VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER RADIONUKLIDBATTERIEZELLE

Abstract

 Verfahren zur Herstellung einer Radionuklidbatteriezelle (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus emittierter Strahlungsenergie eines Radionuklids (2), aufweisend die Schritte:
Vorsehen von mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27), insbesondere zumindest einer Elektrode (15, 15A, 15B) und/oder einer Photodiode (23);
Assemblieren der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) innerhalb eines Batteriezellengehäuses (3) der Radionuklidbatteriezelle (1);
Befüllen eines Radionuklid-Aufnahmeraums des Batteriezellengehäuses (3) im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) mit dem Radionuklid (2) durch zumindest eine Radionuklid-Einlassöffnung (5) des Batteriezellengehäuses (3); und
Verschließen der zumindest einen Radionuklid-Einlassöffnung (5) des Batteriezellengehäuses (3), um die Radionuklidbatteriezelle (1) zu erhalten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Radionuklidbatteriezelle zur Erzeugung von elektrischer Energie aus emittierter Strahlungsenergie eines Radionuklids.

[0002] Radionuklidbatterien sind Energiequellen, die Strahlungsenergie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklids in elektrische Energie umwandeln. Im Vergleich zur Energiedichte herkömmlicher (chemischer) Batterien ist die Energiedichte von Radionuklidbatterien um bis zu zwei Größenordnungen höher, wodurch sich Radionuklidbatterien insbesondere für Anwendungen eignen, die eine Versorgung über einen sehr langen Zeitraum benötigen. Ein Einsatzgebiet sind beispielsweise Anwendungen im Weltall. Bekannt sind verschiedenste Prinzipien zur Nutzung der Strahlungsenergie, die beispielsweise in thermische Umsetzungen und nichtthermische Umsetzungen unterteilt werden können. Beispielsweise kann die anfallende Wärme mit einem Thermoelement aufgenommen werden. Alternativ können beispielsweise Halbleiter genutzt werden, in denen aufgrund der einfallenden Strahlung des Radionuklids Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, die wiederum einen elektrischen Strom hervorrufen. Besonders verbreitet sind Beta-Voltaik-Batterien, die Beta-Strahlung nutzen, sowie Alpha-Voltaik-Batterien, die Alpha-Strahlung nutzen. Eine weitere Möglichkeit zur indirekten Nutzung der radioaktiven Strahlung besteht darin, die Strahlung mittels eines lumineszenten Materials in Photonen umzusetzen und die so generierten Photonen zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen.

[0003] Beispielsweise zeigt die US 2018/0372891 A1 verschiedene Ausführungsformen einer Nuklidbatterie. Strahlung von radioaktivem Material kann einerseits direkt mittels zweier Elektroden und/oder Halbleitern in elektrische Energie umgewandelt werden. Alternativ oder auch parallel dazu kann eine szintillierende Schicht vorgesehen sein, die durch die einfallende Strahlung angeregt wird und in Folge Photonen emittiert. Die Photonen werden wiederum zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt, indem Strukturen aus Halbleitern vorgesehen sind, die die Photonen absorbieren.

[0004] Weitere Radionuklidbatterien sind beispielsweise aus der CN111755142A und der US5008759 bekannt.

[0005] Eine Schwierigkeit in der Herstellung von Radionuklidbatterien besteht im Umgang mit den radioaktiven Substanzen. Es besteht grundsätzlich das Risiko einer radioaktiven Kontamination und einer Verschleppung von radioaktivem Material. Daher gelten strenge Auflagen für die Handhabung dieser Materialien und in der Folge auch für die Fertigung von Radionuklidbatterien. Typischerweise ist das radioaktive Material geometrisch zentral in der Radionuklidbatterie angeordnet, um einerseits das radioaktive Material möglichst sicher von der Außenwelt abzuschirmen und andererseits einen möglichst großen Anteil der Strahlung nutzen zu können, wenn das Radionuklid zum Beispiel von Elektroden umgeben ist. Aufgrund dieser Anordnung muss das Radionuklid während oder vor der Assemblierung der übrigen Komponenten der Radionuklidbatterie gehandhabt und eingebaut werden. Das hat zur Folge, dass nach dem Einbringen des Radionuklids weitere, mitunter komplexe Fertigungsschritte notwendig sind. Damit ist eine klare Trennung der Fertigungsstrecke in einen Bereich ohne die Gefahr von radioaktiver Strahlung und einen Bereich mit entsprechenden Strahlenschutzmaßnahmen schwer möglich. Damit geht ein höheres Gefahrenpotential einher, welches aufwendige Sicherheitsauflagen erforderlich macht und sich nachteilig auf die Fertigung auswirkt.

[0006] Ein weiterer Nachteil von Radionuklidbatterien im Vergleich zu herkömmlichen Batterien, wie beispielswiese Lithiumbatterien, besteht darin, dass Radionuklidbatterien nicht wiederaufladbar sind. Der radioaktive Zerfall ist ein irreversibler Prozess, so dass keine Energie in die Radionuklidbatterie eingebracht und gespeichert werden kann. Ist das Radionuklid aufgebraucht oder ist die Aktivität unter einen Grenzwert abgefallen, sind Radionuklidbatterien typischerweise nicht weiter verwendbar.

[0007] Eine weitere Komplikation ist die Materialermüdung der Komponenten der Radionuklidbatterie. Durch die radioaktive Strahlung kann es beispielsweise zum Abfallen des Wirkungsgrads eines Halbleiters kommen. Daher ist eine längere Lagerung einer Radionuklidbatterie vor deren Verwendung nicht ratsam. Vielmehr ist es günstig, die Radionuklidbatterie möglichst kurz vor dem Gebrauch zu fertigen. Daraus ergeben sich hohe Ansprüche an die Fertigung und die Logistik.

[0008] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zumindest einzelne Nachteile des Stands der Technik zu lindern bzw. zu beseitigen. Ziel der Erfindung ist es vorzugsweise, die Fertigung der Radionuklidbatterie sicherer und einfacher zu gestalten.

[0009] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:

Vorsehen von mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten, insbesondere zumindest einer Elektrode und/oder einer Photodiode;

Assemblieren der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten innerhalb eines Batteriezellengehäuses der Radionuklidbatteriezelle;

Befüllen eines Radionuklid-Aufnahmeraums des Batteriezellengehäuses im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten mit dem Radionuklid durch zumindest eine Einlassöffnung des Batteriezellengehäuses; und

Verschließen der zumindest einen Einlassöffnung des Batteriezellengehäuses, um die Radionuklidbatteriezelle zu erhalten.

[0010] Die Aufgabe wird ebenso von einer Radionuklidbatteriezelle nach Anspruch 10 gelöst. Die Radionuklidbatteriezelle weist zumindest auf:

mechanische und/oder elektrische Betriebskomponenten, insbesondere zumindest eine Elektrode und/oder eine Photodiode,

ein Batteriezellengehäuse, in dem die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten assembliert sind,

wobei das Batteriezellengehäuse einen Radionuklid-Aufnahmeraum aufweist, in welchem das Radionuklid angeordnet ist, wobei

das Batteriezellengehäuse zumindest eine Radionuklid-Einlassöffnung zum Befüllen des Radionuklid-Aufnahmeraums des Batteriezellengehäuses mit dem Radionuklid im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten aufweist.

