DE102013011499A1

DE102013011499A1 - Betavoltenergiequellen für Transport-Anwendungen

Info

Publication number: DE102013011499A1
Application number: DE102013011499.3A
Authority: DE
Inventors: Arthur W. Zafiropoulo; Andrew M. Hawryluk
Original assignee: Ultratech Inc
Current assignee: Ultratech Inc
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-15
Also published as: TW201405576A; US9266437B2; US20140021826A1; KR20140012888A; CN103730180A; SG196727A1; JP2014055938A; TWI501258B; JP5883830B2

Abstract

Eine Betavoltaikenergiequelle für Transport-Vorrichtungen und -Anwendungen ist offenbart, wobei die Vorrichtung eine gestapelte bzw. geschichtete Konfiguration von Isotopenschichten und Energieumwandlungsschichten aufweist. Die Isotopenschichten haben eine Halbwertszeit zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren und erzeugen Strahlung mit Energie im Bereich von etwa 15 keV bis etwa 200 keV. Die Betavoltaikenergiequelle ist aufgebaut, um ausreichend Energie bereitzustellen, um die Transport-Vorrichtung über deren nutzbare Lebensdauer zu betreiben.

Description

VERWEIS AUF IN ZUSAMMENHANG STEHENDE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC § 119(e) aus der U.S Provisional Patentanmeldung, Seriennummer 61/674,781, eingereicht am 23. Juli 2012, die hier durch Bezugnahme einbezogen wird.
Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung Seriennr. 13/863,283, eingereicht am 15. April 2013, die hier durch Bezugnahme einbezogen ist.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Energiequellen bzw. Leistungsquellen bzw. Stromquellen und noch allgemeiner auf Betavoltaikenergiequellen bzw. Betavoltaikleistungsquellen für Transport-Anwendungen.
HINTERGRUND-STAND DER TECHNIK
Das elektrische Automobil bietet der Gesellschaft eine Möglichkeit, weniger fossile Brennstoffe für den Transport zu verwenden. Ein signifikantes Hindernis für die Akzeptanz von elektrischem Automobiltransport ist die verfügbare Reichweite und die Aufladezeit, die zur Aufladung der Batterie bzw. Batterien erforderlich ist. Schließlich ist die Reichweite durch die Kapazität der Batterie, die im Automobil untergebracht ist, begrenzt. Die Kapazität der Batterie definiert die Menge an gespeicherter Energie bzw. gespeichertem Strom, die/der die Reichweite für die meisten Anwendungen festlegt.
Ein Beispiel einer typischen elektrischen Autobatterie ist das Batteriesystem auf Lithiumbasis für das elektrische Automobil Roadster, hergestellt von und vertrieben durch Tesla Motors. Zur Zeit dessen Entwicklung war es eine der größten und technisch am fortgeschrittensten Lithiumionenbatterien weltweit. Diese hatte die Fähigkeit, ausreichend Energie zu speichern, um den Roadster mehr als 200 Meilen ohne erneutes Aufladen anzutreiben. Die Batterie speicherte etwa 53 kWh elektrischer Energie. Jedoch ist der Roadster ein kleines Fahrzeug. Ein Ersatz für diese Lithiumionenbatterie müsste zumindest genauso viel Energie und möglicherweise sogar mehr speichern können.
Es wird daher eine Batterie benötigt, die ausreichend Energie erzeugen kann, um ein elektrisches Automobil ohne Aufladung anzutreiben oder nach einer ausgedehnten Zeitspanne (wie einem Jahr oder mehreren Jahren) einen einfachen Batterieersatz durch eine weitere Batterie zur Langzeitverwendung bereitstellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf Betavoltaikenergiequellen bzw. -leistungs- bzw. -stromquellen für die Versorgung von Transportvorrichtungen, wie elektrische Auotmobile und andere Typen von elektrischen Fahrzeugen. Die Betavoltaikenergiequelle liefert kontinuierlichen Betrieb für eine Zeitspanne, die in etwa der nutzbaren Lebensdauer der Transportvorrichtung oder einem wesentlichen Teil der nutzbaren Lebensdauer entspricht. Die nutzbare Lebensdauer kann irgendwo von 6 Monaten bis zehn Jahren liegen, z. B. 6 Monate bis 5 Jahre sein.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf eine Betavoltaikenergiequelle bzw. -stromquelle für die Versorgung von elektrischen Transportvorrichtungen, wie Automobilen, ist aber nicht einfach auf Automobile beschränkt. Von anderen Transportvorrichtungen, wie Motorräder, Lastwagen, Drei- und Mehrradtransportvorrichtungen, Personentransportvorrichtungen (z. B. wie jene, hergestellt von Segway Inc.), Golfwagen, Roller etc. wird sämtlich erwartet, dass sie aus dieser Offenbarung Nutzen ziehen. Die Betavoltaikenergie- bzw. -stromquelle ist aufgebaut, um einen kontinuierlichen Betrieb über eine Zeitspanne bereitzustellen, die etwa der nutzbaren Lebensdauer der Transportvorrichtung oder einem wesentlichen Teil der nutzbaren Lebensdauer entspricht.
