Sichere, kompakte Kernbatterie könnte die Energiespeicherung revolutionieren

Nukleare Energie in allem?

Als die Kernenergieerzeugung zu einer praktischen Technologie wurde, weckte sie die Hoffnung, dass die Energie, die bisher nur zur Herstellung weltzerstörender Bomben verwendet wurde, dieselbe Zivilisation auch vor Ressourcenerschöpfung retten könnte.

Da der Klimawandel ein wachsendes Problem darstellt, Kernenergie erlebt eine Renaissance, da sie eine verfügbare, skalierbare und kohlenstoffarme Energiequelle ist, die die Lücke überbrücken könnte, bis erneuerbare Energien & Batterien bereit sind, fossile Brennstoffe zu ersetzen. Und neue Kernkraftwerksdesigns kommen, die sie günstiger, sicherer und flexibler machen können, wie wir in “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power” und “The 4th Generation Of Nuclear Power: Cheaper, Cleaner, Safer” erklärt haben.

Allerdings entsprechen diese großen Kraftwerke nicht der ursprünglichen Vorstellung von Kernenergie in der Science‑Fiction. Führende Denker wie Isaac Asimov waren weitaus ambitionierter und stellten sich miniaturisierte Kernenergie‑Generatoren vor, die in Züge, Autos und sogar kleinere Geräte passen könnten, wodurch die Idee, sie aufzuladen oder nachzutanken, im Wesentlichen überflüssig würde.

Ein Schritt in diese Richtung wird mit der Vorstellung von Kernbatterien unternommen, die klein genug sind, um kleine elektronische Geräte zu betreiben. Und das würde sicher geschehen.

Diese Forschungsarbeit wurde auf dem Frühlingsmeeting der American Chemical Society (ACS) von Su-Il In, einem Professor am Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Südkorea), unter dem Titel “Next generation battery: Highly efficient and stable C14 dye-sensitized betavoltaic cell” vorgestellt.

Quelle: Asia Research News

Die Batterielimitierung

Die meisten heutigen elektronischen Geräte sind in ihrer Kapazität durch ihre Batterie begrenzt, die meist Lithium‑Ion‑Technologie verwendet. Das gilt für Smartphones, Drohnen, Sensoren usw.

Zusätzlich ist der Abbau von Lithium ein umweltzerstörender Prozess, und Lithium könnte in Zukunft zu einem Schadstoff werden.

Wissenschaftler haben daher schon lange die Alternative der Nutzung radioaktiven Zerfalls in Betracht gezogen, ein Prozess, der Hunderte oder sogar Zehntausende von Jahren dauert, als bessere Alternative, die überhaupt kein Nachladen der Geräte erfordern würde.

Allerdings müssten, da solche Geräte radioaktiv wären, die strengsten Sicherheitsstandards eingehalten werden.

Beta‑Radioaktivität

Es gibt viele verschiedene Formen von Radioaktivität. Von diesen ist der Gamma‑Zerfall der gefährlichste, da er sehr starke Gammastrahlen aussendet, die Krebs und andere Schäden verursachen können.

Quelle: Compound Chem

Alpha‑ und Beta‑Zerfälle sind deutlich weniger gefährlich, und die radioaktiven Emissionen können mit einer dünnen Aluminiumschicht oder sogar nur Papier gestoppt werden.

Quelle: Western Oregon University

Auswahl des richtigen Isotops

Welche radioaktive Aktivität auftritt, hängt vom radioaktiven Element und seinen Isotopen ab, sodass einige Energiequellen viel sicherer sind als andere. Aus diesem Grund wären Materialien wie Uran für kleine Kernbatterien nicht geeignet.

Carbon‑14, ein natürlich vorkommendes Kohlenstoffisotop, das häufig bei Datierungstechniken verwendet wird, wäre jedoch geeignet.

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass Carbon‑14 ohnehin von der bestehenden Flotte von Kernkraftwerken produziert wird, was es preisgünstig, leicht verfügbar und einfach zu recyceln macht. Abschließend,

„Ich habe mich entschieden, ein radioaktives Kohlenstoffisotop zu verwenden, weil es nur Betastrahlen erzeugt. Und weil Radiokohlenstoff sehr langsam abgebaut wird, könnte eine radiokohlenstoffbetriebene Batterie theoretisch Jahrtausende halten.“

Prof. Su-Il In – Professor am Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Betavoltaik‑Technologie

Die Nutzung des Betazerfalls zur Stromerzeugung ist kein völlig neues Konzept und ist als Betavoltaik bekannt, bei der ein Betateilchen Photonen in klassischen Photovoltaikzellen ersetzt.

Bei der Betavoltaik trifft ein Elektron anstelle eines Photons auf einen Halbleiter, was zur Erzeugung von Strom führt.

Dieses Halbleitermaterial ist der entscheidende Teil, da seine Effizienz die Gesamteffizienz der Energieumwandlung bestimmt. Bisher waren Betavoltaik‑Halbleiter entweder sehr ineffizient oder zu fragil, um so lange zu halten wie Kernbrennstoff.

Titanoxid‑Halbleiter

Prof. In und sein Team verwendeten ein in Solarzellen häufig eingesetztes Material, Titanoxid, und fügten einen ruthenium‑basierten Farbstoff hinzu. Um die Bindung zwischen dem Farbstoff und dem Halbleiter fest genug zu machen, setzten sie eine Zitronensäurebehandlung ein.

Der Ruthenium‑Farbstoff erzeugt, wenn er von einem Betateilchen (einem leistungsstarken Elektron) getroffen wird, eine Kaskade von Elektronentransferreaktionen, die als Elektronenavalanche bezeichnet wird. Das Titanoxid sammelt dann die erzeugten Elektronen und wandelt sie in nutzbaren Strom um.

Behandlung beider Elektroden

Die Forscher entdeckten, dass die Effizienz des Prozesses radikal gesteigert werden kann, indem der Ruthenium‑Farbstoff sowohl auf der Kathode als auch auf der Anode der Kernbatterie aufgebracht wird.

Im Vergleich zu einem früheren Design, bei dem Radiokohlenstoff nur auf der Kathode verwendet wurde, führte dies zu einer deutlich höheren Energieumwandlungseffizienz, die von 0,48 % auf 2,86 % anstieg.

Anwendungen

Da dieses System voraussichtlich zunächst teurer ist als eine herkömmliche Batterie, wird es seine ersten Anwendungen dort finden, wo das Ersetzen oder Aufladen der Energiequelle am nützlichsten ist.

Zum Beispiel könnten Herzschrittmacher und andere medizinische Implantate mit solchen Betavoltaik‑Batterien ein Leben lang betrieben werden.

Sensoren in sensiblen oder feindlichen Umgebungen, wie Kernreaktoren, Fabriken, der Tiefsee oder dem Weltraum, könnten ebenfalls stark von diesem Konzept profitieren.

Weitere Verbesserungen

Diese Technologie und die beeindruckende Steigerung der Effizienz schließen sich an weitere Forschungen an, die versuchen, radioaktiven Zerfall zur Energieerzeugung ohne Kernreaktor zu nutzen. Zum Beispiel haben wir kürzlich die Idee diskutiert, nuklearen Abfall zu verwenden, um eine andere Art von Kernbatterie zu produzieren.

Prof. In schlägt vor, dass weitere Anstrengungen zur Optimierung der Form des Betastrahl‑Emitters und zur Entwicklung effizienterer Betastrahl‑Absorber die Batterieleistung verbessern und die Stromerzeugung steigern könnten.

Insgesamt wird diese Technologie voraussichtlich weiter verbessert, während unser Verständnis von Halbleitern und seltenen Metallen fortschreitet.

Investieren in Kernenergie

Cameco – Westinghouse Electric Company

Im Jahr 2022 entschied sich Cameco, 49 % Kontrolle an Westinghouse zu übernehmen, dem führenden Bauunternehmen für Kernkraftwerke in den USA, zusammen mit einem riesigen Investmentunternehmen, Brookfield (51 % Kontrolle).

Das Unternehmen verfügt über eine massive Sparte für erneuerbare/CO₂‑arme Stromerzeugung in Form von $19 Mrd. Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ). Die Brookfield Corporation (BN ) ist insgesamt ein riesiges Vermögensverwaltungsunternehmen mit fast einer Billion Dollar unter Verwaltung.

Das bedeutet, dass Westinghouse nun auf einen sehr tiefen Kapitalpool zugreifen kann, was für Kernreaktorbauer häufig ein Problem darstellt, da neue Projekte jahrelange Investitionen benötigen, bevor sie Einnahmen generieren.

Obwohl es länger dauert, bis Einnahmen realisiert werden, generiert ein neuer Reaktor, sobald er im Bau ist, für Westinghouse ab dem 6. Jahr nach Entwurfs‑ und Ingenieurstudien Einnahmen und wird dies für die gesamte Bauphase über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren fortsetzen.

Quelle: Cameco

Das Arbeitspferd von Westinghouse ist das bewährte AP1000‑Reaktordesign (6 in Betrieb und 6 im Bau), das den CANDU‑Standard des Unternehmens verwendet, einer der weltweit am häufigsten genutzten.

Es arbeitet außerdem am kleinen modularen Reaktor AP300, der voraussichtlich in der Slowakei, Finnland und Schweden eingesetzt wird, sowie am Mikroreaktor e‑Vinci, was die kontinuierlichen Innovationen des Unternehmens und seine Anpassung an die neuesten Branchentrends veranschaulicht.

Quelle: Westinghouse

Westinghouse spielt eine zentrale Rolle in einem großen Teil der nuklearen Lieferkette. Aufgrund strenger Vorschriften werden solche Teile und Ausrüstungen für jedes neue Kraftwerk, ob traditionell oder SMR, benötigt.

Insgesamt wird selbst wenn das Versorgungsproblem rund um Uran gelöst und die Uranpreise einbrechen, das Eigentum an Westinghouse es Cameco ermöglichen, mindestens mehrere Jahrzehnte vom anhaltenden nuklearen Aufschwung zu profitieren.

Der übrige Teil des Unternehmens Cameco ist ein Uranbergbauunternehmen, das voraussichtlich ebenfalls vom anhaltenden Aufschwung der Kernenergie profitieren wird. Seine wichtigsten Bergbauanlagen befinden sich in Kanada und Kasachstan.

Historisch gesehen haben Uran- und Kernreaktorunternehmen unter der Angst vor nuklearen Katastrophen und Bedenken hinsichtlich nuklearer Abfälle gelitten.

Da neuere und sicherere Designs reifen und nukleare Abfälle zu einer wertvollen Ressource statt zu einem Problem werden, sollte dies kein Problem mehr darstellen. Dies schließt die Produktion von Carbon‑14 für Betavoltaik ein, die zu einer zusätzlichen Produktion in Westinghouse‑Kraftwerken werden könnte.

Zusätzlich wird die Forderung nach mehr CO₂‑armen Energiequellen, während erneuerbare Energien das Problem der intermittierenden Produktion, insbesondere im Winter, noch nicht vollständig lösen, der Kernenergie zu einem kraftvollen Comeback verhelfen.

(Wenn Sie mehr an dem Potenzial der Nachfrage nach den in dieser Studie verwendeten Elementen interessiert sind, können Sie auch unseren Bericht über Investitionen in Titan konsultieren)

Neueste Nachrichten zu Cameco-Westinghouse Electric Company