Es gibt eine Art Batterie, die Ihr Mobiltelefon 100 Jahre lang mit Strom versorgen kann

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Internationales Institut für Neutronenforschung

Hersteller: China Science Expo

Stört Sie auch das häufige Aufladen Ihres Mobiltelefons? Sind auch Sie durch die regelmäßige Operation zum Batteriewechsel Ihres Herzschrittmachers beunruhigt? Wissen Sie, wie unbemannte Tauchboote für die Tiefseeerkundung länger arbeiten können? Wussten Sie, dass der Marsrover eine spezielle Batterie zur Erweiterung seiner Reichweite verwendet?

Im Jahr 2021 nutzte der Curiosity Rover, der auf dem Mars landete, eine Mehrzweck-Radioisotopen-Thermoelektrikbatterie (MMRTG), die die oben genannten Probleme gut lösen kann. Heute stelle ich Ihnen diese magische Batterie vor – die Isotopenbatterie.

1. Was sind Isotope und was können sie?

Isotope sind dasselbe Element mit der gleichen Anzahl an Protonen (Ordnungszahl) im Kern, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen. Beispielsweise hat das in unserem Leben häufig vorkommende Element Wasserstoff drei Isotope, nämlich Protium (H), Deuterium (D, schwerer Wasserstoff) und Tritium (T, Supertritium). Sie sind Isotope voneinander und unterschiedliche Nuklide desselben Elements.

Schematische Darstellung der Atomstruktur von Wasserstoff, Deuterium und Tritium (Bildquelle: Handzeichnung des Autors)

Einige dieser Elemente sind sehr instabil und können spontan Partikel oder Strahlen aussenden, wobei sie eine bestimmte Menge Energie freisetzen und so zu stabilen Atomen eines anderen Elements werden. Diese Elemente sind radioaktive Isotope. Der Vorgang, bei dem radioaktive Isotope Strahlen aussenden, ist der Isotopenzerfall. Die Zeit, die erforderlich ist, damit die Anzahl der radioaktiven Nuklide auf die Hälfte der ursprünglichen Menge zerfällt, ist die Halbwertszeit des radioaktiven Isotops. Beispielsweise beträgt die Halbwertszeit von 238Pu 87,7 Jahre. Dies bedeutet, dass nach 87,7 Jahren Einwirkung einer radioaktiven 238Pu-Quelle nur die Hälfte des Plutonium-238 zerfallen ist.

Neben ihrer Rolle in der Landesverteidigungswissenschaft und -technologie spielen viele Isotope auch in unserer täglichen Produktion und unserem Leben eine wichtige Rolle. Beispielsweise kann in der Lebensmittelproduktion das Isotop 60Co zur Erzeugung von Gammastrahlen zur Bestrahlung und Sterilisierung von Lebensmitteln verwendet werden; in der medizinischen klinischen Praxis haben sich über 100 Verfahren der Isotopentherapie etabliert, mit denen eine gezielte Bestrahlung bestimmter Krebszellen erreicht und deren weitere Ausbreitung im Körper des Patienten verhindert werden kann; Im Energiebereich werden Kernreaktoren zur Stromerzeugung eingesetzt.

Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen kann die thermische Energie von Isotopen wie 238Pu während des Zerfalls zur Herstellung thermoelektrischer Isotopenbatterien verwendet werden, und die während des Zerfalls von 63Ni freigesetzten Strahlungspartikel können zur Herstellung von Isotopenbatterien mit Radiovoltaikeffekt verwendet werden.

2. Wie sieht eine Isotopenbatterie aus?

Hier konzentrieren wir uns auf zwei Batterietypen mit ausgereifteren Anwendungen: thermoelektrische Isotopenbatterien und Isotopenbatterien mit Radiovoltaikeffekt.

Eine Isotopen-Thermoelektrikzelle (RTG) ist ein Stromerzeugungsgerät, das den Seebeck-Effekt thermoelektrischer Materialien nutzt, um die Zerfallswärme von Isotopen direkt in elektrische Energie umzuwandeln. RTG besteht von innen nach außen aus drei Teilen: Isotopenwärmequelle, thermoelektrisches Umwandlungsgerät und Wärmeableitungshülle. Die von der Isotopenwärmequelle abgegebene Wärmeenergie erzeugt an beiden Enden des thermoelektrischen Materials einen Temperaturunterschied und erzeugt so unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts des thermoelektrischen Materials elektrischen Strom. Die Außenhülle aus speziellen Materialien kann sowohl Strahlung isolieren als auch ungenutzte Wärmeenergie freisetzen.

Typische Struktur einer thermoelektrischen Isotopenbatterie (Bildquelle: Fenglin Nuclear Team)

Die Radiovoltaik-Isotopenbatterie besteht aus einer Strahlungsquelle, einem Halbleiterwandlergerät, Elektroden, einer Hülle und anderen Strukturen. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass bei der Wechselwirkung der Strahlungsquelle mit dem Halbleitermaterial durch Ionisationsanregung Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden. Anschließend werden diese erzeugten Elektronen-Loch-Paare unter der Einwirkung des eingebauten elektrischen Felds des Halbleiters von den Elektroden getrennt und gesammelt, wodurch die Umwandlung der Zerfallsenergie der Strahlungsquelle in elektrische Energie realisiert wird.