Die hier offenbarten Betavoltaikenergiequellen bzw. Betavoltaikstromquellen bzw. Betavoltaikleistungsquellen können ausgestaltet werden, um eine ausgewählte Menge an Energie bzw. Strom bereitzustellen, die für eine vorgegebene elektrische Transport-Vorrichtung verwendbar ist, die eine nutzbare Lebensdauer aufweist. Die Integration von ausgewählten Isotopen mit einer Schicht- bzw. Stapelbauweise (Mehrlagen bzw. Multischicht) von Isotopenmaterial und Energieumwandlungsmaterial liefert Energieniveaus, die Größenordnungen höher liegen als Betavoltaikenergiequellen aus dem Stand der Technik. Die Betapartikel („Betas”) genauso wie Röntgenstrahlen und Gammastrahlen („Gammas”) werden in verwendbare Elektrizität umgewandelt, um Transport-Vorrichtungen zu betreiben.
Die Betavoltaikenergie- bzw. -stromquelle beruht auf Kernreaktionen in Zusammenhang mit Isotopen, um gespeicherte Energie in Elektrizität umzuwandeln. Betavoltaikenergiequellen arbeiten traditionell mit der Umwandlung von Betapartikeln (Elektronen) in Energie unter Verwendung eines sehr langlebigen Isotops. Sie werden herkömmlicherweise für Niedrigenergieanwendungen verwendet und wo die Zugänglichkeit zur Vorrichtung unpraktisch ist, wie in einem Raumschiff und in Satelliten.
Die vorliegende Betavoltaik-Vorrichtung liefert eine Menge an elektrischer Energie bzw. Strom, die für Transportvorrichtungen geeignet ist. Die Integration von ausgewählten Isotopen in eine Stapel-(Mehrlagen- bzw. Multischicht-)Architektur von Isotopenmaterial und Energieumwandlungsmaterial liefert Energie- bzw. Stromniveaus, die Größenordnungen höher sind als bei Betavoltaikenergie- bzw. -stromquellen aus dem Stand der Technik. Die Beta-Partikel, genauso wie Röntgenstrahlen und Gamma-Strahlen werden in verwendbare Elektrizität umgewandelt, um Transport-Vorrichtungen zu betreiben.
Ein Aspekt der Offenbarung ist eine Betavoltaikenergiequelle für eine Transport-Vorrichtung mit einer nutzbaren Lebensdauer. Die Quelle umfasst eine Vielzahl von Isotopenschichten, wobei jede Isotopenschicht ein Isotopenmaterial umfasst, das Strahlung entweder als Betateilchen, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen mit einer Energiemenge emittiert, die größer ist als etwa 15 keV und kleiner als etwa 200 keV und mit einer Halbwertszeit, die zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren liegt. Die Quelle umfasst ebenfalls eine Vielzahl von Energieumwandlungsschichten, die zwischen einige oder sämtliche der Isotopenschichten angeordnet sind und die die Energie der Strahlung aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln, die ausreicht, um die Transport-Vorrichtung über die nutzbare Lebensdauer mit Energie zu versorgen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Energieumwandlungsschichten GaN umfassen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Energieumwandlungsschichten jeweils eine Dicke von etwa 10 bis 20 μm aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei das Isotopenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe von Isotopenmaterialien, umfassend: (3)H, (194)Os, (171)Tm, (179)Ta, (109)Cd, (68)Ge, (159)Ce und (181)W.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle wie oben beschrieben, und weiterhin umfassend ein Strahlungsabsorptionsschild bzw. einen Strahlungsabsorptionsschirm, funktionsbereit angeordnet, um im Wesentlichen zu verhindern, dass die Betapartikel, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen die Betavoltaikenergiequelle verlassen bzw. aus ihr austreten.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei benachbarte Isotopen- und Energieumwandlungsschichten Schichtpaare definieren und wobei die Betavoltaikenergiequelle zwischen 500 und 10.000 Schichtpaare umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Isotopenschichten aus dem gleichen Isotopenmaterial gebildet sind.