Diamantenbatterie
# Diamantenbatterie

Eine Diamantenbatterie wäre eine aus schwach radioaktivem $^{14}C-Abfall$ 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

Das Kohlenstoff-Isotop $^{14}C$ entsteht 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 $^{12}C.$ Unter Abgabe von Betastrahlung zerfällt es zum stabilen Stickstoff-Isotop $^{14}N.$ Aufgrund der Radioaktivität kann die Batterie mit diamantförmigem $^{14}C$ als betavoltaische Apparatur eingesetzt werden. Die Halbwertszeit beträgt mehrere tausend Jahre.

Wenn Stickstoff Neutronenstrahlung ausgesetzt wird, kann es auch zu einem „Herausschlagen“ eines Protons durch ein eintreffendes Neutron kommen. Dies betrifft jedoch nur das stabile leichtere Isotop $^{14}N,$ das allerdings die überwiegende Mehrheit des Stickstoffs ausmacht (nur knapp unter 1 % ist das ebenfalls stabile Isotop $^{15}N).$ Genau 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. Da graphitmoderierte Kernreaktoren quasi nicht mehr neu gebaut werden, ist diese Quelle des $^{14}C$ allerdings begrenzt. In Kernreaktoren findet sich Stickstoff als Kühlmittel (Luftkühlung von Reaktoren mit niedriger thermischer Leistung) oder als Verunreinigung des Moderators (z. B. Gelöst im Moderator/Kühlwasser von Leichtwasserreaktoren).

Obwohl Kohlenstoff-14 im Bereich von 1 ppt in natürlichem Kohlenstoff enthalten ist, ist die Extraktion aus dieser Quelle wenig lohnenswert, da der Masseanteil von ca. 1 Nanogramm pro Tonne um Größenordnungen niedriger ist als zum Beispiel jener des Alphastrahlers Radium in Uranerzen, welches mit ca. 300 Milligramm Radium pro Tonne Uran vorliegt. Eine Radium-Radionuklidbatterie hätte bezüglich Leistung und Langlebigkeit ähnliche Eigenschaften wie eine Diamantbatterie, da $^{226}Ra$ mit 1600 Jahren eine Halbwertszeit in derselben Größenordnung wie $^{14}C$ aufweist. Die Zerfallsenergie von Radium-226 zu Radon-222 ist jedoch um ca. den Faktor 30 größer als jene von Kohlenstoff-14 zu Stickstoff-14.

## Mögliche Abwandlungen

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, so dass insgesamt etwa 349 bzw. 352 amu 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.