[0011] Das Batteriezellengehäuse bildet bevorzugt die äußere Ummantelung der Radionuklidbatteriezelle. Die Abmessungen des Batteriezellengehäuses legen somit die äußeren Dimensionen der Radionuklidbatteriezelle fest. Das Batteriezellengehäuse gewährleistet die mechanische Stabilität der Radionuklidbatteriezelle und schützt das Innere der Radionuklidbatteriezelle vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise mechanischer Belastung oder Luftfeuchtigkeit. Gleichzeitig schützt das Batteriezellengehäuse die Umgebung der Radionuklidbatteriezelle vor radioaktiver Strahlung. Zu diesem Zweck kann das Batteriezellengehäuse das Radionuklid im Wesentlichen strahlungsdicht, insbesondere zudem im Wesentlichen gasdicht, einschließen. Das Radionuklid kann beispielsweise ³H, ¹⁰Be, ³²Si, ⁴⁰K, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Nd, ²⁰⁴Tl, ²³²Th, ²⁴¹Am, ⁶³Ni, ⁹⁰Y sein. Diese Isotope weisen wenig Gamma-Emission auf, wodurch sie für den Einsatz in Radionuklidbatteriezellen besonders geeignet sind. Die Halbwertszeit des Radionuklids kann zwischen 1 Sekunde (s) bis 14 Milliarden Jahre liegen, bevorzugt liegt die Halbwertszeit zwischen 10 Jahren und 300 Jahren. Das Radionuklid kann metallisch bzw. als Oxid entweder gasförmig, flüssig oder im festen, granularen Zustand eingesetzt werden. Das Batteriezellengehäuse kann beispielsweise aus einem Metall, vorzugsweise aus Aluminium, gefertigt sein. Beispielsweise kann das Batteriezellengehäuse einteilig sein, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten.

[0012] Die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten der Radionuklidbatteriezelle unterscheiden sich je nach Typ der Radionuklidbatteriezelle.

[0013] Bei einer Ausführungsvariante können als Betriebskomponente(n) eine oder mehrere Elektroden vorgesehen sein, die freigesetzte radioaktive Strahlung absorbieren, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt werden kann. Die Elektroden können aus einem halbleitenden Material bestehen, in dem einfallende radioaktive Strahlung Elektron-Loch-Paare erzeugen kann. Beispielsweise können III-V Halbleiter oder Quantum-Dot Zellen verwendet werden, die vergleichsweise relativ wenig Schaden durch einfallende radioaktive Strahlung nehmen.

[0014] Bei einer weiteren Ausführungsvariante kann als Betriebskomponente radio-lumineszentes Material, beispielsweise in Form einer Schicht, vorgesehen sein. Das radio-lumineszente Material kann einfallende Strahlung absorbieren und daraufhin Photonen freisetzen. Zusätzlich kann eine photosensitive Schicht, insbesondere eine Photodiode, vorgesehen sein, welche die von der radio-lumineszenten Schicht emittierten Photonen absorbieren und zu elektrischer Energie umwandeln kann. Beispielsweise können III-V Halbleiter oder Quantum-Dot Zellen in der Photodiode verwendet werden. Die Photodiode kann beispielsweise eine Grätzel-Zelle sein, bevorzugt in einer bifazialen transparenten Ausführung. Das radio-lumineszente Material kann beispielsweise mit dem Radionuklid vermischt vorliegen und in den Radionuklid-Aufnahmeraum eingebracht werden. Alternativ kann das radio-lumineszente Material direkt auf eine Photodiode aufgebracht sein. Die Photodiode mit einer Schicht aus radio-lumineszentem Material kann beispielsweise aufgerollt sein, wobei Distanzhalter auf den Photodioden angeordnet sein können, durch die ein Volumen innerhalb der aufgerollten Photodiode definiert wird. Es ist vorteilhaft, wenn in diesem Volumen Radionuklid angeordnet wird. Des Weiteren umfassen die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten elektrische Leitungen, mit der die Radionuklidbatteriezelle beispielsweise mit einer Last verbunden werden kann. Es können Trennstrukturen vorgesehen sein, die einzelne Betriebskomponenten voneinander trennen.

[0015] Bei einer weiteren Ausführungsvariante kann als Betriebskomponente ein Thermoelement vorgesehen sein, welches die vom Radionuklid freigesetzte Wärme in eine elektrische Spannung umwandelt. Beispielsweise kann ein Motor, insbesondere ein Sterling-Motor, vorgesehen sein, der durch die freigesetzte Wärme betrieben werden kann und die Wärme in elektrische Energie umwandeln kann.

[0016] Je nach Ausführungsform der Radionuklidbatteriezelle können somit unterschiedliche mechanische und/oder elektrische Betriebskomponenten vorgesehen sein, die innerhalb des Batteriezellengehäuses assembliert werden. Das Fertigen, Vorsehen und Assemblieren der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten und des Batteriezellengehäuses kann ohne Strahlenschutzmaßnahmen stattfinden, da bis zu diesem Punkt keiner dieser Bestandteile mit Radionuklid in Berührung kommt.

[0017] Erfindungsgemäß weist das Batteriezellengehäuse eine Radionuklid-Einlassöffnung auf, welche mit dem Radionuklid-Aufnahmeraums verbunden ist. Die Radionuklid-Einlassöffnung kann eine Durchgangsbohrung des Batteriezellengehäuses sein. Der Querschnitt der Radionuklid-Einlassöffnung kann rund, insbesondere kreisförmig, oder beispielsweise rechteckig, insbesondere quadratisch, sein. Die Radionuklid-Einlassöffnung kann einen Durchmesser oder eine Diagonale im Querschnitt von beispielsweise 0.3 Millimeter (mm) bis 50 mm aufweisen. Die Querschnittsfläche der Radionuklid-Einlassöffnung kann deutlich kleiner als die Außenfläche des Batteriezellengehäuses sein, an der die Radionuklid-Einlassöffnung angeordnet ist. Die Radionuklid-Einlassöffnung kann beispielsweise einen Durchmesser aufweisen, der 1% oder bis zu 10% der Diagonale einer kreisförmigen Außenfläche des Batteriezellengehäuses entspricht, an der die Radionuklid-Einlassöffnung angeordnet ist. Der Radionuklid-Aufnahmeraum kann beispielsweise ein vom Batteriezellengehäuse separater Tank sein. Der Radionuklid-Aufnahmeraum kann alternativ vom Batteriezellengehäuse begrenzt sein. Beispielsweise können die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten in direkten Kontakt mit dem Radionuklid sein. So kann beispielsweise eine Photodiode mit einer Schicht aus radio-lumineszenten Material und Distanzhaltern vorgesehen sein, die aufgerollt oder gefaltet im Batteriezellengehäuse assembliert ist. Bei dieser Ausführung kann mittels der Distanzhalter ein Volumen zwischen den Schichten der Photodioden definiert sein, in welches Volumen das Radionuklid eingebracht werden kann. In diesem Fall ist der Radionuklid-Aufnahmeraum von den Außenwänden des Batteriezellengehäuses eingeschlossen. Auch die Photodiode befindet sich bei dieser Ausführung im Radionuklid-Aufnahmeraum. Um die Radionuklidbatteriezelle zu erhalten, wird im zeitlich darauffolgenden Schritt der Radionuklid-Aufnahmeraum des Batteriezellengehäuses mit dem Radionuklid durch die Radionuklid-Einlassöffnung des Batteriezellengehäuses befüllt, während die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten bereits im assemblierten Zustand vorliegen. Das Radionuklid kann dabei fest bzw. granular, flüssig oder auch gasförmig sein. Im nächsten Schritt wird die Radionuklid-Einlassöffnung verschlossen, sodass das Batteriezellengehäuse betriebsbereit ist. Der Verschluss ist vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht, um eine sichere Abschirmung des Radionuklids zu gewährleisten. Um eine höhere mechanische Betriebssicherheit gewährleisten zu können, vor allem beim Einsatz in mobilen Anwendungen, kann die Radionuklidbatteriezelle danach innerhalb einer Schutzhülle angeordnet werden. Diese Schutzhülle kann mechanischen Stöße absorbieren und die Sicherheit verbessern. Je nach Ausführung können mehrere Radionuklidbatteriezellen zu einer Radionuklidbatterie verschaltet werden. Alternativ kann auch eine einzelne Radionuklidbatteriezelle als Radionuklidbatterie verwendet werden. Da das Radionuklid erst nach der Assemblierung der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten eingefüllt bzw. eingebracht wird, ist es besonders einfach möglich, die Radionuklidbatteriezelle erst kurz vor Verwendung fertigzustellen. Damit wird die Lebensdauer der Radionuklidbatteriezelle in Hinblick auf Ihren Einsatz optimiert. Des Weiteren ist eine klare Trennung der Fertigungsstrecke in einen Bereich ohne die Gefahr von radioaktiver Strahlung und einen Bereich mit entsprechenden Strahlenschutzmaßnahmen möglich.