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Menge an elektrischer Energie mindestens 100 W beträgt.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, und weiterhin umfassend Kühlleitungen, die Wärme von den Isotopen- und den Energieumwandlungsschichten abführen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, und weiterhin umfassend die Transport-Vorrichtung, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist eine Betavoltaikenergiequelle für eine Transport-Vorrichtung mit einer nutzbaren Lebensdauer. Die Quelle umfasst eine Vielzahl von Isotopenschichten, wobei jede Isotopenschicht ein Isotopenmaterial umfasst, das Strahlung mit einer Energiemenge emittiert, die größer ist als etwa 15 keV und weniger als etwa 200 keV beträgt, und mit einer Halbwertszeit, die zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren liegt. Die Quelle umfasst ebenfalls eine Vielzahl von Energieumwandlungsschichten, die zwischen einige oder sämtliche der Isotopenschichten eingeschoben sind und die Energie der Strahlung aufnehmen und in elektrische Energie von nicht weniger als 100 W umwandeln, um die Transport-Vorrichtung über eine nutzbare Lebensdauer von zwischen 0,5 Jahren und 5 Jahren mit Energie zu versorgen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei ein oder mehrere Energieumwandlungsschichten eine Diodenstruktur aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Diodenstruktur entweder GaN oder Ge aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei das Ge (68)Ge umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei benachbarte Isotopen- und Energieumwandlungsschichten Schichtpaare definieren und wobei die Betavoltaikenergiequelle zwischen 500 und 10.000 Schichtpaare aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Isotopenschichten aus ersten und zweiten Isotopen mit verschiedenen Halbwertszeiten gebildet sind.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergie- bzw. -stromquelle wie oben beschrieben, wobei die Isotopenschichten aus dem gleichen Isotopmaterial gebildet sind.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, wobei die Strahlung mindestens eine von aufweist: Betapartikel, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, und weiterhin umfassend die Transport-Vorrichtung.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist die Betavoltaikenergiequelle, wie oben beschrieben, und weiterhin umfassend eine herkömmliche Batterie, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung, die nachfolgend vorgelegt wird, einen Überblick oder Rahmen zum Verständnis der Art und des Charakters der Offenbarung, wie diese beansprucht wird, bereitstellt. Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um weiteres Verständnis der Offenbarung bereitzustellen und sind in diese Beschreibung einbezogen und stellen einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung und zusammen mit der Beschreibung dienen sie zur Erläuterung der Prinzipien und Umsetzung der Offenbarung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1, 2, 3, 4A und 4B sind schematische Darstellungen von beispielhaften Ausführungsformen der Betavoltaikenergiequelle bzw. Betavoltaikleistungsquelle bzw. Betavoltaikstromquelle der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Transport-Vorrichtung (z. B. ein elektrisches Auto), das die Betavoltaikenergiequelle der vorliegenden Offenbarung verwendet, das zusammen mit einer opionalen herkömmlichen Batterie gezeigt ist;
die 6A und 6B zeigen Seitenan- bzw. Draufsichten einer beispielhaften Ausführungsform einer Energieumwandlungsschicht, ausgebildet als Diode;
7A zeigt eine Seitenansicht von zwei Energieumwandlungsschichten auf Diodenbasis funktionsbereit angeordnet relativ zur Isotopenschicht;
7B zeigt dieselbe Vorrichtung wie 7A, aber um 90° gedreht, um eine beispielhafte Konfiguration der Elektroden der Energieumwandlungsschicht auf Diodenbasis zu veranschaulichen;
7C ist ähnlich zu 7B und zeigt die Elektroden, die mit einer externen Transport-Vorrichtung elektrisch verbunden sind; und
