Energieversorgung im Weltraum Wenn die Sonne nicht mehr reicht: Die Rückkehr der Nuklearbatterie ins All

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Ein CubeSat mit einer Tritium-Batterie ist auf einer Mission im All. Die Batterie erzeugt nicht besonders viel Leistung, schafft aber das, woran Solarzellen und Akkumulatoren prinzipbedingt scheitern: über Jahre hinweg kontinuierlich Energie liefern – unabhängig davon, wo die Sonne gerade steht.

Als der kleine Satellit BOHR im Juli 2026 an Bord von SpaceX Transporter-17 ins All gebracht wurde, war seine elektrische Leistung vermutlich das Unauffälligste an ihm. Kein Kernreaktor, keine Kilowattquelle, kein radioaktiver Generator, der eine Raumsonde über interplanetare Distanzen versorgt. Stattdessen demonstriert der CubeSat eine Technologie, deren Ausgangsleistung eher in die Welt extrem sparsamer Elektronik gehört: eine betavoltaische Energiequelle auf Tritiumbasis.

Trotzdem könnte gerade diese Mission eine größere Bedeutung haben als ihre Leistungsdaten zunächst vermuten lassen. Denn BOHR ist nicht nur ein Technologiedemonstrator. Die Mission ist zugleich ein Test dafür, ob nukleare Mikropower künftig aus der exklusiven Welt staatlicher Raumfahrtprogramme in die kommerzielle Raumfahrt übergehen kann.

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City Labs bezeichnet BOHR als ersten kommerziellen nuklearbetriebenen Satelliten und ersten nuklearen CubeSat. Dabei ist eine wichtige Differenzierung notwendig: Der Satellitenbus selbst wird weiterhin konventionell über Solarzellen versorgt. Die nukleare Energiequelle dient als eigenständige Stromversorgung für die Nutzlast und soll die NanoTritium-Technologie erstmals im Orbit validieren. Gerade diese Hybridarchitektur ist jedoch interessant. Sie zeigt, wie sich nukleare Mikropower nicht als Ersatz für Solarenergie, sondern als Ergänzung für diejenigen Funktionen einsetzen lässt, die niemals auf Sonnenlicht verzichten können.

Eine Batterie, die nicht geladen werden muss

Der Begriff „Nuklearbatterie“ weckt unweigerlich Assoziationen mit Radioisotopengeneratoren und großen Raumfahrtmissionen. Tatsächlich funktioniert eine betavoltaische Zelle aber grundlegend anders als ein RTG.

Ein Radioisotopengenerator nutzt die beim radioaktiven Zerfall entstehende Wärme. Ein thermoelektrischer Wandler erzeugt daraus elektrische Energie. Betavoltaik überspringt diesen thermischen Umweg. Das Grundprinzip ähnelt vielmehr einer Solarzelle.

Anstelle von Photonen treffen jedoch Beta-Teilchen auf einen Halbleiter. Diese energiereichen Elektronen erzeugen entlang ihrer Flugbahn Elektron-Loch-Paare. Befinden sich diese Ladungsträger innerhalb oder nahe genug an einer geeigneten p-n-Struktur, kann das elektrische Feld der Sperrschicht sie voneinander trennen. Es entsteht ein Strom.

Die grundlegende Kette lautet damit: radioaktiver Zerfall → Beta-Elektronen → Elektron-Loch-Paare → Ladungstrennung → elektrische Energie

Die Idee ist keineswegs neu. Betavoltaische Energiewandler werden seit Jahrzehnten untersucht. Ihr großer Vorteil liegt in einer ungewöhnlichen Kombination aus Eigenschaften: Sie benötigen weder Licht noch eine externe Energiezufuhr und können prinzipbedingt über sehr lange Zeiträume arbeiten. Ihre große Schwäche ist allerdings die wenige Leistung.