[0018] Je nach Ausführung kann das Radionuklid aus der Radionuklidbatteriezelle entnommen werden, sobald die Aktivität des Radionuklids einen Grenzwert unterschritten hat, und Radionuklid mit einer höheren Aktivität einzufüllen. Bei dieser Ausführung ist die Radionuklidbatteriezelle wieder-befüllbar. Dazu kann die Radionuklid-Einlassöffnung geöffnet und das Radionuklid durch die Radionuklid-Einlassöffnung entnommen werden. Im nächsten Schritt kann Radionuklid durch die Radionuklid-Einlassöffnung eingebracht werden und die Radionuklid-Einlassöffnung kann wieder verschlossen werden.

[0019] Vorzugsweise wird zum Verschließen der Einlassöffnung ein Verschlusselement an der Einlassöffnung angebracht. Das Verschlusselement kann beispielsweise formschlüssig in die Einlassöffnung eingebracht werden. Das Verschlusselement kann eine Platte sein, die die Einlassöffnung verdeckt. Das Verschlusselement und das Batteriezellengehäuse können aus dem selben Material bestehen.

[0020] Das Verschlusselement kann bei einer bevorzugten Ausführungsvariante über eine unlösbare Verbindung, insbesondere eine Fügeverbindung, beispielsweise eine Schweiß- oder Klebeverbindung, mit dem Batteriezellengehäuse verbunden werden. Durch eine unlösbare Verbindung kann das Innere der Radionuklidbatterie, insbesondere das Radionuklid, besonders sicher von der Umgebung abgeschirmt werden.

[0021] Alternativ kann das Verschlusselement über eine lösbare Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung, mit dem Batteriezellengehäuse verbunden werden. Eine lösbare Verbindung ist besonders günstig, wenn das Radionuklid ausgetauscht werden soll, sobald die Aktivität des Radionuklids in der Radionuklidbatteriezelle einen Grenzwert unterschreitet bzw. ein bestimmtes Alter erreicht hat.

[0022] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Einfüllen des Radionuklids zumindest eine Membran an der Radionuklid-Einlassöffnung angeordnet, danach wird ein Injektionselement, insbesondere eine Kanüle, durch die Membran geführt und schließlich wird das Radionuklid über das Injektionselement in den Radionuklid-Aufnahmeraum des Batteriezellengehäuses eingebracht. Die Verwendung einer Membran ist besonders günstig, wenn das Radionuklid in flüssiger Form vorliegt, da durch die Membran ein unkontrolliertes oder unabsichtliches Austreten von Flüssigkeiten verhindert werden kann. Das Einbringen des Radionuklids mittels einer Kanüle erlaubt eine besonders gute Kontrolle über das Einbringen bzw. Einfüllen des Radionuklids. Die Membran kann auch mit einer weiteren Membran als Doppelmembran ausgeführt sein. Die Doppelmembran ist an der Radionuklid-Einlassöffnung angeordnet, wobei durch beide Membranen der Doppelmembran ein Injektionselement, insbesondere eine Kanüle, durchgeführt wird. Die Verwendung einer Doppelmembran ist besonders günstig, wenn das Radionuklid gasförmig vorliegt, da somit ein unkontrolliertes oder unbeabsichtigtes Austreten von gasförmigem Radionuklid besonders sicher vermieden werden kann. Bei einer bevorzugten Variante kann ein weiteres Injektionselement, wie eine weitere Kanüle, durch die selbe Membran bzw. Doppelmembran geführt werden; Durch das weitere Injektionselement kann Luft aus dem Radionuklid-Aufnahmeraum entweichen, die von dem über das Injektionselement eingebrachten Radionuklid verdrängt wird.

[0023] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Einfüllen des Radionuklids ein Ventilkörper an der Radionuklid-Einlassöffnung angeordnet, danach wird ein Einfüllelement mit dem Ventilkörper verbunden und das Radionuklid wird mittels des Einfüllelements durch den Ventilkörper in den Radionuklid-Aufnahmeraum des Batteriezellengehäuses eingebracht. Der Ventilkörper kann beispielsweise durch die bestimmungsgemäße Anordnung des Einfüllelements in eine offene Ventilstellung gebracht werden, um Radionuklid durch den Ventilkörper einfüllen zu können. Die Verwendung eines Ventilkörpers führt zu einem besonders sicheren und reproduzierbaren Befüllprozess.

[0024] Bevorzugt wird der Ventilkörper bei dieser Ausführungsform nach dem Befüllen des Radionuklid-Aufnahmeraums mit dem Radionuklid in einer geschlossenen Ventilstellung angeordnet. Der Ventilkörper kann beispielsweise beim Lösen bzw. Abziehen des Einfüllelements vom Ventilkörper automatisch bzw. selbsttätig in eine geschlossene Ventilstellung übergeführt werden. Bei dieser Ausführung kann der Ventilkörper nur in der offenen Ventilstellung angeordnet sein, so lange das Einfüllelement mit dem Ventilkörper verbunden ist.

[0025] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Radionuklid durch die frei, d.h. unverschlossen, vorliegende Radionuklid-Einlassöffnung eingefüllt, wobei das Radionuklid bevorzugt im festen, insbesondere im granularen Zustand, oder im flüssigen Zustand vorliegt. Beispielsweise kann das Radionuklid mittels eines Trichters durch die frei vorliegende Radionuklid-Einlassöffnung in die Radionuklidbatteriezelle eingebracht werden.