8 ist ähnlich zu 3 und veranschaulicht die Verwendung von (68)Ge als der Energieumwandlungsschicht in der Betavoltaikenergiequelle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nunmehr wird detailliert auf verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer möglich, werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen und Symbole durchweg in den Zeichnungen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile zu verweisen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise im Maßstab, und ein Fachmann im Stand der Technik wird erkennen, wo die Zeichnungen vereinfacht wurden, um die Schlüsselaspekte der Offenbarung zu veranschaulichen.
Die Ansprüche, wie nachfolgend dargestellt, sind in diese detaillierte Beschreibung einbezogen und stellen einen Teil dieser dar.
Die Abkürzung „mW”, wie hier verwendet, bedeutet „Milliwatt”.
Die Isotope werden hier als (x) y bezeichnet, wobei x die Massenzahl und y das Elementsymbol darstellt.
Der Begriff „Strahlung” wird hier in Zusammenhang mit der Radioaktivität eines Isotops verwendet und umfasst sowohl emittierte Partikel als auch elektromagnetische Wellen.
Der Begriff „Betavoltaik”, wie hier verwendet, ist nicht auf Betapartikel beschränkt und umfasst andere Nicht-Betastrahlung, wie Gammastrahlen und Röntgenstrahlen. Somit ist der Begriff „Betavoltaikenergiequelle” bzw. „Betavoltaikleistungsquelle” bzw. „Betavoltaikstromquelle”, wie hier verwendet, synonym mit „Energiequelle auf Isotopenbasis” bzw. „Leistungsquelle auf Isotopenbasis” bzw. „Stromquelle auf Isotopenbasis”, da diese zwei Begriffe im Stand der Technik häufig synonym verwendet werden.
Jede Patentanmeldung oder Veröffentlichung, die hier zitiert wird, ist hier durch Bezugnahme einbezogen, einschließlich der nachfolgenden US-Patente, Patentveröffentlichung und veröffentlichen Artikel und Präsentationen: 7,301,254 ; 7,622,532 ; 7,663,288 ; 7,939,986 ; 8,017,412 ; 8,134,216 ; 8,153,453 ; 2011/0031572 ; Hornsberg et al., "GaN betavoltaic energy converters," 0-7803-8707-4/05, 2005 IEEE; Präsentation der Arlington Technology Association, mit dem Titel "The BetaBatteryTM – A long-life, self-recharging battery," 03. März 2010; Präsentation von Larry L. Gadekan, "Tritiated 3D diode betavoltaic microbattery," IAEA advanced Workshop, Advanced Sensors for Safeguards, 23.–27. April 2007.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf Betavoltaikenergiequellen bzw. Betavoltaikleistungsquellen bzw. Betavoltaikstromquellen für Transport-Vorrichtungen und Transport-Anwendungen. Es gibt bestimmte Typen von Energiequellen bzw. Leistungsquellen bzw. Stromquellen, die Isotope verwenden, wobei ein oder mehrere dünne Schichten von Isotopenmaterial (Isotopenschicht) von einem Energieumwandlungsmaterial (Energieumwandlungsschicht) umgeben ist/sind. Die Energieumwandlungsschicht wirkt wie ein Generator. Im Allgemeinen nimmt diese vom Isotop Strahlung auf und wandelt die Energie der Strahlung in verwendbare Elektrizität um, d. h. eine Menge an elektrischem Strom, die eine entsprechende Menge an elektrischer Energie repräsentiert.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Betavoltaikenergiequelle 6, die eine Stapel- bzw. Schichtstruktur aufweist, definiert durch Energieumwandlungsschichten (-filme) 10 und Isotopenschichten (-filme) 20. Die Energieumwandlungsschichten 10 sind zwischen einige oder sämtliche der Isotopenschichten 20 dazwischengeschoben. In einem Beispiel, wie in 1 gezeigt, umfasst die Stapel- bzw. Schichtstruktur alternierende Energieumwandlungsschichten 10 und Isotopenschichten 20.
In einem Beispiel umfasst das Material, das die Energieumwandlungsschichten 10 aufbaut, GaN oder besteht hieraus, wobei das Material, das die Isotopenschichten aufbaut, (179)Ta umfasst oder hieraus besteht. Somit weist in einer beispielhaften Ausführungsform die Betavoltaikenergiequelle 6 eine Stapel- bzw. Schichtstruktur auf, definiert durch GaN/(179)Ta/GaN/(179)Ta/GaN/(179)Ta/...../GaN, wobei jede Energieumwandlungsschicht 10 etwa 10 μm bis 20 μm dick ist. Somit ist in einem Beispiel die Stapel- bzw. Schichtstruktur der Betavoltaikenergiequelle 6 definiert durch eine Folge von alternierenden „Schichtpaaren” 30 von Schichten 10 und 20.
Die spezifische Ausgestaltung der Betavoltaikenergiequelle 6, die hier offenbart ist, basiert auf einer Anzahl von grundlegenden Anforderungen bzw. Voraussetzungen für die Energieversorgung einer Transport-Vorrichtung:

1) eine Lebensdauer, die vergleichbar ist mit (und möglicherweise etwas länger ist als) die Lebensdauer der Transport-Vorrichtung;
2) ausreichende durchschnittliche Energieerzeugung, um die Bedürfnisse des Verbrauchers zu erfüllen; und
3) für die Umwelt sicher und Konsumenten-freundlich, d. h. emittiert keine Strahlung, die für den Menschen, die Umgebung oder irgendwelche benachbarten elektronischen Vorrichtungen schädlich ist.

Die Isotope haben eine bekannte Halbwertszeit. Zusätzlich ist die Emission des Zerfallprozesses im Allgemeinen bekannt. Die Emission von zerfallenden Isotopen fällt im Allgemeinen in die nachfolgenden Kategorien:

1) Gammastrahlung (Gammas): Dies ist Strahlung, deren Quelle der Kern des Atoms ist. Die Energie der Strahlung wird in keV gemessen.
2) Röntgenstrahlung: Dies ist Strahlung, deren Quelle die das Atom umgebenden Elektronen sind. Die Energie der Strahlung wird in keV gemessen.
3) Betaemission (Betas): Ein „Beta” ist ein vom Atom ausgestoßenes Elektron. Die Energie des Elektrons wird in keV gemessen.
4) Alphaemission (Alphas): Ein „Alpha”-Partikel ist ein ausgestoßenes Heliumatom. Die Energie der „Alpha”-Partikel wird in keV gemessen.