3. Was können Isotopenbatterien?

Isotopenbatterien haben die gemeinsamen Vorteile einer kompakten Struktur, hohen Zuverlässigkeit, langen Lebensdauer (können jahrzehntelang kontinuierlich Energie liefern), keiner Umweltbelastung und keinem Wartungsaufwand. Daher können sie ein für alle Mal in Szenarien verwendet werden, die einen langfristigen wartungsfreien Betrieb erfordern, oder in komplexen Umgebungen, in denen das Aufladen schwierig ist, bis sie ausgemustert werden. Die Widerstandsfähigkeit von Isotopenbatterien gegenüber äußeren Einflüssen kann alle gewöhnlichen chemischen Batterien zerstören. Gleichzeitig hängt die Lebensdauer von Isotopenbatterien hauptsächlich von der Halbwertszeit des Isotops ab und kann bei den längsten Batterien sogar hundert Jahre lang verwendet werden.

Gerade aufgrund der oben genannten Vorteile verfügen radioaktive Isotopenbatterien in praktischen Anwendungsbereichen über die einzigartige Fähigkeit, „nach dem Mond am Himmel zu greifen und Schildkröten in den fünf Ozeanen zu fangen“.

Im Jahr 2018 startete mein Land erfolgreich die Mondsonde Chang'e-4. Die mitgeführte thermoelektrische Isotopenbatterie konnte während ihres nächtlichen Winterschlafs auf dem Mond bei einer Temperatur von minus 190 °C verschiedene technische Anforderungen erfüllen. Im Gegensatz dazu können gewöhnliche chemische Batterien bei solch extrem niedrigen Temperaturen nicht funktionieren. Während des eigentlichen Arbeitsvorgangs zeigten die vom Mondrover zurückgesendeten Daten, dass die Erwärmung und Stromversorgung der thermoelektrischen Isotopenbatterie normal verliefen, wodurch die erste Weltraumanwendung einer thermoelektrischen Isotopenbatterie in meinem Land realisiert wurde.

In der Tiefsee, wo Solarzellen nahezu nutzlos sind und Brennstoffzellen sowie andere chemische Batterien eine kurze Lebensdauer haben, können Isotopenbatterien glänzen. Beispielsweise kann es als Energiequelle für Navigationsbaken von U-Booten verwendet werden und dafür sorgen, dass die Baken alle paar Sekunden blinken und jahrzehntelang ununterbrochen funktionieren können. Die USA nutzen Isotopenbatterien als Stromquelle für Unterseekabel-Relaisstationen, die unter hohem Druck in fünf- bis sechstausend Metern Meerestiefe sicher und zuverlässig arbeiten können.

Isotopenbatterien finden auch Anwendung in der Biomedizin. Beispielsweise werden die heute in Herzschrittmachern üblicherweise verwendeten Lithium-Jod-Batterien leicht durch elektromagnetische Wellen gestört, was für die Benutzer zu Unannehmlichkeiten führt und eine Lebensdauer von etwa 5 Jahren hat. Medizinische Isotopenbatterien sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und haben eine Lebensdauer von etwa 15 Jahren. Einigen Herzpatienten auf der Welt wurden mit Isotopenbatterien betriebene Herzschrittmacher implantiert, die ihnen ein neues Leben ermöglichten.

Darüber hinaus werden mit der rasanten Entwicklung der Technologie des Internets der Dinge die Energieversorgungsgeräte dieser elektronischen Geräte und Systemmodule schrittweise miniaturisiert, langlebiger und stabiler, um sicherzustellen, dass integrierte Schaltkreise (ICs), Sensoren, Geräte mit geringem Stromverbrauch und andere mikroelektromechanische Systeme (MEMS) Wärme normal ableiten können, ohne die drahtlosen Kommunikationssignale zu beeinträchtigen. Isotopenbatterien können diese Anforderung besser erfüllen als gewöhnliche chemische Batterien.

4. In welchem ​​Umfang sind Isotopenbatterien entwickelt?

Vom ersten künstlichen amerikanischen Satelliten „Explorer 1“, der 1961 erstmals Isotopenbatterien ins All beförderte, über die Apollo-Mondsonde, die zwei Isotopenbatterien zum Mond brachte, bis hin zu einem Unternehmen, das 2010 die Qualifikation zum Verkauf von Isotopenbatterieprodukten erhielt: Nach Jahrzehnten der Entwicklung wurden Isotopenbatterien in den Vereinigten Staaten industriell hergestellt.

Ein ähnlicher Entwicklungsprozess von der wissenschaftlichen Forschung zur Industrialisierung fand auch in der Sowjetunion und Russland statt. Allerdings kam es in meinem Land erst spät zu einer Entwicklung von Isotopenbatterien, und es besteht noch viel Raum für Verbesserungen, insbesondere bei der Industrialisierung von Isotopenbatterien. Gemäß dem 2018 von der Nationalen Weltraumbehörde angekündigten Plan zur Erforschung des Weltraums wird mein Land in den nächsten 30 Jahren den Mond, den Mars und den Jupiter erforschen, was bedeutet, dass die Lokalisierung von Isotopenbatterien dringend erforderlich ist. Derzeit erhöhen die entsprechenden inländischen Teams ihre Investitionen in die Forschung und Entwicklung von Isotopenbatterien, und es blühen hundert Blumen.

Isotopenbatterien entwickeln sich rasant, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die mit bloßem Auge sichtbar ist. Ich bin davon überzeugt, dass sie in Zukunft in allen Bereichen des täglichen Lebens der Menschen für großen Komfort sorgen werden. Sind Sie begeistert, nachdem Sie von solchen Isotopenbatterien erfahren haben?

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