[0026] Vorzugsweise weist das Verfahren den folgenden weiteren Schritt auf:
Befüllen eines Elektrolyt-Aufnahmeraums des Batteriezellengehäuses mit einem Elektrolyten durch eine Elektrolyt-Einlassöffnung. Die Verwendung eines Elektrolyten ist insbesondere bei Ausführungen vorteilhaft, bei denen als Betriebskomponente(n) zumindest eine Elektrode vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform kann ein Elektrolyt-Aufnahmeraum vorgesehen sein, der den Elektrolyten aufnehmen kann. Der Elektrolyt-Aufnahmeraum kann i-dent zum Radionuklid-Aufnahmeraum ausgebildet sein. Der Elektrolyt-Aufnahmeraum kann der Radionuklid-Aufnahmeraum sein, so dass der Elektrolyt gemeinsam mit dem Radionuklid im selben Radionuklid-Aufnahmeraum vorliegen. Dazu kann auch die Elektrolyt-Einlassöffnung die Radionuklid-Einlassöffnung sein, sodass das Radionuklid und der Elektrolyt durch dieselbe Einlassöffnung eingebracht werden. Wie oben beschrieben kann ein Ventilkörper oder eine Membran an der Elektrolyt-Einlassöffnung angeordnet sein. Der Elektrolyt kann gasförmig, flüssig, oder granular vorliegen.

[0027] Bevorzugt ist ein Verschlusselement vorgesehen sein, mit welchem die Elektrolyt-Einlassöffnung, vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht, verschlossen ist. Das Verschlusselement kann wie oben in Zusammenhang mit der Radionuklid-Einlassöffnung beschrieben ausgebildet sein.

[0028] Vorzugsweise kann das Batteriezellengehäuse zumindest eine erste Luft-Auslassöffnung aufweisen, um das Befüllen mit Radionuklid zu vereinfachen. Dazu kann die Luft-Auslassöffnung gesondert und beabstandet von der Radionuklid-Einlassöffnung vorliegen. Durch die Luft-Auslassöffnung kann Luft aus dem Radionuklid-Aufnahmeraum entweichen, die vom eingebrachten Radionuklid sukzessive während des Befüllens verdrängt wird. Die Luft-Auslassöffnung und die Radionuklid-Einlassöffnung können identisch ausgebildet sein, beispielsweise kann an beiden ein Ventilkörper oder eine Membran angeordnet werden. Je nachdem, ob das eingebrachte Radionuklid eine höhere oder eine niedrigere Dichte als die im Radionuklid-Aufnahmeraum ursprünglich vorhandene Luft aufweist, kann es günstig sein, das Batteriezellengehäuse während des Befüllens derart relativ zur Erdbeschleunigung zu drehen, dass die Radionuklid-Einlassöffnung höher oder niedriger als die Luft-Auslassöffnung gelegen ist. Weist das Radionuklid eine höhere Dichte als Luft auf, ist es beispielsweise günstig, wenn die Luft-Auslassöffnung gleich hoch oder höher liegt als die Radionuklid-Einlassöffnung, da die Luft nach oben (relativ zur Erdbeschleunigung) verdrängt wird. Für den Fall, dass das Radionuklid eine niedrigere Dichte als Luft aufweist, ist es günstig die Luft-Auslassöffnung niedriger als die Radionuklid-Einlassöffnung, gleich hoch oder möglichst niedrig anzuordnen.

[0029] Zudem kann ein weiteres Verschlusselement vorgesehen sein, mit welchem die erste Luft-Auslassöffnung, vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht, verschlossen ist. Wie die Radionuklid-Einlassöffnung muss auch die Luft-Auslassöffnung verschlossen werden. Das weitere Verschlusselement zum Verschließen der Luft-Auslassöffnung kann gleich ausgebildet sein wie das Verschlusselement zum Verschließen der Radionuklid-Einlassöffnung.

[0030] Vorzugsweise kann das Batteriezellengehäuse einen Elektrolyt-Aufnahmeraum aufweisen, in welchem ein Elektrolyt angeordnet ist, wobei das Batteriezellengehäuse zumindest eine Elektrolyt-Einlassöffnung zum Befüllen des Elektrolyt-Aufnahmeraums des Batteriezellengehäuses mit dem Elektrolyten im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten aufweist. Wenn als Betriebskomponente zumindest eine Elektrode vorgesehen ist, kann die Verwendung eines Elektrolyten vorteilhaft sein, um eine REDOX Reaktion zu ermöglichen. Dazu kann ein Elektrolyt-Aufnahmeraum vorgesehen sein, der den Elektrolyten aufnehmen kann. Der Elektrolyt-Aufnahmeraum kann gleich dem Radionuklid-Aufnahmeraum ausgebildet sein. Der Elektrolyt-Aufnahmeraum kann der Radionuklid-Aufnahmeraum sein, somit kann der Elektrolyt gemeinsam mit dem Radionuklid im selben Radionuklid-Aufnahmeraum vorliegen.

[0031] Vorzugsweise ist der folgende weitere Schritt vorgesehen:
Befüllen eines Aufnahmeraums für radio-lumineszentes Material des Batteriezellengehäuses mit einem radio-lumineszenten Material durch eine Einlassöffnung für radio-lumineszentes Material. Wenn als Betriebskomponente zumindest eine Photodiode vorgesehen ist, kann die Verwendung von radio-lumineszentem Material vorteilhaft bzw. notwendig sein. Dazu kann ein Aufnahmeraum für radio-lumineszentes Material vorgesehen sein, der das radio-lumineszente Material aufnehmen kann. Der Aufnahmeraum für radio-lumineszentes Material kann gleich dem Radionuklid-Aufnahmeraum ausgebildet sein. Der Aufnahmeraum für radio-lumineszentes Material kann der Radionuklid-Aufnahmeraum sein, somit kann der das radio-lumineszente Material gemeinsam mit dem Radionuklid im Radionuklid-Aufnahmeraum vorliegen. Diese Anordnung ist besonders günstig, da das Radionuklid von radio-lumineszentem Material umgeben bzw. mit radio-lumineszentem Material vermischt wird. Damit kann die Ausbeute an Photonen erhöht werden. Die Einlassöffnung für radio-lumineszentes Material kann gleich ausgebildet sein wie die Radionuklid-Einlassöffnung, insbesondere können beide identisch ausgebildet sein, beispielsweise kann an beiden ein Ventilkörper oder eine Membran angeordnet werden.

[0032] Die vorliegende Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll.

Fig. 1A-D zeigen eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radionuklidbatteriezelle, die mittels eines Ventilkörpers mit Radionuklid befüllbar ist.

Fig. 2A-D zeigen eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Radionuklidbatteriezelle, die mittels eines Injektionselements und einer Membran mit Radionuklid befüllbar ist.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Radionuklidbatteriezelle, die mit Radionuklid und einem Elektrolyten befüllbar ist.

Fig. 4A-C zeigen Ausschnitte eines Batteriezellengehäuses der erfindungsgemäßen Radionuklidbatteriezelle.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Radionuklidbatteriezelle mir radio-lumineszentem Material und einer Photodiode.

Fig. 6A zeigt schematisch eine Schichtstruktur einer Photodiode der erfindungsgemäßen Radionuklidbatteriezelle mit einer Schicht aus radio-lumineszentem Material und Distanzhaltern in einem aufgerollten Zustand.

Fig. 6B zeigt schematisch die Schichtstruktur aus Fig. 6A in einem gefalteten Zustand.

