Betavoltaik

Die Betavoltaik gewinnt elektrischen Strom aus dem Betazerfall. Ein radioaktives Präparat sendet Elektronen aus; diese treffen auf einen Halbleiter und erzeugen dort Ladungsträgerpaare, die als Strom abfließen.

Das Prinzip ähnelt der Photovoltaik — nur dass nicht Licht einfällt, sondern Betastrahlung. Und es ist das beste Gegenstück zur Neutrinovoltaik, weil beide dasselbe versprechen und dabei ganz unterschiedlich vorgehen.

Wie eine Betavoltaikzelle aufgebaut ist

Drei Teile genügen: eine Quelle, ein Halbleiter und Kontakte.

Als Quelle dienen Nuklide, die reine oder nahezu reine Betastrahler sind und deren Strahlung sich leicht abschirmen lässt:

Die Elektronen tragen Energien im Bereich einiger Kiloelektronenvolt. Das ist gering genug, dass eine dünne Umhüllung oder das Gehäuse selbst die Strahlung zurückhält — anders als bei Gammastrahlern, die schwere Abschirmung erfordern.

Bei Tritium reicht schon ein Blatt Papier. Eine solche Zelle ist von außen harmlos; gefährlich wäre allein die Aufnahme des Materials in den Körper.

Was sie leistet — und was nicht

Die entscheidende Größe ist die Leistungsdichte, und sie ist klein. Eine Betavoltaikzelle liefert typischerweise Mikrowatt bis Milliwatt. Der Wirkungsgrad liegt meist im niedrigen einstelligen Prozentbereich.

Der Grund ist grundsätzlich: Ein Präparat gibt nur so viel Energie ab, wie sein Zerfall hergibt, und je länger die Halbwertszeit, desto weniger pro Zeit. Lange Laufzeit und hohe Leistung schließen einander aus.

Damit ist der Einsatzbereich klar umrissen. Eine Betavoltaikzelle betreibt keinen Motor und lädt kein Telefon. Sie versorgt Dinge, die sehr wenig brauchen und sehr lange durchhalten müssen:

• Speicherbausteine, die ihren Inhalt über Jahrzehnte behalten sollen
• Sensoren an Orten, die niemand wieder aufsucht
• Herzschrittmacher — in den 1970er Jahren wurden Zellen mit Promethium-147 tatsächlich implantiert, bevor die Lithiumbatterie sie ablöste
• Raumfahrt und militärische Technik mit sehr langer Standzeit

Der Vorzug ist die Dauer. Eine Zelle mit Nickel-63 hat nach hundert Jahren noch die halbe Leistung. Keine chemische Batterie kommt in die Nähe.

Geschichte und Gegenwart

Die ersten Zellen entstanden in den 1950er Jahren. In den 1970ern kam mit dem Betacel ein Herzschrittmacher auf den Markt, der jahrelang ohne Wechsel auskam — bis die Lithiumbatterie billiger und einfacher wurde.

Heute gibt es kommerzielle Tritiumzellen für Nischenanwendungen. 2024 kündigte ein chinesisches Unternehmen eine Nickel-63-Zelle im Münzformat an, die Mikrowatt über Jahrzehnte liefern soll. Solche Ankündigungen sind mit der üblichen Zurückhaltung zu lesen — die Physik dahinter ist etabliert, die Leistungsklasse ändert sich dadurch nicht.

Abgrenzung zur Neutrinovoltaik

Der Unterschied ist grundsätzlich.

Die Betavoltaik trägt ihren Brennstoff mit sich. Im Gerät steckt ein radioaktives Präparat, das sich verbraucht, das genehmigt und entsorgt werden muss und dessen Menge die Leistung begrenzt.

Die Neutrinovoltaik nach Darstellung der Neutrino® Energy Group enthält kein radioaktives Material. Sie will Energie aus Flüssen gewinnen, die ohnehin durch jeden Gegenstand hindurchgehen — Neutrinos, kosmische Myonen, elektromagnetische Schwankungen, thermische Fluktuationen. Das Bauteil verbraucht sich in diesem Bild nicht, weil es nichts mitbringt, was sich verbrauchen könnte.

Auch die Größenordnungen unterscheiden sich erheblich. Die Betavoltaik ist eine belegte, kommerziell erhältliche Technik mit sehr kleiner Leistung. Für die Neutrinovoltaik nennt die Gruppe deutlich größere Ziele — etwa 1 bis 1,5 Kilowatt beim Life Cube — und bezeichnet diese Werte ausdrücklich als Auslegungsziele in der Entwicklung.

Was beide verbindet

Beide setzen dort an, wo Sonne und Wind nicht hinreichen: in der Dunkelheit, unter Tage, im Inneren von Geräten, an Orten ohne Wartung. Und beide bauen auf demselben Grundgedanken — dass Energie, die ohnehin vorhanden ist, nicht ungenutzt bleiben muss.

Verwandte Begriffe

• Betazerfall — der zugrunde liegende Vorgang
• Neutrinovoltaik — der Ansatz ohne Präparat
• Energy Harvesting — das übergeordnete Feld
• Thermoelektrik — der dritte Weg zu wartungsfreiem Strom

Quellen

• Particle Data Group und IAEA-Nuklidkarte: Halbwertszeiten und Zerfallsenergien.
• Neutrino® Energy Group: Energy Harvesting, neutrino-energy.com.