Het in Peking gevestigde bedrijf Betavolt noemt het de eerste compacte nucleaire batterij ter wereld. In de batterij bevindt zich radioactief nikkel (nikkel-63) als energiebron. Een metalen omhulling zorgt ervoor dat er geen straling naar buiten komt.

Als de batterij na tientallen jaren alle interne straling heeft omgezet in elektriciteit blijft er niet-radioactief koper over. Dat vormt „geen enkele bedreiging of vervuiling voor het milieu”, aldus Betavolt. De batterij kan niet in brand vliegen of exploderen. Zelfs bij extreme temperaturen als -60 en 120 graden Celsius functioneert hij nog.

Het vermogen van de batterij is nu nog gering. Bij een spanning van 3V levert ze 100 microwatt. Het Chinese bedrijf is van plan om eind dit jaar een nucleaire batterij te maken met een vermogen van 1 watt. Dat is dus 10.000 keer zo veel energie als de huidige produceert.

Veelbelovend

Een blokje kernenergie in zakformaat dat bijna eindeloos lang energie levert. Dat klinkt veelbelovend. Met een atoombatterij hoeft niemand straks zijn smartphone meer op te laden. Een drone kan altijd in de lucht blijven hangen. En een elektrische auto hoeft nooit meer te laden. Dat lijkt te mooi om waar te zijn. En dat is het is het vooralsnog ook.

Kan de Betavoltbatterij onbeperkt worden opgeschaald tot deze het gewenste vermogen levert? Dr. Ben Miles, nucleair fysicus aan de University of Bristol (VK), heeft daar zo zijn bedenkingen bij. Hij becijferde dat een batterij met een vermogen van 1 watt 70 kilogram zou wegen en zo groot zou worden als een kwart magnetron. Zelfs een AAA-penlitebatterijtje levert gemakkelijk een vermogen van 1 watt. Het grote verschil is wel dat het laatste al na een paar uur leeg zal zijn. Een piepkleine Betavoltcel kan gedurende vijftig jaar dertig keer meer energie leveren dan een AAA-batterij. In theorie kan een atoombatterij zelfs duizenden jaren elektrische stroom leveren.

Wereldwijd

Er bestaan wereldwijd meer initiatieven voor nucleaire batterijen. Bijvoorbeeld die van de Amerikaanse bedrijven City Labs en Widetronix. Deze passen radioactief waterstof (tritium) toe als energiebron. Deze isotoop van waterstof kan veilig en betrouwbare twintig jaar lang elektriciteit leveren. Ook hier is het vermogen laag.

Er bestaan tal van toepassingen waarvoor nucleaire batterijen onmisbaar kunnen zijn. De wereld wordt langzaam volgehangen met draadloze sensoren. Vaak op plaatsen waar niemand meer bij kan komen om batterijen te vervangen. Daar zijn de nucleaire batterijen kansrijk.

Een voorbeeld hiervan is het zogeheten internet der dingen – Internet of Things (IoT). Daarbij kunnen nucleaire batterijen gebruikt worden in surveillance- en beveiligingsapparatuur. Sensoren met een laag energieverbruik, die kleine veranderingen signaleren, kunnen baat hebben bij een kleine batterij op kernenergie.

In de militaire wereld zou de batterij kunnen dienen als energiebron voor sensoren die drukveranderingen, temperatuurwisselingen of trillingen detecteren. Zulke veranderingen kunnen wijzen op onnatuurlijke gebeurtenissen. Dergelijke sensoren kunnen ook helpen natuurrampen in een vroeg stadium op te sporen.

De eerste contracten hiervoor zijn al getekend. City Labs verwierf vorig jaar een contract met de Air Force Cyber and Cryptologic Systems Division voor de ontwikkeling van een geavanceerde tritiumbatterij voor communicatie- en beveiligingsapparatuur.

Atoomgenerator

Het is niet voor het eerst dat experimenten worden uitgevoerd met nucleaire batterijen. Het principe is dan ook niet nieuw. Al in 1959 testten de VS een ”atoomgenerator”. Dat betrof een apparaat van 2,5 kilogram, dat de straling van 0,33 gram radioactief materiaal kon omzetten in 5 watt elektriciteit.