[0033] Fig. 1A zeigt eine Radionuklidbatteriezelle 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus emittierter Strahlungsenergie eines Radionuklids 2 (siehe Fig. 1D). Die Radionuklidbatteriezelle 1 weist ein zylindrisches Batteriezellengehäuse 3 mit zwei Ventilkörpern 4 auf, die an einer Radionuklid-Einlassöffnung 5 bzw. an einer Luft-Auslassöffnung 6 angeordnet sind. Die Radionuklidbatteriezelle 1 weist zudem zwei elektrische Anschlüsse 7 auf, mit denen die Radionuklidbatteriezelle 1 elektrisch verbunden werden kann. Figur 1B zeigt eine Draufsicht der in Fig. 1A dargestellten Radionuklidbatteriezelle 1.

[0034] Fig. 1C zeigt einen Querschnitt durch das Batteriezellengehäuse 3 vor dem Befüllen mit dem Radionuklid 2. Die Radionuklidbatteriezelle 1 weist mechanische und/oder elektrische Betriebskomponenten 27 (siehe Figur 3) innerhalb des Batteriezellengehäuses 3 auf, welche gemäß Fig. 1C bereits assembliert sind. Der besseren Übersicht halber sind die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten 27 in den Fig. 1A bis 1D nicht dargestellt. Im Batteriezellengehäuse 3 ist ein Radionuklid-Aufnahmeraum 8 vorgesehen, in den das Radionuklid 2 eingebracht wird. Der Radionuklid-Aufnahmeraum 8 kann von einem Gehäuse eingeschlossen sein. Dieses Gehäuse kann aus einem der Strahlungsart des Radionuklids 2 angepassten Material bestehen. Für Betastrahlung kann ein den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 einschließender strahlenresistenter, beispielsweise transparenter, Kunststoffbehälter vorgesehen sein. Der Kunststoffbehälter kann beispielsweise aus Polyimid, mit Wandstärken von beispielsweise 100 µm bis 1 mm, bevorzugt von 300 µm bis 0.7 mm, gebildet sein. Alternativ kann das Gehäuse aus Glas, beispielsweise aus Borsilikatglas, mit Wandstärken von 50 µm bis zu 4 mm, insbesondere von 300 µm bis zu 3 mm, bevorzugt von 500 µm bis zu 2 mm, gebildet sein. Das Gehäuse des Radionuklid-Aufnahmeraums 8 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Für gasförmige Radionuklide 2 kann der Radionuklid-Aufnahmeraum 8 von einem im Wesentlichen gasdichten, für die jeweilige emittierte Strahlungsart im Wesentlichen transparenten Tank eingeschlossen sein, welcher im Inneren des Batteriezellengehäuses 3 befestigt sein kann. Die Gas-Diffusionseigenschaften bezüglich der Dichtheit des Materials, aus dem der Tank besteht, soll in der Größenordnung von zeitlich dreimal bis zu mindestens einmal der Halbwertszeit des Radionuklids liegen. Liegt die Halbwertszeit beispielsweise bei 12 Jahren, sollte gasförmiges Radionuklid nicht innerhalb von mindestens 12 bis zu zirka 36 Jahren durch den Tank diffundieren. Für Betastrahlung kann Glas oder Kunststoff verwendet werden. Da es kein geeignetes Material gibt, das transparent für Alphastrahlung ist, kann ein Alpha-strahlendes Radionuklid 2 beispielsweise gemeinsam mit einem radio-lumineszentem Material 22 (siehe Fig. 5) im Radionuklid-Aufnahmeraum 8 angeordnet sein. Diese Anordnung kann auch für Beta-strahlende Radionuklide 2 günstig sein.

[0035] Bei der Ausführungsform der Fig. 1A bis 1D ist der Ventilkörper 4 an der Radionuklid-Einlassöffnung 5 angeordnet. Gemäß Fig. 1C wird ein Einfüllelement 9mit dem Ventilkörper 4 verbunden. Mittels des Einfüllelements 9 wird das Radionuklid 2 durch den in der Radionuklid-Einlassöffnung 5 angeordneten Ventilkörper 4 in den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 eingebracht. Das Batteriezellengehäuse 3 weist die erste Luft-Auslassöffnung 6 auf, an der einer der Ventilkörper 4 angeordnet ist, der mit einem weiteren Einfüllelement 9 verbunden ist. Durch das Verbinden der Ventilkörper 4 mit den Einfüllelementen 9 werden die Ventilkörper 4 von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung überführt. Entsprechend können die Ventilkörper 4 durch das Abziehen bzw. Trennen der Einfüllelemente 9 von den Ventilkörpern 4 in eine geschlossene Stellung überführt werden. Die Luft-Auslassöffnung 6 vereinfacht das Befüllen mit Radionuklid 2, da die vom Radionuklid 2 verdrängte Luft durch die Luft-Auslassöffnung 6 entweichen kann. In der gezeigten Ausführung werden die Luft-Auslassöffnung 6 und die Radionuklid-Einlassöffnung 5 gleichzeitig verwendet. Nach dem Einfüllen des Radionuklids 2 werden die Einfüllelemente 9 von den Ventilkörpern 4 getrennt, wodurch die Ventilkörper 4 in einer geschlossenen Stellung vorliegen (vgl. Fig. 1D). Damit sind sowohl die Radionuklid-Einlassöffnung 5 als auch die Luft-Auslassöffnung 6 verschlossen. Durch die Anordnung der Ventilkörper 4 und der geschlossenen Stellung der Ventilkörper 4 sind die erste Luft-Auslassöffnung 6 und die Radionuklid-Einlassöffnung 5 im Wesentlichen gasdicht verschlossen. Weitere mechanische und/oder elektrische Betriebskomponenten 27 sind in dieser Ausführungsform nicht gezeigt, da die Erfindung unabhängig vom Typ der Radionuklidbatteriezelle 1 ist und daher die Ausgestaltung variieren kann. Beispielsweise kann eine Elektrode 15 (siehe Figur 3) und/oder eine Photodiode (siehe Figur 5 oder 6) im Inneren des Batteriezellengehäuses 3 assembliert sein, während das Radionuklid 2 eingefüllt wird.

[0036] Fig. 1D zeigt einen Querschnitt durch die Radionuklidbatteriezelle 1 aus Fig. 1A. Zu diesem Zeitpunkt ist das Radionuklid 2 bereits in den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 eingefüllt und die Einfüllelemente 9 wurden von den Ventilkörpern 4 getrennt. Zum sicheren Verschließen der Radionuklid-Einlassöffnung ist jeweils ein Verschlusselement 11 den beiden Ventilkörpern 4 angeordnet. Die Verschlusselemente 11 sind über unlösbare Verbindungen, insbesondere über Klebeverbindungen, mit den Ventilkörpern 4 verbunden. Alternativ können die Verschlusselemente 11 an die Ventilkörper 4 angeschweißt werden. Weiters können lösbare Verbindungen, beispielsweise Schraubverbindungen oder Klemmverbindungen, zwischen den Verschlusselementen 11 und den Ventilkörpern 4 vorgesehen sein.

[0037] Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann das Radionuklid 2 beispielsweise mittels eines Trichters durch die frei vorliegende Radionuklid-Einlassöffnung 5 eingefüllt werden. Bei dieser Ausführung liegt das Radionuklid 2 bevorzugt im festen, insbesondere im granularen Zustand, oder im flüssigen Zustand vor.

