Dennis Lenz
Ein von der US-Forschungsbehörde DARPA finanziertes Ingenieurteam will radioaktiven Abfall in eine langlebige Stromquelle verwandeln. Statt auf Chemie setzt der Ansatz auf die direkte Umwandlung von Betastrahlung in elektrischen Strom, sogenannte Radiovoltaik. Als Brennstoff dient Strontium-90, ein Spaltprodukt aus abgebrannten Kernbrennstoffen mit einer Halbwertszeit von rund 29 Jahren. Das Ziel sind kompakte Zellen, die Drohnen, Sensoren und Satelliten mehrere Jahrzehnte ohne Nachladen versorgen. Erreicht das Konzept seine Leistungsvorgaben, könnte eine Materialklasse entstehen, die bisher als technisch nicht machbar galt.
Nuklearbatterien sind kein grundsätzlich neues Prinzip. Bereits seit rund sechs Jahrzehnten liefern radioisotopgestützte Generatoren Strom in Raumsonden, in denen Solarzellen zu schwach oder Wartung unmöglich ist. Die klassische Bauform, der thermoelektrische Radioisotopengenerator, nutzt die Zerfallswärme eines Isotops und wandelt den entstehenden Temperaturunterschied über Thermoelemente in Spannung um. Dieser Umweg über Wärme kostet Wirkungsgrad und Bauraum, weshalb solche Systeme groß, schwer und teuer bleiben. Für kleine, bewegliche Plattformen wie Fluggeräte oder Unterwassersensoren waren sie deshalb bislang ungeeignet. Der aktuelle Ansatz umgeht diesen Schritt vollständig und greift stattdessen direkt auf die geladenen Teilchen zu, die beim radioaktiven Zerfall frei werden. Diese Bauweise verspricht eine deutlich höhere Energiedichte bei gleichzeitig kleineren Abmessungen und rückt damit Anwendungen in Reichweite, die mit thermischen Systemen nie realisierbar gewesen wären.
Betastrahlung besteht aus schnellen Elektronen, die ein instabiler Atomkern beim Zerfall aussendet. Trifft ein solches Elektron auf einen geeigneten Halbleiter, kann es dort Ladungsträger freisetzen und so eine messbare Spannung erzeugen. Genau dieses Prinzip nutzt ein radiovoltaisches Bauteil, dessen Funktionsweise der einer Solarzelle ähnelt: Während eine Photovoltaikzelle Licht in Strom umsetzt, wandelt die Radiovoltaik ionisierende Strahlung um. Der entscheidende Vorteil liegt in der Konstanz, denn der radioaktive Zerfall läuft unabhängig von Sonne, Temperatur oder Wetterlage über Jahre gleichmäßig weiter. Der Preis dafür ist eine bislang geringe Ausbeute, weshalb bestehende Nuklearbatterien meist nur Mikrowatt liefern und für stromhungrige Geräte nicht ausreichen. Ob sich die Radiovoltaik zu einer ernsthaften Alternative für energieautarke Systeme entwickelt, hängt entscheidend davon ab, ob sich Leistungsdichte und Materialstabilität deutlich steigern lassen.
Im Zentrum des Projekts steht das Isotop Strontium-90, das bei der Kernspaltung in großen Mengen anfällt und in bestehenden Abfalllagern reichlich vorhanden ist. Allein in den Vereinigten Staaten lagern nach offiziellen Angaben über 100.000 Tonnen radioaktiver Abfall an mehr als fünfzig Reaktorstandorten, was den Brennstoff vergleichsweise verfügbar macht. Anders als das in Raumsonden übliche Plutonium-238 gilt Strontium-90 als weniger gefährlich in der Handhabung und lässt sich aus wiederaufbereitetem Kernbrennstoff gewinnen, wodurch sich Energiegewinnung und Abfallverwertung verbinden. Der eigentliche physikalische Kniff liegt in der Zerfallskette, denn Strontium-90 zerfällt zunächst zu Yttrium-90, das seinerseits mit einer Halbwertszeit von nur rund 64 Stunden weiter zerfällt. Weil beide Zerfälle eng gekoppelt ablaufen, entstehen pro Strontiumzerfall faktisch zwei energiereiche Elektronen, von denen das zweite ein Vielfaches der Energie des ersten trägt und damit tiefer in das Halbleitermaterial eindringt.
