Eine Batterie aus Diamant kommt ohne Laden, ohne Wartung und ohne bewegliche Teile aus. Sie nutzt den Zerfall von radioaktivem Kohlenstoff-14, der in einem künstlich gewachsenen Diamanten eingeschlossen ist. Weil dieses Isotop eine Halbwertszeit von rund 5.700 Jahren hat, liefert die Zelle über extrem lange Zeiträume Strom. Die Leistung liegt allerdings im Bereich von Millionstel Watt.
Eine gewöhnliche Batterie speichert chemische Energie und gibt sie beim Entladen ab; ist der Vorrat aufgebraucht, endet die Stromlieferung. Eine Radionuklidbatterie arbeitet grundsätzlich anders, denn sie speichert nichts, sondern wandelt fortlaufend die Energie eines radioaktiven Zerfalls um. Solche Zellen stecken seit Jahrzehnten in Raumsonden, dort meist mit Plutonium als Wärmequelle. Für kleine Anwendungen auf der Erde kommt dieser Weg nicht infrage, weil der Aufwand für Abschirmung und Sicherheit zu groß ist. Gesucht wird deshalb nach Materialien, bei denen ein schwacher Strahler direkt in einem Festkörper eingeschlossen ist, der die Strahlung selbst aufnimmt und in elektrischen Strom umsetzt.
Kohlenstoff-14 bietet dafür eine ungewöhnliche Kombination. Es zerfällt unter Aussendung von Elektronen, sogenannter Betastrahlung, und diese Strahlung ist so schwach, dass sie bereits von wenigen Millimetern festen Materials vollständig abgebremst wird. Die menschliche Haut hält sie ab, gefährlich wäre der Stoff nur bei Aufnahme in den Körper. Zugleich ist Kohlenstoff genau jenes Element, aus dem Diamant besteht, und Diamant ist ein außergewöhnlich robuster Halbleiter. Daraus ergibt sich ein Bauprinzip, bei dem Strahlungsquelle und Umwandler aus demselben Material bestehen und das Nuklid dauerhaft im Kristallgitter gefangen bleibt.
Der Aufbau ähnelt einer Solarzelle, nur dass nicht Licht, sondern schnelle Elektronen die Ladungsträger erzeugen. Im Kristall lösen die beim Zerfall freigesetzten Elektronen Ladungspaare aus, die an den Kontakten abfließen und so einen Strom bilden. Eine dünne Schicht aus Kohlenstoff-14 wird dabei von einer Hülle aus gewöhnlichem Kohlenstoff-12 umschlossen.
Hergestellt wird dieser Schichtaufbau in einer Plasmaanlage, in der Diamant aus der Gasphase aufwächst. Wie die University of Bristol zur Vorstellung des Prototyps mitteilt, entstand die weltweit erste Zelle dieser Art in Zusammenarbeit mit der britischen Atomenergiebehörde. Der Reiz des Verfahrens liegt auch in der Herkunft des Materials: Kohlenstoff-14 steckt in großen Mengen in den Graphitblöcken stillgelegter Kernkraftwerke, die andernfalls als Abfall eingelagert werden müssten.
Die entscheidende Zahl ist nicht die Lebensdauer, sondern die Leistung. Eine solche Zelle liefert Leistungen im Bereich von Mikrowatt, also etwa ein Millionstel dessen, was eine Leuchtdiode benötigt. Ein Smartphone oder ein Elektroauto lässt sich damit nicht betreiben, und daran wird sich grundsätzlich nichts ändern, weil die Zahl der Zerfälle pro Sekunde durch die Halbwertszeit festgelegt ist. Gerade die lange Halbwertszeit, die für die Dauer sorgt, begrenzt die Leistung. Sinnvoll sind deshalb Anwendungen, die sehr wenig Strom brauchen, aber jahrzehntelang unzugänglich bleiben: medizinische Implantate wie Hörhilfen oder Augenimplantate, Sensoren in Bauwerken, Markierungssender auf Raumfahrzeugen oder Messgeräte an Orten, an denen niemand eine Batterie wechseln kann. Wie weit die Elektronik inzwischen unter harten Bedingungen arbeitet, zeigt auch ein Transistor, der noch bei 600 Grad Celsius funktioniert.
Der Gedanke an eine radioaktive Batterie im Körper wirkt zunächst beunruhigend, doch die Physik des Isotops entschärft den Einwand weitgehend. Betastrahlung aus Kohlenstoff-14 hat eine sehr geringe Reichweite und wird vom umgebenden Diamanten praktisch vollständig absorbiert; genau diese Absorption ist ja der Arbeitsschritt, aus dem der Strom entsteht. Diamant zählt zudem zu den härtesten und chemisch beständigsten Materialien überhaupt, sodass ein Austreten des Nuklids nur bei mechanischer Zerstörung des Kristalls denkbar wäre. Ungeklärt bleiben dagegen praktische Fragen: Wie viele solcher Zellen lassen sich wirtschaftlich herstellen, wie werden sie am Ende ihres Einsatzes erfasst und entsorgt, und wie wird verhindert, dass sie im normalen Abfallstrom landen.
Der eigentliche Reiz dieser Technik liegt in einem Missverhältnis. Kein elektronisches Gerät, das heute existiert, wird in 5.000 Jahren noch funktionieren; Kunststoffe zerfallen, Lötstellen korrodieren, Speicher verlieren ihre Inhalte. Die Stromquelle würde all das überdauern. Praktisch bedeutet das vor allem, dass die Lebensdauer eines Gerätes künftig nicht mehr an der Batterie hängt, sondern an allem anderen. Für Implantate, die heute nach wenigen Jahren ersetzt werden müssen, wäre das eine spürbare Änderung, für Anwendungen im Weltraum ebenso. Der Rest bleibt eine Frage der Stückzahl.
Erstvorstellung durch die University of Bristol und die UK Atomic Energy Authority, Dezember 2024; keine Fachpublikation mit DOI