[0038] Fig. 2A zeigt eine weitere Ausführungsform der Radionuklidbatteriezelle 1, bei welcher Verschlusselemente 11 an der Radionuklid-Einlassöffnung 5 und der Luft-Auslassöffnung 6 angeordnet sind. In der gezeigten Ausführung können die Verschlusselemente 11 über Klebeverbindungen mit dem Batteriezellengehäuse 3 verbunden sein. Fig. 2B zeigt eine Draufsicht auf die Radionuklidbatteriezelle 1 aus Fig. 2A.

[0039] Fig. 2C zeigt einen Querschnitt durch das Batteriezellengehäuse 3 aus Figur 2A vor dem Befüllen mit Radionuklid 2. Die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten 27 (nicht gezeigt, siehe Figur 3) innerhalb des Batteriezellengehäuses 3 der Radionuklidbatteriezelle 1 sind bereits assembliert. Im Batteriezellengehäuse 3 ist ein Radionuklid-Aufnahmeraum 8 vorgesehen, in den das Radionuklid 2 eingebracht wird. An der Radionuklid-Einlassöffnung 5 sind zwei Membranen 12 angeordnet, die gemeinsam eine Doppelmembran 13 bilden, durch die ein Injektionselement 14, hier eine Kanüle, geführt wird. Mittels des Injektionselements 14 wird das Radionuklid 2 durch die Doppelmembran 13 in den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 des Batteriezellengehäuses 3 eingebracht. Das Batteriezellengehäuse 3 weist eine erste Luft-Auslassöffnung 6 auf, an der ebenfalls eine Doppelmembran 13 angeordnet ist. Die Luft-Auslassöffnung 6 vereinfacht das Befüllen mit Radionuklid 2, da die vom Radionuklid 2 verdrängte Luft durch die Luft-Auslassöffnung 6 entweichen kann. Dazu ist ein weiteres Injektionselement 14, hier wiederum eine Kanüle, durch die Membran 13 geführt. Die Luft-Auslassöffnung 6 und die Radionuklid-Einlassöffnung 5 werden gleichzeitig verwendet. Nach dem Einfüllen des Radionuklids 2 werden die Injektionselemente 14 entfernt. Die Radionuklid-Einlassöffnung 5 und die Luft-Auslassöffnung 6 werden mittels der Verschlusselemente 11 verschlossen. Weitere mechanische und/oder elektrische Betriebskomponenten 27 sind in dieser Ausführungsform wie bei der Ausführungsform der Fig. 1A bis Fig. 1D nicht gezeigt, da die Erfindung unabhängig vom Typ der Radionuklidbatteriezelle ist und daher die Ausgestaltung variieren kann. Beispielsweise kann eine Elektrode 15 (siehe Fig. 3) und/oder eine Photodiode 23 (siehe Fig. 5) vorgesehen sein.

[0040] Fig. 2D zeigt einen Querschnitt der in Fig. 2A gezeigten Radionuklidbatteriezelle 1. Im gezeigten Zustand ist das Radionuklid 2 bereits in den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 eingefüllt und die Verschlusselemente 11 wurden in die Luft-Auslassöffnung 6 und die Radionuklid-Einlassöffnung 5 eingeklebt, um das Batteriezellengehäuse 3 im Wesentlichen gasdicht zu verschließen. Die Verschlusselemente 11 sind über unlösbare Verbindungen, insbesondere über Klebeverbindung, mit dem Batteriezellengehäuse 3 verbunden.

[0041] Fig. 3 zeigt ein Batteriezellengehäuse 3 mit assemblierten mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten 27, das mit einem der zuvor geschilderten Verfahren hergestellt werden kann. Das Batteriezellengehäuse 3 kann beispielsweise eine Seitenlänge von 10 mm bis 1000 mm, insbesondere von 20 mm bis 300 mm, bevorzugt von 30 mm bis 200 mm, besonders bevorzugt 80 mm bis 140 mm, aufweisen. Alternativ kann das Batteriezellengehäuse zylindrisch, sphärisch oder als Polyeder ausgeführt sein. Es sind zwei Elektroden 15A, 15B vorgesehen, die jeweils direkt am Batteriezellengehäuse 3 angeordnet sind. Der Radionuklid-Aufnahmeraum 8 wird durch die Elektrode 15A, eine Trennstruktur 16 sowie das Batteriezellengehäuse 3 begrenzt. Somit ist die Elektrode 15A, die die Kathode sein kann, in der Radionuklidbatteriezelle 1 in direktem Kontakt mit dem Radionuklid 2. Es können Effekte wie Diffusion und/oder Korrosion bei der Auswahl der Materialien berücksichtigt werden, um chemische Veränderung bzw. eine Beschädigung der Elektrode 15A zu vermeiden. Die Trennstruktur 16 wird vorzugsweise gemeinsam mit flüssigen und/oder gasförmigen Radionukliden 2 verwendet, wobei in diesem Fall in erster Linie Beta-Strahler als Radionuklid 2 in Frage kommen, da die Trennstruktur 16 Alpha-Strahlung blockiert. Beta-Strahlung hingegen wirkt auch durch dünne Schichten hindurch, wobei die Dicke der Trennstruktur 16 in einem Bereich von 10 nm bis 1 mm, insbesondere 50 nm bis 300 µm, bevorzugt zwischen 300 nm und 100 µm liegen kann. Als Materialien für die Trennstruktur 16 können Polymere und dünne Glasschichten, aber auch metallisierte Polymerfolien und Graphenschichten zum Einsatz kommen. Über die Radionuklid-Einlassöffnung 5 kann der Radionuklid-Aufnahmeraum 8 während der Herstellung mit Radionuklid 2 befüllt werden, wobei Luft über die erste Luft-Auslassöffnung 6 entweichen kann. Zusätzlich wird von der Elektrode 15B, die die Anode sein kann, der Trennstruktur 16 und der Batteriezellengehäuse 3 ein Elektrolyt-Aufnahmeraum 17 begrenzt. Über eine Elektrolyt-Einlassöffnung 18 wird ein Elektrolyt (nicht gezeigt) in den Elektrolyt-Aufnahmeraum 17 eingebracht. Dieser Schritt findet, ebenso wie das Befüllen mit Radionuklid 2, statt, nachdem die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten 27 der Radionuklidbatteriezelle 1 assembliert wurden. Bevorzugt wird der Elektrolyt-Aufnahmeraum 17 mit dem Elektrolyten befüllt und die Elektrolyt-Einlassöffnung 18 verschlossen, bevor der Radionuklid-Aufnahmeraum 8 mit Radionuklid 2 befüllt wird. Über eine zweite Luft-Auslassöffnung 19 kann Luft aus dem Elektrolyt-Aufnahmeraum 17 entweichen, die vom eingebrachten Elektrolyten verdrängt wird. Die Radionuklid-Einlassöffnung 5, die Luft-Auslassöffnung 6, die Elektrolyt-Einlassöffnung 18 und die zweite Luft-Auslassöffnung 19 werden jeweils nach Befüllen mit Radionuklid bzw. mit dem Elektrolyten verschlossen. Zumindest die Elektrode 15B kann Strukturelemente 21 aufweisen, die die Oberfläche der Elektrode 15B und damit die Wahrscheinlichkeit einer Interaktion mit vom Radionuklid 2 freigesetzter radioaktiver Strahlung erhöhen. Die Strukturelemente 21 können beispielsweise Nano- oder Mikrostrukturelemente sein oder aufweisen, die beispielsweise mit nanotechnischen Abscheideverfahren aufgebracht werden können. Zum Beispiel können Nanoröhren (engl. "Nanotubes") verwendet werden, die aus TiO₂ bestehen können. Vor allem im Zusammenhang mit Beta-Strahlern ist die Verwendung von Nanostrukturen vorteilhaft, um die Effizienz der Radionuklidbatteriezelle 1 zu steigern. Die Strukturelemente 21 sind in der Radionuklidbatteriezelle 1 vom Elektrolyten umgeben bzw. befinden sich im Elektrolyt-Aufnahmeraum 17 und bilden einen innigen Verbund zum REDOX-Prozess der Elektronenleitung in der Radionuklidbatteriezelle 1. Der Elektrolyt kann beispielsweise Iod oder Kaliumiodid beinhalten und kann die Regeneration der Elektrode 15B nach dem Einfall von radioaktiver Strahlung beschleunigen und damit die Effizienz der Umsetzung von Strahlung in elektrischen Strom verbessern. In diesem Ausführungsbeispiel liegen die die Radionuklid-Einlassöffnung 5, die Luft-Auslassöffnung 6, die Elektrolyt-Einlassöffnung 18 und die zweite Luft-Auslassöffnung 19 frei vor; das Radionuklid 2 sowie der Elektrolyt können beispielsweise mittels eines Trichters eingebracht werden. Die Höhe der Elektrolyt-Einlassöffnung 18 kann sich von der Höhe der zweiten Luft-Auslassöffnung 19 unterscheiden. Hat der Elektrolyt eine höhere Dichte als Luft, sammelt sich der Elektrolyt (relativ zur Erdbeschleunigung) unterhalb der Luft im Elektrolyt-Aufnahmeraum 17. Es ist daher günstig, wenn die zweite Luft-Auslassöffnung 19 oberhalb der Elektrolyt-Einlassöffnung 18 angeordnet ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die zweite Luft-Auslassöffnung 19 möglichst am höchsten Punkt des Elektrolyt-Aufnahmeraums 17 angeordnet ist, um den Elektrolyt-Aufnahmeraum 17 möglichst vollständig mit Elektrolyt befüllen zu können. Das Radionuklid 2 und/oder der Elektrolyt können in gleicher Weise wie bei den Ausführungsformen der Fig. 1A bis Fig. 1D bzw. der Fig. 2A bis Fig. 2D eingefüllt werden. Beispielsweise können an der Radionuklid-Einlassöffnung 5, der Luft-Auslassöffnung 6, der Elektrolyt-Einlassöffnung 18 und/oder der zweite Luft-Auslassöffnung 19 Ventilkörper 4 (siehe Fig. 1A-D) oder Membrane 12 (siehe Fig. 2A-D) angeordnet sein. Die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten 27 umfassen bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Elektroden 15A und 15B, die Strukturelemente 21, sowie die Trennstruktur 16, die vor dem Befüllen mit dem Elektrolyten und dem Radionuklid 2 assembliert werden. Das Radionuklid 2 wird frei in den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 eingefüllt. Dazu liegt das Radionuklid 2 fest bzw. granular, flüssig oder gasförmig vor.