Zulke batterijen kunnen behulpzaam zijn om elektriciteit te leveren aan hulpsystemen in de ruimtevaart. Ze zijn licht van gewicht en hebben een zeer lange levensduur. Ook blijven ze functioneren bij heel hoge en heel lage temperaturen.

Een apparaat waarin nucleaire batterijen de energie leveren, is bijvoorbeeld de Voyager. Deze ruimtesonde werd gelanceerd op 20 augustus 1977. Aanvankelijk was het zijn missie om Jupiter en Saturnus te verkennen. Maar de sonde reist nog altijd door het zonnestelsel en zelfs daarbuiten, inmiddels al bijna 47 jaar.

Hoewel het ruimtevaartuig miljarden kilometers verwijderd is, onderhoudt de NASA er nog steeds contact mee via het Deep Space Network. Dat komt doordat de stroombron bestaat uit drie nucleaire batterijen. Samen leveren die een maximaal vermogen van 250 watt. In dit geval is de energiebron radioactief plutonium-238. De warmte die bij het radioactieve verval in de batterij ontstaat levert bruikbare elektriciteit.

Het Apollo-maanwagentje, dat ooit over het maanlandschap hobbelde, was voorzien van een soortgelijke nucleaire batterij, in dit geval van 125 watt. Deze batterij woog op aarde 45 kilogram. Deze energiebron zou een elektrische fiets kunnen aandrijven, maar kostte een vermogen: maar liefst 109 miljoen dollar.

Nucleaire pacemaker

Ook in de medische wereld bestaan toepassingen van nucleaire batterijen. Bijvoorbeeld in pacemakers. Deze apparaatjes, die elektrische pulsen genereren om het hart te stimuleren, hebben batterijen nodig die liefst langer dan tien jaar onafgebroken energie leveren. In de jaren zeventig was een batterij met plutonium-238 als brandstof daar aanvankelijk een oplossing voor.

Fabrikanten als Medtronic, Coratomic en Alcatel zagen er wel brood in. Ze produceerden tal van nucleaire pacemakers. De ioniserende straling die ontstond door radioactief verval leverde ook hier warmte die werd omgezet in stroom.

Het is bekend dat een nucleaire pacemaker die in 1973 bij een vrouw werd geïmplanteerd, in 2007 nog steeds naar behoren functioneerde. Dat is dus 34 jaar. Theoretisch is zelfs een veel langere gebruiksduur mogelijk. Een normale pacemaker zou in zo’n periode al gauw vijf keer zijn vervangen.

De plutoniumbatterijen kenden ook flinke nadelen. Zo waren ze door de benodigde afscherming onhandig groot. Maar erger was de extreme giftigheid van plutonium. De geringste lekkage uit de batterij kon al een dodelijke stralingsziekte veroorzaken. Deze gezondheidsrisico’s maakten dat de productie uiteindelijk werd stopgezet.

Elektrische pulsen

Pacemakerbatterijen op basis van lithiumjodide vormden later een beter alternatief. De gebruiksduur van deze elektrochemische batterij is in de praktijk vijf tot tien jaar. Hoe lang de batterij meegaat, is vooral afhankelijk van het aantal benodigde elektrische pulsen tegen hartfalen. Daarbij onderzoeken fabrikanten voortdurend manieren om de levensduur van gewone pacemakerbatterijen verder te vergroten tot circa tien jaar.

Maar er diende zich ook een nieuwe generatie nucleaire batterijen aan die weer langer meeging. In 2010 kwam City Labs als eerste met zijn nanotritiumbatterij op de markt, die twintig jaar zou kunnen meegaan. Tritium is een relatief ongevaarlijke isotoop van waterstof, die een pacemaker ruim twintig jaar veilig en betrouwbaar van energie kan voorzien.

Ook bio-implantaten, zoals glucosesensoren of medicijnafgiftesystemen, die voor normale werking afhankelijk zijn van batterijvermogen, kunnen profiteren van de langere levensduur van de superkleine tritiumbatterijen.

De vinding van het Chinese bedrijf Betavolt is dus niet volledig nieuw, maar past in een trend om te zoeken naar batterijen met een lange levensduur. Daardoor vervalt de noodzaak om vaak te vervangen of op te laden.