihrer Anfangs Lade/Entlade-Kapazität halten – was der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien für Mobiltelefone entspricht.

Ob und wann dieser Batterietyp auf den Markt kommt, ist noch ungewiß. Großes Interesse daran besteht jedenfalls, was auch nicht überrascht, da dieser Batterietyp Betriebszeiten von rund 80 Stunden erlaubt und einer Rekordzeit von nur 30 Sekunden vollständig aufgeladen werden kann.

Im April 2007 beschreibt Prof. Gilles Dennler, ehemals tätig am Institut für Organische Solarzellen der Johannes Kepler Universität in Linz, und inzwischen bei dem Solarenergie-Startup Konarka Technologies in Lowell, Massachusetts, beschäftigt, die Entwicklung einer flexiblen Batterie, die nicht mehr aufgeladen werden muß. Sie ist das Ergebnis einer dreijährigen gemeinsamen Forschung von fünf Ländern im Rahmen des European Polymer Solar Battery Project.

Der dabei umgesetzte Trick besteht aus der Kombination einer neuartigen Polymer-Batterie mit einer organischen Dünnschicht-Solarzelle, mit deren Hilfe sich die Batterie ständig selber wiederaufladen kann, sobald sie dem Licht ausgesetzt wird. Prototypen dieser ,Solar-Batterie’ wiegen nur 2 g, sind weniger als 1 mm dick und liefern etwa 0,6 V.

Die organische Solarzelle, die dabei zum Einsatz kommt, ist eine von Konarka selbst entwickelte Kombination aus elektrisch leitenden Polymeren und Fullerenen mit einer Lebensdauer von rund 3.000 Stunden, während die ultra-dünne Lithium-Polymer-Batterie von dem deutschen Forschungspartner VARTA Microbattery GmbH entwickelt wurde, nur 0,1 mm dick ist und mehr als 1.000 Mal wiederaufgeladen werden kann. Einsatz findet sie bereits im neuen iPod von Apple.

Die Rechte an der neuartigen Kombination von Solarzelle und Speicherzelle (wohlgemerkt, eine Innovation, für die es fünf Länder gebraucht hat) liegen bei Konarka, das die Batterie aber nicht selbst vermarkten möchte, warum auch immer...

Im Oktober 2010 beginnen im Rahmen des Polymer Competence Center Leoben (PCCL) am Institut für Chemische Technologie von Materialien (ICTM) der TU Graz dreijährige Forschungsarbeiten, deren Ziel es ist, einen auf Polyradikalen basierenden elektrochemischen Energiespeicher zu entwickeln, wobei in diesem Fall eine Kooperation mit der Firma Varta Micro Innovation GmbH erfolgt.

Die Motivation dafür ist nachvollziehbar: Organische Radikal-Batterien haben gegenüber anderen Batterietypen wesentliche Vorteile, wie ihre hohe Strombelastbarkeit, eine hohe Leistungsdichte und kurze Ladezeiten, eine hohe Zyklenlebensdauer von mehr als 1.000 Zyklen und eine ebenfalls hohe Lade/Entladekapazität von ca. 200 mAh/g. ORB sind ferner ungiftig, lassen sich flexibler herstellen als bisherige Stromspeicher und einfacher entsorgen. Auch das Aufdrucken dieses Batterietyps auf Grußkarten oder Werbeverpackungen ist mit Inkjet-Druckern oder dem Siebdruck möglich.

Im Jahr 2012 wird auch an der Friedrich Schiller Universität Jena (FSU) und dem mit ihr eng kooperierenden Fraunhofer IKTS in Hermsdorf/Dresden an der Entwicklung organischer Radikalbatterien als Stromspeicher für geringere Energiemengen gearbeitet.

Die Forschergruppe um Martin Hager, die vom Freistaat Thüringen mit über 2 Mio. €  gefördert wird, sieht den besonderen Vorzug dieser Systeme darin, daß dank innovativer Kunststoffe nun auch prinzipiell metallfreie Batterien gebaut werden können.

Ein Ziel ist daher die Entwicklung von neuen Elektrodenmaterialien, welche eine möglichst hohe Kapazität und Zellspannung ermöglichen sollen. Zur Unterstützung dieses Ansatzes werden am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der FSU polymere Materialien für diesen Batterietyp entwickelt.

Um die Entwicklung schneller voranzubringen wird in Jena im August 2012 mit über 14 Mio. € ein gemeinsames Center for Energy and Environmental Chemistry (CEEC) gegründet, das sich in erster Linie mit keramischen und polymeren Materialien für die Energiespeicherung beschäftigen wird. Angestrebt wird in den kommenden Jahren ein Ziel von ca. 100.000 Stunden Lebensdauer pro Zelle.

Die obigen Batterien werden aufgrund ihrer dünnen Struktur häufig als Papier-Batterien bezeichnet. Tatsächlich gibt es einige Akkus, die explizit unter dieser Bezeichnung bekannt werden, und die ich deshalb im Folgenden separat aufführe.

 

Weiter mit den verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen...