Eine Energiequelle, die länger hält als jede Zivilisation
Stellen Sie sich ein Gerät vor, das nie aufgeladen werden muss. Kein einziges Mal in Ihrem Leben. Auch nicht im Leben Ihrer Kinder, Enkel oder sogar Urenkel. Diese Vision wurde im Dezember 2024 von Science-Fiction zur Realität im Labor, als Forscher der University of Bristol und der britischen Atomenergiebehörde einen Prototyp vorstellten, der alles infrage stellt, was wir über Energiespeicherung zu wissen glauben.
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Die Kohlenstoff-14-Diamantbatterie erzeugt durch radioaktiven Zerfall Strom. Die Halbwertszeit beträgt 5.700 Jahre. Das bedeutet, dass das Gerät auch nach fast sechs Jahrtausenden noch die Hälfte seiner ursprünglichen Leistung erbringt – lange genug, um die Kluft zwischen antiken Zivilisationen und moderner Technik zu überbrücken. Anders als Lithium-Ionen-Akkus, die innerhalb weniger Jahre an Leistung verlieren, oder Solarmodule, die auf Sonnenlicht angewiesen sind, arbeitet diese Energiequelle kontinuierlich und ist im härtesten natürlich vorkommenden Stoff der Erde eingeschlossen.
Professor Tom Scott, Professor für Materialwissenschaften an der University of Bristol, leitet das Team hinter dieser Innovation. Seine Forschungsgruppe entwickelt seit Jahren Verfahren, um radioaktive Materialien in nützliche Energiequellen umzuwandeln. Das Ergebnis ist dieser Machbarkeitsnachweis, der unser Verständnis davon verändern könnte, wie Geräte in schwer zugänglichen Umgebungen mit Strom versorgt werden. Die Ankündigung ist ein wichtiger Meilenstein in der Forschung zu Kernmaterialien: Sie zeigt, dass Abfallprodukte aus Spaltreaktoren zu wertvollen Ressourcen statt zu Belastungen werden können.
Die Lebensdauer der Batterie sprengt herkömmliche Vorstellungen von Energiespeicherung. Moderne wiederaufladbare Batterien halten in der Regel 500 bis 1.000 Ladezyklen aus, bevor sie deutlich an Leistung verlieren. Das diamantbasierte Gerät würde hingegen noch dann nutzbare Energie liefern, wenn historische Aufzeichnungen aus unserer Zeit längst zu archäologischen Kuriositäten geworden sind. Die zugrunde liegende Physik des Kohlenstoff-14-Zerfalls sorgt für eine uhrwerkartige Zuverlässigkeit, die chemische Batterien nicht bieten können.
Diese Stabilität macht die Technologie besonders wertvoll für Anwendungen, bei denen ein Ausfall ausgeschlossen und Wartung unmöglich ist. Der Prototyp ist nicht nur eine schrittweise Verbesserung der Batteriechemie, sondern stellt grundlegend infrage, wie wir Geräte über Zeiträume von Jahrhunderten statt Stunden mit Energie versorgen könnten.
Wie aus radioaktivem Zerfall Strom wird
Um zu verstehen, wie diese Batterie funktioniert, hilft ein Blick auf die Funktionsweise von Solarmodulen. Herkömmliche Photovoltaikzellen fangen Energie aus Lichtteilchen, den sogenannten Photonen, ein und wandeln sie in Strom um. Die Diamantbatterie funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, der Betavoltaik. Statt Sonnenlicht nutzt sie jedoch die schnellen Elektronen, die beim Zerfall von Kohlenstoff-14 freigesetzt werden.
Kohlenstoff-14 ist ein radioaktives Isotop, das vor allem aus der Archäologie bekannt ist: Wissenschaftler nutzen seine vorhersehbare Zerfallsrate, um das Alter organischer Materialien zu bestimmen. Beim Zerfall sendet das Isotop kurzreichweitige Betastrahlung aus und setzt dabei hochenergetische Elektronen frei. In der Diamantbatterie ist Kohlenstoff-14 in synthetisch hergestellte Diamantschichten eingebettet. Beim Zerfall sendet das Isotop Betateilchen aus, die dank der Halbleitereigenschaften des Diamanten in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Der Diamant erfüllt dabei zwei Aufgaben: Er erzeugt Strom und dient zugleich als undurchdringlicher Strahlenschutz. Da Kohlenstoff-14 nur kurzreichweitige Strahlung aussendet, absorbiert die Diamanthülle sämtliche potenziell schädlichen Emissionen im Inneren. Im Normalbetrieb tritt keine Strahlung aus dem Gerät aus. Damit eignet es sich für medizinische Implantate und Anwendungen im Verbraucherbereich.
Sarah Clark, Direktorin für den Tritium-Brennstoffkreislauf bei UKAEA, erläuterte den Sicherheitsmechanismus der Technologie.
Diamantbatterien bieten eine sichere und nachhaltige Möglichkeit, kontinuierlich Strom im Mikrowattbereich bereitzustellen. Sie sind eine neue Technologie, bei der ein synthetisch hergestellter Diamant kleine Mengen Kohlenstoff-14 sicher einschließt.
Die Prototypbatterien sind etwa 10 Millimeter lang und 10 Millimeter breit; ihre Dicke beträgt bis zu 0,5 Millimeter. Diese kompakte Bauform liefert kontinuierlich Strom im Mikrowattbereich. Das reicht für Geräte mit niedrigem Energiebedarf, liegt aber weit unter dem Bedarf von Smartphones oder Elektroautos.
Atommüll wird zur Energiequelle
Der wohl überzeugendste Aspekt dieser Technologie ist ihr Ausgangsmaterial. Das für die Batterien verwendete Kohlenstoff-14 stammt aus Graphitblöcken, die aus Kernspaltungsreaktoren ausgebaut wurden. Andernfalls müssten diese Materialien als radioaktiver Abfall teuer und langfristig gelagert werden. Allein im Vereinigten Königreich gibt es rund 95.000 Tonnen solcher Graphitblöcke. Sie stellen sowohl eine Herausforderung für die Lagerung als auch eine ungenutzte Ressource dar.
Indem Wissenschaftler Kohlenstoff-14 aus Reaktorgraphit gewinnen, verringern sie zugleich die Menge des Atommülls und schaffen eine wertvolle Energiequelle. Bei dem Verfahren wird das radioaktive Material in synthetischen Diamant eingeschlossen, der mithilfe plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt wird. Ingenieure der UKAEA am Culham Campus bauten eine spezielle Anlage zur Plasmaabscheidung, um diese Diamantschichten präzise herzustellen. So wird das radioaktive Material sicher eingeschlossen und zugleich möglichst viel Energie gewonnen.
Die Herstellungstechnik geht unmittelbar auf die Fusionsenergieforschung zurück. Das bei der UKAEA vorhandene Fachwissen im Umgang mit radioaktiven Materialien, in der Plasmaabscheidung und in der spezialisierten Halbleiterfertigung wurde ursprünglich für Tokamak-Reaktoren entwickelt und floss in das Diamantbatterieprojekt ein. Die Zusammenarbeit zeigt, wie Investitionen in die Grundlagenforschung unerwartete praktische Anwendungen hervorbringen können.
Professor Neil Fox, Professor für Energiematerialien an der University of Bristol, hob die Schutzwirkung der Diamanthülle hervor.
Diamant ist der härteste bekannte Stoff. Es gibt buchstäblich nichts, das besseren Schutz bieten könnte.
Wenn die Batterie schließlich das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht, kann sie zur kontrollierten Wiederverwertung oder Entsorgung an die Hersteller zurückgegeben werden. Das Kohlenstoff-14 bleibt während des gesamten Lebenszyklus sicher eingeschlossen. So werden sowohl der Energiebedarf als auch Umweltbelange berücksichtigt. Ein Gramm Kohlenstoff-14 kann täglich 15 Joule Strom liefern und hält damit Jahrhunderte länger als herkömmliche Batterien.
Wo lange Lebensdauer wichtiger ist als hohe Leistung
Die Diamantbatterie liefert Strom im Mikrowattbereich – deutlich weniger, als Smartphones oder Elektroautos benötigen. In bestimmten Anwendungsbereichen wird diese Einschränkung jedoch zum Vorteil: Dort zählen Langlebigkeit und Zuverlässigkeit mehr als hohe Leistung. Die Technologie eignet sich besonders für Umgebungen, in denen ein Batteriewechsel gefährlich, teuer oder unmöglich ist.
Medizinische Implantate gehören zu den aussichtsreichsten Anwendungsfeldern. Herzschrittmacher, Hörgeräte und Augenimplantate werden derzeit mit herkömmlichen Batterien betrieben, die alle fünf bis zehn Jahre chirurgisch ausgetauscht werden müssen. Jeder Eingriff birgt Risiken wie Infektionen und Komplikationen und erfordert eine Erholungszeit. Eine Diamantbatterie könnte solche Geräte ein Leben lang mit Strom versorgen. Dadurch würden wiederholte Operationen entfallen und die Gesundheitskosten sinken. Für Menschen in abgelegenen Regionen mit eingeschränktem Zugang zu medizinischen Einrichtungen könnte diese lange Lebensdauer lebensverändernd sein.
Auch für die Weltraumforschung bietet sich die Technologie an. Tiefraumsonden und Satelliten verlieren irgendwann den Kontakt zur Erde, wenn ihre Solarmodule nicht mehr genug Sonnenlicht einfangen oder herkömmliche Batterien leer sind. Voyager 1, das am weitesten von der Erde entfernte von Menschen geschaffene Objekt, wird mit herkömmlichen Kernbatterien betrieben, deren Lebensdauer begrenzt ist. Eine Energiequelle auf Kohlenstoff-14-Basis könnte Instrumente und Kommunikationssysteme jahrzehntelang oder sogar jahrhundertelang betreiben und so Missionen ermöglichen, die weit über die heutigen technischen Grenzen hinausgehen.
Funkfrequenz-Tags an Raumfahrzeugen oder Nutzlasten könnten noch Tausende von Jahren ortbar bleiben. Das würde die Betriebskosten senken und die Missionsdauer verlängern. Die Batterie funktioniert ohne Selbstentladung zuverlässig bei Extremtemperaturen von minus 60 bis plus 120 Grad Celsius und eignet sich daher für raue Umgebungen.
Zu den Anwendungen auf der Erde zählen Überwachungsstationen in der Arktis, Unterwassersensoren an Öl- und Gasinfrastruktur sowie Sicherheitsgeräte an schwer zugänglichen Orten. Jedes System, das jahrzehntelang ohne Wartung betrieben werden muss, kommt für diese Technologie infrage. Aktive Funkfrequenz-Tags könnten Geräte auf der Erde oder im Weltraum über Jahrzehnte identifizieren und orten, was die Kosten senken und die Betriebsdauer verlängern würde.
Der globale Wettlauf um Atombatterien
Bristol und die UKAEA sorgten mit dem ersten Kohlenstoff-14-Prototyp für Schlagzeilen, sind aber nicht die Einzigen, die an Kernbatterien arbeiten. Die Technologie hat einen internationalen Wettbewerb ausgelöst: Forschungsteams in China, den USA und Europa arbeiten mit unterschiedlichen radioaktiven Isotopen an der Kommerzialisierung ähnlicher Geräte.
Das chinesische Unternehmen Beijing Betavolt New Energy Technology stellte einen konkurrierenden Entwurf vor, der statt Kohlenstoff-14 Nickel-63 verwendet. Die Anfang 2024 präsentierte Batterie BV100 misst 15 mal 15 mal 5 Millimeter und erzeugt bei 3 Volt eine Leistung von 100 Mikrowatt. Der Ansatz mit Nickel-63 verspricht eine Lebensdauer von 50 Jahren und damit deutlich weniger als Kohlenstoff-14. Betavolt plant jedoch, noch in diesem Jahr eine Version mit einem Watt auf den Markt zu bringen, die durch Reihenschaltung Unterhaltungselektronik mit Strom versorgen könnte.
Auch das kalifornische Unternehmen Infinity Power stieg 2024 mit einer Knopfzelle auf Nickel-63-Basis in den Wettbewerb ein, ähnlich dem Ansatz von Betavolt. Forschende am Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology in Südkorea haben derweil Betavoltaikzellen mit verschiedenen Radioisotopen erprobt, darunter Isotope von Kohlenstoff und Wasserstoff.
Bei Anwendungen, für die eine besonders lange Lebensdauer entscheidend ist, hat das Team aus Bristol einen klaren Vorteil. Nickel-63-Batterien bieten jahrzehntelangen Betrieb und eignen sich für Unterhaltungselektronik. Die Halbwertszeit von 5.700 Jahren bei Kohlenstoff-14 eröffnet dagegen ganz andere Möglichkeiten für Anwendungen mit extrem langer Laufzeit, bei denen Wartung unmöglich ist. Professor Scott gründete das Unternehmen Arkenlight, um Industriepartnerschaften aufzubauen und Marktchancen für die Kohlenstoff-14-Technologie auszuloten.
China konzentriert sich auf eine kurzfristige Kommerzialisierung für die Luft- und Raumfahrt, Geräte mit künstlicher Intelligenz und Mikroroboter. Das britische Team setzt hingegen auf medizinische Geräte und die Erforschung des tiefen Weltraums, wo eine extrem lange Lebensdauer erforderlich ist. Beide Ansätze verfolgen dasselbe Ziel: Wartung und Austausch von Batterien in kritischen Systemen überflüssig zu machen.
Hürden auf dem Weg zur Marktreife
Bevor Diamantbatterien in medizinischen Geräten oder Raumfahrzeugen zum Einsatz kommen, müssen noch erhebliche Hürden überwunden werden. Das gasförmige Ausgangsmaterial für die Herstellung reinen Kohlenstoff-14-Diamanten kostet rund 46.000 US-Dollar pro Liter. Eine Ausweitung der Produktion ist daher wirtschaftlich schwierig. Für die Herstellung sind spezielle Reaktoren zur chemischen Gasphasenabscheidung mit statischer Durchströmung erforderlich, die in Anlagen mit Einrichtungen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen stehen müssen. Das begrenzt die Produktionskapazität.
Auch die Zulassung ist eine komplexe Hürde. Die geschlossene Diamanthülle erleichtert zwar die Sicherheitszertifizierung im Vergleich zu anderen Kerntechnologien, doch jedes Gerät mit radioaktivem Material muss umfassend geprüft und überwacht werden. Für medizinische Anwendungen gelten besonders strenge Anforderungen, damit die Sicherheit der Patienten über Jahrzehnte hinweg gewährleistet ist.
Auch die öffentliche Wahrnehmung beeinflusst die Aussichten auf eine breite Nutzung. Obwohl eingeschlossenes Kohlenstoff-14 technisch sicher ist, ist der Begriff „radioaktiv“ negativ besetzt und könnte die Akzeptanz auf Verbrauchermärkten erschweren. Eine transparente Kommunikation über die Einschlussmechanismen und die Strahlensicherheit wird für eine breite Nutzung entscheidend sein.
Professor Scott ist zuversichtlich, dass sich diese Herausforderungen durch weitere Forschung bewältigen lassen. Er skizzierte den Entwicklungszeitplan für das kommende Jahrzehnt.
Unsere Mikropower-Technologie kann eine ganze Reihe wichtiger Anwendungen ermöglichen: von Weltraumtechnologien und Sicherheitsgeräten bis hin zu medizinischen Implantaten. Wir freuen uns darauf, in den nächsten Jahren gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung all diese Möglichkeiten auszuloten. Wir wollen mit dieser Technologie die Menschheit voranbringen.
Im kommenden Jahrzehnt liegt der Schwerpunkt darauf, die Produktion auszuweiten und die Leistung zu verbessern. Gelingt es, die Fertigung zu skalieren, könnten die Kosten sinken und weitere Anwendungen über spezialisierte Bereiche wie Medizin und Luft- und Raumfahrt hinaus erschlossen werden.
Die wichtigsten Punkte
- Forschende der University of Bristol und der britischen Atomenergiebehörde entwickelten im Dezember 2024 die weltweit erste Diamantbatterie auf Kohlenstoff-14-Basis
- Die Batterie nutzt den radioaktiven Zerfall von Kohlenstoff-14 mit einer Halbwertszeit von 5.700 Jahren und liefert über Jahrtausende kontinuierlich Strom im Mikrowattbereich
- Kohlenstoff-14 wird aus Graphitblöcken von Kernreaktoren gewonnen und wandelt radioaktiven Abfall in eine eingeschlossene Energiequelle um
- Synthetischer Diamant dient sowohl als Halbleiter als auch als Strahlenschutz: Er absorbiert alle ausgesandten Teilchen und erzeugt zugleich Strom
- Zu den Anwendungsbereichen zählen medizinische Implantate wie Herzschrittmacher und Hörgeräte, Tiefraumsonden, Fernsensoren und Funkfrequenz-Tracking-Tags
- Konkurrierende Technologien aus China (Betavolt) und den USA verwenden Nickel-63. Sie haben eine kürzere Lebensdauer, könnten aber früher auf den Markt kommen
- Für die Markteinführung müssen die Herstellungsverfahren ausgeweitet und Zulassungen erteilt werden. Derzeit kostet ein Liter des gasförmigen Ausgangsmaterials 46.000 US-Dollar
