Diamantenbatterie
# Diamantenbatterie

Eine Diamantenbatterie wäre eine aus radioaktivem Kohlenstoff $^{14}$C hergestellte langlebige Primärzelle bzw. Radionuklidbatterie.
Die noch nicht marktreife Entwicklung erfolgte am Cabot Institute an der University of Bristol und wurde 2016 vom Physikprofessor Tom Scott vorgestellt.

## Hintergrund

Unter Abgabe von Betastrahlung zerfällt $^{14}$C zum stabilen Stickstoff-Isotop $^{14}$N. Aufgrund der Radioaktivität kann die Batterie mit diamantförmigem $^{14}$C als betavoltaische Apparatur eingesetzt werden. Die Halbwertszeit von $^{14}$C ist 5730 Jahre, somit könnte eine solche Batterie eine lange Lebensdauer erreichen. Das Hauptproblem ist dabei, die benötigte Menge von $^{14}$C zu sammeln.
Wenn Stickstoff Neutronenstrahlung ausgesetzt wird, kann es zu einem „Herausschlagen“ eines Protons durch ein eintreffendes Neutron kommen. Dies betrifft das Isotop $^{14}$N, das 99,6 % des Stickstoffs ausmacht. Diese Reaktion findet in hohen Schichten der Erdatmosphäre zwischen kosmischer Strahlung bzw. sekundär von ihr induzierten Neutronen und Stickstoff statt und ist die Quelle des natürlichen $^{14}$C im Kohlenstoffkreislauf. Obwohl Kohlenstoff-14 im Bereich von 1 ppt in natürlichem Kohlenstoff enthalten ist, ist die Extraktion aus dieser Quelle wenig lohnend. Der Masseanteil von ca. 1 Nanogramm pro Tonne ist um Größenordnungen niedriger als zum Beispiel jener des Alphastrahlers Radium in Uranerzen, welches mit ca. 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran vorliegt. Eine Radium-Radionuklidbatterie aus $^{226}$Ra mit ca. 1600 Jahren Halbwertszeit hätte bezüglich Leistung und Langlebigkeit ähnliche Eigenschaften wie eine Diamantbatterie. Die Zerfallsenergie von Radium-226 zu Radon-222 ist jedoch um ca. den Faktor 30 größer als jene von Kohlenstoff-14 zu Stickstoff-14.
Das Kohlenstoff-Isotop $^{14}$C entsteht jedoch auch in Graphitblöcken, die in Kernreaktoren als Neutronenmoderator eingesetzt werden, durch den zwar seltenen, aber über Jahre und Jahrzehnte Laufzeit unvermeidlichen Neutroneneinfang in $^{13}$C (etwa 1 % Masseanteil in natürlichem Kohlenstoff, je nach Herkunft) bzw. durch zweifachen Neutroneneinfang in $^{12}$C. Da graphitmoderierte Kernreaktoren nicht mehr neu gebaut werden, ist diese Quelle des $^{14}$C allerdings begrenzt. In Kernreaktoren findet sich zudem Stickstoff als Kühlmittel (Luftkühlung von Reaktoren mit niedriger thermischer Leistung) oder als Verunreinigung des Moderators (z. B. Gelöst im Moderator/Kühlwasser von Leichtwasserreaktoren).
Will man die Leistungsdichte erhöhen, ist eine Anreicherung von $^{14}$C nötig. Im Gegensatz zur Urananreicherung, die auf den sehr geringen Masseunterschied zwischen $^{235}$UF$_6$ und $^{238}$UF$_6$ setzt (Fluor als Reinelement hat hierbei immer die Massezahl 19, sodass insgesamt etwa 349 bzw. 352 u pro Molekül Uranhexafluorid vorliegen), ist die Anreicherung von Kohlenstoff pro SWU weniger energieintensiv und wird in geringen Mengen von Firmen, die Isotop-Labeling-Forschung beliefern, zur Bereitstellung von $^{13}$C betrieben. Hierbei kommt üblicherweise Kryodestillation von Kohlenmonoxid oder Methan zum Einsatz, wobei hierbei als Koppelprodukt auch $^{18}$O bzw. Deuterium angereichert wird.