Diese Doppelemission ist der Grund, warum das Team gezielt auf Strontium statt auf andere Betastrahler setzt. Der zuständige technische Leiter beschreibt in einer Fachmeldung des Branchendienstes der amerikanischen Nukleargesellschaft, dass die hochenergetischen Elektronen des Yttrium-Zerfalls weiter reisen und in benachbarten Bausteinen des Halbleiters absorbiert werden können, was den nutzbaren Energieertrag erhöht. Als Wandler kommt eine mehrschichtige PIN-Struktur aus Siliziumkarbid zum Einsatz, ein besonders strahlungshartes Halbleitermaterial, das der intensiven Beta-Bestrahlung über lange Zeiträume standhalten soll. Genau an dieser Stelle liegt eine zentrale Herausforderung, denn ionisierende Strahlung schädigt Halbleiter mit der Zeit und verschlechtert ihre elektrischen Eigenschaften. Die angestrebte Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten steht und fällt daher mit der Fähigkeit des Materials, dieser dauerhaften Belastung ohne wesentlichen Leistungsverlust zu widerstehen.
Getragen wird das Projekt von einem Verbund aus Hochschule, Industrie und einem nationalen Forschungslabor. Die Federführung liegt bei der Morgan State University in Baltimore, die im Juni 2026 einen Auftrag im Wert von 3,37 Millionen US-Dollar erhielt und damit als erste historisch afroamerikanische Hochschule ein DARPA-Projekt dieser Art leitet. Nach Angaben der beteiligten Einrichtungen zählen der Rüstungs- und Technologiekonzern Northrop Grumman, das Pacific Northwest National Laboratory sowie das auf den nuklearen Brennstoffkreislauf spezialisierte Unternehmen Project Omega zu den Partnern. Das Vorhaben läuft unter dem Programmnamen Rads to Watts und trägt die Projektbezeichnung SYMPHONEE, die für ein siliziumkarbidbasiertes Wandlersystem für extreme Umgebungen steht. Als messbare Zielmarke nennt das Team eine Leistungsdichte von mehr als zehn Watt pro Kilogramm, ein Wert, der solche Systeme erstmals für den Antrieb kleiner unbemannter Plattformen interessant machen würde.
Für Leser in Deutschland ist das Vorhaben aus mehreren Gründen relevant, denn die Frage nach langlebigen, wartungsarmen Energiespeichern betrifft auch die zivile Sensorik, die Umweltüberwachung und die Raumfahrt in Europa unmittelbar. Zugleich verweisen die Beteiligten selbst offen auf die Hürden, die vor einem Einsatz liegen, darunter der bislang unzureichende Wirkungsgrad, die Langzeit-Zuverlässigkeit, die Strahlungsfestigkeit der Halbleiter und die sichere Handhabung des radioaktiven Materials. Ein erster Prototyp ist nach Projektangaben für Anfang 2027 vorgesehen, wobei die kommenden Monate vor allem der Verringerung des technischen Risikos dienen sollen. Fachleute ordnen SYMPHONEE deshalb weniger als fertige Drohnenbatterie ein, sondern eher als langfristig angelegtes Materialforschungsprojekt, dessen Erfolg sich erst über Jahre zeigen wird. Sollte der Nachweis gelingen, könnte die direkte Umwandlung von Kernzerfall in Strom über militärische Anwendungen hinaus auch für Mikrosatelliten, medizinische Implantate und abgelegene Messstationen an Bedeutung gewinnen.