Genau deshalb waren sie bisher vor allem für Anwendungen interessant, bei denen nicht viel Energie benötigt wird, die Energiequelle aber extrem lange verfügbar sein muss – etwa für autonome Sensoren, schwer zugängliche Systeme oder bestimmte medizinische Anwendungen. Die wissenschaftliche Literatur beschreibt Betavoltaik entsprechend als Nischentechnologie mit potenziell sehr langer Lebensdauer, deren praktische Nutzung bislang vor allem durch geringe Leistungsdichte und begrenzte Umwandlungseffizienz eingeschränkt wird.

Warum ausgerechnet Tritium?

BOHR verwendet Tritium, das radioaktive Wasserstoffisotop ³H. Tritium zerfällt über Beta-Minus-Zerfall zu Helium-3: ³H → ³He + β^- + Antineutrino

Die dabei emittierten Beta-Elektronen besitzen vergleichsweise geringe Energien. Genau das ist für betavoltaische Anwendungen interessant. Bei einem hochenergetischen Beta-Strahler besteht ein grundlegendes Problem: Die Teilchen können tief in den Halbleiter eindringen und dort Schäden verursachen. Außerdem muss die Struktur des Wandlers so ausgelegt werden, dass möglichst viel der Zerfallsenergie tatsächlich in dem Bereich deponiert wird, aus dem die erzeugten Ladungsträger noch eingesammelt werden können.

Tritium ist dagegen ein relativ energiearmer Beta-Strahler. Seine Elektronen haben eine geringe Reichweite und stellen daher geringere Anforderungen an die Abschirmung. In der wissenschaftlichen Literatur gilt Tritium neben Nickel-63 als einer der interessantesten Kandidaten für langlebige betavoltaische Energiequellen. Gleichzeitig lässt sich Tritium beispielsweise in Metallhydriden beziehungsweise Tritiden binden, was für kompakte Energiequellen relevant sein kann.

Allerdings hat die geringe Energie der Beta-Teilchen eine Kehrseite. Je niedriger deren Energie, desto kleiner ist auch die Möglichkeit, große Mengen elektrischer Leistung aus einem kompakten Wandler zu gewinnen. Eine Tritium-Betavoltaik ist deshalb keine Konkurrenz zu einer Lithium-Ionen-Batterie, wenn kurzfristig Watt oder Kilowatt benötigt werden. Sie konkurriert mit etwas anderem. Nicht mit dem Akku, sondern mit dem Problem, dass ein Akku irgendwann leer ist.

Das eigentliche Problem heißt Leistungsdichte

Hier liegt der zentrale Unterschied zwischen einer spektakulären Technologie und einer universell einsetzbaren Energiequelle. Eine Betavoltaik-Zelle kann theoretisch über Jahre oder Jahrzehnte Energie liefern. Ihre momentane Ausgangsleistung bleibt jedoch gering. Das ist kein bloßes Entwicklungsproblem, sondern zum Teil eine direkte Folge der Physik.

Eine einzelne Beta-Emission kann zwar zahlreiche Elektron-Loch-Paare im Halbleiter erzeugen. Doch der Teilchenfluss ist im Vergleich zum Photonenfluss einer Solarzelle gering. Entsprechend liegt die Leistungsdichte deutlich unter der photovoltaischer Systeme. Hinzu kommen mehrere Verlustmechanismen.

Zunächst muss die Zerfallsenergie überhaupt den aktiven Halbleiter erreichen. Bei einer ungünstigen Geometrie absorbiert das radioaktive Material einen Teil seiner eigenen Beta-Strahlung – ein Effekt, der als Selbstabsorption bezeichnet wird. Dann müssen die erzeugten Ladungsträger eingesammelt werden, bevor sie rekombinieren. Die Tiefe, in der die Beta-Elektronen ihre Energie deponieren, muss deshalb möglichst gut zur Geometrie der Sperrschicht passen.

Hier entsteht ein anspruchsvolles Optimierungsproblem zwischen:

• Aktivität und Menge des radioaktiven Materials,

• Reichweite der Beta-Teilchen,

• Dicke des Halbleiters,

• Tiefe und Breite der aktiven Zone,

• Dotierungsprofil,

• Diffusionslänge der Ladungsträger,

• Oberflächengeometrie und

• Strahlungsschädigung des Materials.

