Betavoltaik

Betavoltaik ist das Prinzip der Stromerzeugung durch Bestrahlung eines Halbleiters mit schnellen Elektronen.

Wirkungsweise

Die beim radioaktiven Zerfall freiwerdenden hochenergetischen Elektronen (Betastrahlung) erzeugen durch Stoßprozesse im p-n-Übergang eines Halbleiters zahlreiche sekundäre Ladungsträger, die dann wie bei der Photovoltaik durch das Feld der Raumladungszone gegen eine äußere Spannung getrennt werden, sodass elektrische Leistung entnommen werden kann.

Forschung und Versuche begannen in den 1960er Jahren. Als Problem dieser Technik wurde der geringe Wirkungsgrad angesehen. Weder die Suche nach neuen Materialien mit größeren Bandabstand und geringeren Strahlenschäden, noch die Vergrößerung der Halbleiteroberfläche durch Oberflächenstrukturierung (poröses Silizium) hat befriedigende Ergebnisse gebracht.[1]

Die erste kommerzielle Anwendung der Betavoltaik war die ¹⁴⁷Promethiumbatterie („Betacel“),[2] die unter anderem als Energiequelle zum Betrieb eines Herzschrittmacheraggregates verwandt wurde.[3]

Verwendete Radionuklide

Wünschenswert ist zum einen eine lange Halbwertszeit, um lange gleichbleibende Leistung zu liefern, zum anderen können allzu energetische Betateilchen den Halbleiter beschädigen. Allzu niederenergetische Betateilchen liefern jedoch nicht genug Energie.[4] Je nach Anwendung ist auch die Verfügbarkeit des Materials bzw. dessen Preis von Interesse. Während in der Weltraumtechnik die Kosten, das Material in den Orbit bzw. zu einem anderen Himmelskörper zu bringen, meist höher sind als die Kosten jedes denkbaren Materials, ist für irdische Materialien durchaus von Relevanz, ob das Material in Teilchenbeschleunigern, durch Neutroneneinfang in eigens dafür gebauten Reaktoren oder durch simple chemische Extraktion aus den Spaltprodukten in „abgebranntem“ Kernbrennstoff gewonnen werden kann. Häufig verwendet werden daher Tritium, Strontium-90 (ein in relativ großer Menge anfallendes Spaltprodukt) oder Nickel-63.[5]

Siehe auch

Einzelnachweise

B. Lanning, D. Martin: Survey of Current and Next Generation Space Power Technologies (Memento des Originals vom 8. April 2013 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.dtic.mil, AFRL-Report AFRL-VS-PS-TP-2006-1041, 2006, Zitat: In a habitat power study by NASA (50 kW), both alpha and beta voltaic (tritium in amorphous silicon and tritium-phosphor in Si converter) were effectively eliminated from the study as a result of poor mass scaling above the mW level.
Patent US3706893A: Nuclear Battery. Angemeldet am 19. September 1969, veröffentlicht am 19. Dezember 1972, Anmelder: Mc Donnell Douglas Corp, Erfinder: Larry C. Olsen, Stephen E. Seeman, Bobby I. Griffin and Charles J. Ambrose.
W. E. Matheson: The Betavoltaic Pacemaker Power Source. In: Engineering in Medicine: Volume 1: Advances in Pacemaker Technology. Springer, Berlin, Heidelberg 1975, ISBN 978-3-642-66187-7, S. 401–424, doi:10.1007/978-3-642-66187-7_25.
John W. Murphy, Lars F. Voss, Clint D. Frye, Qinghui Shao, Kareem Kazkaz, Mark A. Stoyer, Roger A. Henderson, Rebecca J. Nikolic: Design considerations for three-dimensional betavoltaics. In: AIP Advances. Band 9, Nr. 6, 1. Juni 2019, S. 065208, doi:10.1063/1.5097775.
Mohammad Hossein Jahangiri, Hossein Tavakoli Anbaran, Zohreh Movahedian: Design and optimization of ⁹⁰Sr–Si betavoltaic nuclear battery and its comparison with a direct charge nuclear battery based on ⁹⁰Sr radioactive source. In: Materials Science in Semiconductor Processing. Band 128, 15. Juni 2021, S. 105743, doi:10.1016/j.mssp.2021.105743.

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[1] B. Lanning, D. Martin: Survey of Current and Next Generation Space Power Technologies (Memento des Originals vom 8. April 2013 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.dtic.mil, AFRL-Report AFRL-VS-PS-TP-2006-1041, 2006, Zitat: In a habitat power study by NASA (50 kW), both alpha and beta voltaic (tritium in amorphous silicon and tritium-phosphor in Si converter) were effectively eliminated from the study as a result of poor mass scaling above the mW level.

[2] Patent US3706893A: Nuclear Battery. Angemeldet am 19. September 1969, veröffentlicht am 19. Dezember 1972, Anmelder: Mc Donnell Douglas Corp, Erfinder: Larry C. Olsen, Stephen E. Seeman, Bobby I. Griffin and Charles J. Ambrose.

[3] W. E. Matheson: The Betavoltaic Pacemaker Power Source. In: Engineering in Medicine: Volume 1: Advances in Pacemaker Technology. Springer, Berlin, Heidelberg 1975, ISBN 978-3-642-66187-7, S. 401–424, doi:10.1007/978-3-642-66187-7_25.

[4] John W. Murphy, Lars F. Voss, Clint D. Frye, Qinghui Shao, Kareem Kazkaz, Mark A. Stoyer, Roger A. Henderson, Rebecca J. Nikolic: Design considerations for three-dimensional betavoltaics. In: AIP Advances. Band 9, Nr. 6, 1. Juni 2019, S. 065208, doi:10.1063/1.5097775.

[5] Mohammad Hossein Jahangiri, Hossein Tavakoli Anbaran, Zohreh Movahedian: Design and optimization of ⁹⁰Sr–Si betavoltaic nuclear battery and its comparison with a direct charge nuclear battery based on ⁹⁰Sr radioactive source. In: Materials Science in Semiconductor Processing. Band 128, 15. Juni 2021, S. 105743, doi:10.1016/j.mssp.2021.105743.