[0042] Fig. 4A zeigt zwei Ausschnitte eines Batteriezellengehäuses 3 mit einer Radionuklid-Einlassöffnung 5 und einer ersten Luft-Auslassöffnung 6, die jeweils von einer Doppelmembran 13 verschlossen sind. Durch jede der Doppelmembranen 13 ist ein Injektionselement 14, das hier eine Kanüle ist, durchgeführt. Durch die Radionuklid-Einlassöffnung 5 wird Radionuklid 2 eingebracht, während gleichzeitig Luft durch die erste Luft-Auslassöffnung 6 entnommen wird. Es wird jenes Volumen an Luft entnommen, das an Radionuklid 2 eingebracht wird, um den Einfüll-Prozess zu beschleunigen.

[0043] In Fig. 4B ist ein Ausschnitt eines Batteriezellengehäuses 3 zu sehen, wobei die Radionuklid-Einlassöffnung 5 ersichtlich ist. An der Radionuklid-Einlassöffnung 5 ist die Doppelmembran 13 angeordnet, durch die zwei Injektionselemente 14A, 14B durchgeführt sind. Das eine Injektionselement 14A wird dazu verwendet, Radionuklid 2 durch die Doppelmembran 13 in den Radionuklid-Aufnahmeraum 8 einzubringen. Das andere Injektionselement 14B wird dazu verwendet, Luft, die vom Radionuklid 2 verdrängt wird, aus dem Radionuklid-Aufnahmeraum 8 zu entnehmen. Dadurch ist keine separate Luft-Auslassöffnung 6 notwendig.

[0044] Fig 4C zeigt eine Detailansicht einer Ausführung der Radionuklid-Einlassöffnung 5 in dem Nuklidbatteriegehäuse 3, die nach der Befüllung des Radionuklid-Aufnahmeraums 8 mit dem Verschlusselement 11 verschlossen wurde.

[0045] Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Radionuklidbatteriezelle 1 mit dem Radionuklid-Aufnahmeraum 8, einer Schicht aus radio-lumineszentem Material 22 und einer Photodiode 23. Das radio-lumineszente Material 22 wird von der Strahlung des Radionuklids 2 angeregt, woraufhin Photonen emittiert werden. Die emittierten Photonen können bevorzugt eine Wellenlänge in einem Bereich von 1 nm bis zu 10 µm, insbesondere 200 nm bis 2000 nm, bevorzugt 200 nm bis 900 nm, aufweisen. Die Photodiode 23 kann beispielsweise Silizium (Si), kristallines Silizium (c-Si), monokristallines Silizium (m-Si), GaAs oder Perowskit aufweisen. Die Photodiode 23 kann alternativ eine organische Solarzelle oder eine DSSC ("Dye-sensitized solar cell") sein. Die zentrale abgestrahlte Wellenlänge kann mit einem Sensitivitätsmaximum der Photodiode 23 zusammenfallen, um den Wirkungsgrad der Radionuklidbatteriezelle zu erhöhen. Die Photonen werden von der Photodiode 23 absorbiert, wodurch ein elektrischer Strom bewirkt wird. In dieser Abbildung ist keine Radionuklid-Einlassöffnung 5 zu sehen, Details dazu siehe die Figuren 1 bis 4.

[0046] Die Umwandlung von einfallender radioaktiver Strahlung in Photonen durch das radio-lumineszente Material 22 wird durch den Einsatz von seltenen Erdoxiden, wie beispielsweise ZnS mit Dotierung erzielt. Die einfallende radioaktive Strahlung gibt Energie ab, dies führt zu angeregten Zuständen im radio-lumineszenten Material 22 und zu einer Sekundäremission von Photonen. Das radio-lumineszente Material 22 ist derart gewählt, dass die Wellenlängen der Photonenemissionen mit der Sensitivität der Photodiode 23 spektral überlappen und so möglichst viele Photonen genutzt werden können. Das radio-lumineszente Material kann Erdoxide und Phosphorsubstanzen, wie beispielsweise ZnS mit Silberdotierung in Beimengung von grünem Phosphor oder Strontiumaluminat in einem Massenverhältnis von 100:1 bis 1:100, insbesondere 10:1 und 1:10, bevorzugt 1:4, aufweisen. Das radio-lumineszente Material kann beispielsweise ZnS:Cu oder ZnS:Cu:Ag aufweisen. Das radio-lumineszente Material kann in Hinblick auf die Spezies des Radionuklids 2 bzw. die zu erwartende Strahlung abgestimmt werden. Die Ausbeute an Photonen aufgrund der einfallenden Strahlung kann optimiert werden. Beispielsweise kann das Verhältnis Photonen/MeV ("light yield") optimiert werden. Pro abgestrahlten Alpha-Partikel aus dem Radionuklid können beispielsweise bis zu 10^5 Photonen entstehen.