Eine dickere Halbleiterstruktur ist nicht automatisch besser. Wird die Energie zu weit von der Sammelregion entfernt deponiert, rekombinieren Elektronen und Löcher, bevor sie zum elektrischen Strom beitragen können. Gleichzeitig darf die aktive Struktur nicht so dünn sein, dass ein relevanter Anteil der Zerfallsenergie ungenutzt hindurchtritt.

Modellierungen zeigen deshalb, dass selbst kleine Änderungen von Geometrie und Schichtdicke die erreichbare Effizienz erheblich beeinflussen können. Für Tritium-Silizium-Strukturen wurden theoretische und analytische Effizienzgrenzen im einstelligen bis niedrigen zweistelligen Prozentbereich diskutiert. Die realen Systeme liegen jedoch häufig deutlich darunter.

Warum moderne Halbleiter die Technologie wieder interessant machen

Dass Betavoltaik gerade jetzt wieder verstärkt diskutiert wird, liegt an der Halbleitertechnik. Mikrocontroller können über lange Zeiträume im Deep-Sleep arbeiten und nur für wenige Millisekunden aktiv werden. Sensoren benötigen teilweise nur noch Mikro- oder Milliwatt. Funkübertragungen können gepuffert und in größeren zeitlichen Abständen durchgeführt werden. Energie aus einer kontinuierlichen Quelle lässt sich in einem Kondensator oder Akku sammeln und anschließend kurzzeitig für eine leistungsintensive Aufgabe nutzen.

Dadurch muss die Nuklearbatterie keinen Spitzenstrom liefern, sondern über Stunden oder Tage genügend Energie akkumulieren, um den nächsten Arbeitszyklus zu ermöglichen.

Ein Sensor könnte beispielsweise die meiste Zeit praktisch keinen Strom benötigen. Eine kontinuierliche Mikropower-Quelle lädt in dieser Zeit einen Energiespeicher. Nach Stunden oder Tagen wird der Mikrocontroller aktiviert, misst, verarbeitet Daten und sendet ein kurzes Funksignal. Danach beginnt der Zyklus erneut. Die Nuklearbatterie muss dabei lediglich niemals aufhören Strom zu liefern.

Vom flachen Chip zur dreidimensionalen Nuklearzelle

Die klassische betavoltaische Zelle besitzt eine geometrische Einschränkung. Eine flache radioaktive Quelle strahlt in alle Richtungen. Befindet sich der Halbleiter nur auf einer Seite, geht ein erheblicher Anteil der Beta-Strahlung verloren. Außerdem ist die Reichweite insbesondere der niederenergetischen Tritium-Elektronen begrenzt.

Deshalb gewinnt die Geometrie des Wandlers zunehmend an Bedeutung. Mikrostrukturierte Halbleiter mit Poren, Säulen, Gräben oder anderen dreidimensionalen Strukturen können die aktive Oberfläche massiv vergrößern. Statt einer radioaktiven Quelle vor einer planaren Halbleiterfläche könnte eine dreidimensionale Architektur die Quelle und den Wandler wesentlich enger miteinander verschachteln.

Das Ziel bei solchen Zellen lautet mehr Zerfallsenergie im aktiven Halbleitervolumen deponieren, ohne den Weg der erzeugten Ladungsträger bis zur Sammelstruktur zu verlängern. Damit wird Betavoltaik zunehmend zu einer Fragestellung der Mikro- und Nanofabrikation.

Wie lassen sich dreidimensionale p-n-Strukturen herstellen? Wie tief darf eine Struktur sein? Welche Oberfläche maximiert die Energieabsorption? Wie verändert sich die Rekombination? Und wie lässt sich eine radioaktive Quelle so integrieren, dass Selbstabsorption, Abschirmung und Strahlungsschädigung minimiert werden?

Aktuelle Arbeiten zu hochvolumigen und mehrstufigen Betavoltaikstrukturen zeigen, dass gerade die bessere Ausnutzung des aktiven Volumens erhebliche Verbesserungen der Leistungsdichte ermöglichen kann. Gleichzeitig bleibt die Herausforderung bestehen, solche Konzepte mit einer realistischen Fertigung, langfristiger Zuverlässigkeit und geeigneter Verkapselung zu verbinden.

BOHR löst noch nicht das Leistungsproblem – aber möglicherweise das Zulassungsproblem

Genau hier wird die BOHR-Mission interessant. Technologisch ist eine Betavoltaik im Weltraum nicht völlig revolutionär. Radioisotopische Energiequellen begleiten die Raumfahrt seit Jahrzehnten. Große interplanetare Missionen nutzen RTGs oder andere radioisotopische Systeme, wenn Solarenergie nicht ausreicht oder nicht verfügbar ist.

Der Unterschied besteht in der Skalierung und Kommerzialisierung. BOHR soll zeigen, dass eine kleine tritiumbasierte Energiequelle in einen kommerziellen CubeSat integriert und auf einem kommerziellen Rideshare-Flug gestartet werden kann. Mindestens ebenso wichtig ist dabei der regulatorische Weg.

Nach Angaben von City Labs erhielt die Mission im September 2025 eine FAA Payload Authorization. Das Unternehmen sieht BOHR damit als Demonstration dafür, dass kommerzielle Raumfahrtunternehmen tritiumbasierte Systeme innerhalb des bestehenden US-Zulassungsrahmens integrieren können – vorausgesetzt, Sicherheitsanalysen, Containment und regulatorische Dokumentation erfüllen die entsprechenden Anforderungen. Das könnte langfristig sogar wichtiger sein als die elektrische Leistung des Demonstrators.

Denn eine Technologie kann physikalisch funktionieren und trotzdem kommerziell bedeutungslos bleiben, wenn jede einzelne Anwendung einen langwierigen regulatorischen Sonderfall darstellt. BOHR könnte deshalb als eine Art Demonstrator verstanden werden.

Wo die Sonne tatsächlich zum Problem wird

Im erdnahen Orbit ist Solarenergie für die meisten Satelliten eine hervorragende Lösung. Sie ist verfügbar, etabliert und liefert hohe Leistungsdichten. Eine Betavoltaik wird daran nichts ändern. Ihre potenzielle Bedeutung beginnt dort, wo Solarzellen an physikalische oder missionsbedingte Grenzen stoßen.

Zum Beispiel auf der dunklen Seite des Mondes. Oder auch in tiefen Kratern nahe der Pole. Dort gibt es Bereiche, die über extrem lange Zeiträume kein direktes Sonnenlicht erhalten. Gleichzeitig gelten gerade solche Regionen als wissenschaftlich interessant, unter anderem wegen möglicher Wassereisvorkommen. Eine klassische Energieversorgung benötigt dort entweder eine externe Leitung, einen großen Energiespeicher oder eine alternative Energiequelle. Hier könnte eine nukleare Mikropower-Quelle dauerhaft Sensoren, Messsysteme oder extrem energiesparende Elektronik versorgen.

Ähnliches gilt für Deep-Space-Missionen. Mit zunehmender Entfernung von der Sonne sinkt die verfügbare Solarleistung mit dem Quadrat der Distanz. In großer Entfernung werden die notwendigen Solarflächen entsprechend immer größer.

Die eigentliche Frage ist jetzt: Wird aus einer Nische ein Markt?

Statt einer nuklearen Revolution markiert BOHR eine praxistaugliche Lösung für eine wachsende Lücke in der Raumfahrt: Durch miniaturisierte Elektronik sinkt der Energiebedarf autonomer Systeme in einen Bereich, der für Akkus zu langlebig, für Solarenergie zu lichtunabhängig und für Generatoren zu klein ist. Ob aus der Betavoltaik trotz physikalischer Grenzen bei Leistungsdichte und Effizienz ein kommerzieller Markt wird, hängt vor allem vom regulatorischen Präzedenzfall ab. Der entscheidende Durchbruch der Mission liegt daher nicht in der erzeugten Strommenge, sondern im Nachweis, dass eine nukleare Mikropower-Quelle die Hürden für kommerzielle Starts überwinden kann. (mr)

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