[0047] Es kann eine Wellenlängenoptimierung durch den Einsatz von Quantum-Dot-Halbleitern im Zusammenhang mit der Photodiode 23 erreicht werden, wobei die Sensitivität durch Quantum-Dots exakt auf die zentrale Wellenlänge der Emission des radio-lumineszenten Materials 22 abgestimmt wird.

[0048] Fig. 6A zeigt eine Photodiode 23, auf der eine Schicht aus radio-lumineszentem Material 22 aufgebracht ist. Es sind des Weiteren Distanzhalter 24 vorgesehen. Die Distanzhalter 24 sind aus einem chemisch-inerten und elektrisch isolierenden Material und für die vom radio-lumineszentem Material 22 abgestrahlten Photonen transparent. Die Distanzhalter 24 können beispielsweise wabenförmig oder als Gitter ausgebildet sein, wobei das Radionuklid 2 in den Freiräumen innerhalb der Distanzhalter 24 und zwischen den Distanzhaltern 24 angeordnet sein kann. Wie in Figur 6A rechts oder links unten gezeigt ist, kann die Schichtstruktur 25 aufgewickelt werden, bevor sie in dem Batteriezellengehäuse 3 angeordnet wird. Mittels der Distanzhalter 24 kann ein Volumen zwischen den Schichten aus radio-lumineszentem Material 22 und Photodioden 23 definiert sein, in das zu einem späteren Zeitpunkt Radionuklid 2 eingebracht werden kann. Die Distanzhalter 24 verbessern die mechanische wie elektrische Stabilität der Radionuklidbatteriezelle 1. Die Distanzhalter 24 ermöglichen die Stapelbarkeit oder die Einrollbarkeit der Photodiode 23 bzw. die Faltbarkeit. Die aufgewickelte Schichtstruktur 25 ist im Radionuklid-Aufnahmeraum des Batteriezellengehäuses 3 angeordnet. Alternativ kann die Schichtstruktur 25 auch gefaltet anstatt gerollt angeordnet sein, wie in Fig. 6B gezeigt ist.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Radionuklidbatteriezelle (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus emittierter Strahlungsenergie eines Radionuklids (2), aufweisend die Schritte:

Vorsehen von mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27), insbesondere zumindest einer Elektrode (15, 15A, 15B) und/oder einer Photodiode (23);

Assemblieren der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) innerhalb eines Batteriezellengehäuses (3) der Radionuklidbatteriezelle (1);

Befüllen eines Radionuklid-Aufnahmeraums (8) des Batteriezellengehäuses (3) im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) mit dem Radionuklid (2) durch eine Radionuklid-Einlassöffnung (5) des Batteriezellengehäuses (3); und

Verschließen der zumindest einen Radionuklid-Einlassöffnung (5) des Batteriezellengehäuses (3), um die Radionuklidbatteriezelle (1) zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschließen der Radionuklid-Einlassöffnung (5) ein Verschlusselement (11) an der Radionuklid-Einlassöffnung (5) angebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) über eine unlösbare Verbindung, insbesondere eine Fügeverbindung, beispielsweise eine Schweiß- oder Klebeverbindung, mit dem Batteriezellengehäuse (3) verbunden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) über eine lösbare Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung, mit dem Batteriezellengehäuse (3) verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einfüllen des Radionuklids (2) zumindest eine Membran (12) an der Radionuklid-Einlassöffnung (5) angeordnet wird und danach ein Injektionselement (14, 14A, 14B), insbesondere eine Kanüle, durch die Membran (12) geführt und schließlich das Radionuklid (2) durch das Injektionselement (14, 14A, 14B) in den Radionuklid-Aufnahmeraum (5) des Batteriezellengehäuses (3) eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einfüllen des Radionuklids (2) ein Ventilkörper (4) an der Radionuklid-Einlassöffnung (5) angeordnet wird, danach ein Einfüllelement (9) mit dem Ventilkörper (4) verbunden wird und das Radionuklid (2) mittels des Einfüllelements (9) durch den Ventilkörper (4) in den Radionuklid-Aufnahmeraum (8) des Batteriezellengehäuses (3) eingebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (4) nach dem Befüllen des Radionuklid-Aufnahmeraums (8) mit dem Radionuklid (2) in einer geschlossenen Ventilstellung angeordnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Radionuklid (2) durch die frei vorliegende Radionuklid-Einlassöffnung (5) eingefüllt wird, wobei das Radionuklid (2) bevorzugt im festen, insbesondere im granularen Zustand, oder im flüssigen Zustand vorliegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Befüllen eines Elektrolyt-Aufnahmeraums (17) des Batteriezellengehäuses (3) mit einem Elektrolyten durch eine Elektrolyt-Einlassöffnung (18).

10. Radionuklidbatteriezelle (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus emittierter Strahlungsenergie eines Radionuklids (2), aufweisend:

mechanische und/oder elektrische Betriebskomponenten (27), insbesondere zumindest einer Elektrode (15, 15A, 15B) und/oder einer Photodiode (23),

ein Batteriezellengehäuse (3), in dem die mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) assembliert sind,

wobei das Batteriezellengehäuse (3) einen Radionuklid-Aufnahmeraum (8) aufweist, in welchem das Radionuklid (2) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Batteriezellengehäuse (3) zumindest eine Radionuklid-Einlassöffnung (5) zum Befüllen des Radionuklid-Aufnahmeraums (8) des Batteriezellengehäuses (3) mit dem Radionuklid (2) im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) aufweist.

11. Radionuklidbatteriezelle (1) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Verschlusselement (1), mit welchem die Radionuklid-Einlassöffnung (5), vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht, verschlossen ist.

12. Radionuklidbatteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellengehäuse (3) zumindest eine erste Luft-Auslassöffnung (6) aufweist, um das Befüllen mit Radionuklid (2) zu vereinfachen.

13. Radionuklidbatteriezelle (1) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein weiteres Verschlusselement (11), mit welchem die erste Luft-Auslassöffnung (6), vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht, verschlossen ist.

14. Radionuklidbatteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellengehäuse (3) einen Elektrolyt-Aufnahmeraum (17) aufweist, in welchem ein Elektrolyt angeordnet ist, wobei das Batteriezellengehäuse (3) zumindest eine Elektrolyt-Einlassöffnung (18) zum Befüllen des Elektrolyt-Aufnahmeraums (17) des Batteriezellengehäuses (3) mit dem Elektrolyten im assemblierten Zustand der mechanischen und/oder elektrischen Betriebskomponenten (27) aufweist.

Zeichnung