Es ist festzuhalten, dass die Gammastrahlen und Röntgenstrahlen im Wesentlichen gleich sind (beides sind elektromagnetische Strahlung), außer, dass die Quelle der Strahlung unterschiedlich ist. Gammas kommen vom Kern eines Atoms und Röntgenstrahlen kommen von den das Atom umkreisenden Elektronen.
Die beispielhaften Betavoltaikenergiequellen 6, die hier offenbart sind, wandeln mindestens eines von: Betas, Gammas und Röntgenstrahlen in verwendbare Energie um und insbesondere in elektrische Energie. In einem Beispiel werden Energieumwandlungsschichten 10 vom GaN-Typ oder Ge-Typ verwendet. In einem Beispiel werden Energieumwandlungsschichten 10 aus verschiedenen Materialien verwendet. In einem Beispiel werden ebenfalls verschiedene Isotopenschichten 20 eingesetzt.
Die durch eine Betavoltaikenergiequelle 6 erzeugte Energie ist proportional zur Anzahl der vom Isotop pro Zeiteinheit emittierten Partikel, die wiederum von der Anzahl der Isotopenatome und der Halbwertszeit des Isotops abhängt. Wenn die Isotopenschicht „vollständig umgewandelt” ist (d. h. nicht durch die Gegenwart von anderen Materialien verdünnt wird), dann ist die Energie, die in der Isotopenschicht gespeichert ist, maximiert.
Der einzige Weg, um die Energie zu erhöhen, die durch eine Betavoltaikenergiequelle 6 geliefert wird, ist, die Halbwertszeit des Isotops zu verringern, wodurch die Anzahl von emittierten Partikeln pro Zeiteinheit erhöht wird, weil die Anzahl der Quellatome in der Isotopenschicht konstant ist. Daher sind für hoch energetische und relativ kurzlebige Vorrichtungen (z. B. bis zu zehn Jahre oder nur einige wenige Jahre oder wenige Monate und nicht mehrere zehn Jahre) Isotope mit entsprechend kürzeren Halbwertszeiten erforderlich.
Da die meisten Verbraucher-Transport-Vorrichtungen eine Haltbarkeit haben, die von wenigen Monaten bis zu zehn Jahren reicht (wobei die meisten eine maximale Haltbarkeit von nur einigen wenigen Jahren aufweisen), werden Isotope mit einer Halbwertzeit einer ähnlichen Größe berücksichtigt, wobei ein spezifisches Beispiel einer Halbwertszeit im Bereich von etwa 0,5 Jahren bis etwa 5 Jahren liegt. Wenn man von einem Isotop ausgeht, das eine kürzere Halbwertszeit als (63)Ni aufweist (und unter Annahme, dass beide Isotopenschichten vollständig umgewandelt werden), kann die Anzahl der emittierten Partikel pro Zeiteinheit durch das Verhältnis der Halbwertszeiten erhöht werden.
Ebenfalls in einem Beispiel verwenden die hier offenbarten Betavoltaikenergiequellen 6 ein Isotop, dessen Emission für einen Verwender nicht gefährlich wäre. Für Gammas und Röntgenstrahlenemissionen weisen beispielhafte Isotope zur Verwendung in der Isotopenschicht 20 Energien von weniger als etwa 250 keV oder sogar weniger als 200 keV auf.
In den hier offenbarten Betavoltaikenergiequellen 6 können die Isotope Betas, Röntgenstrahlen oder Gammas emittieren. Sowohl Röntgenstrahlen als auch Gammas können Löcher und Elektronenpaare im GaN-Material erzeugen und unterstützen die Energieerzeugung. In einem Beispiel wird mehr als ein Typ von Isotopen verwendet. In einem Beispiel werden mindestens eines von: Elektronen (Betas), Röntgenstrahlen oder Gammas eingesetzt.
Beispielhafte Kriterien für das Material, das für die Isotopenschichten 20 verwendet wird, umfasst die nachfolgenden:

1) eine kurze Halbwertszeit, die im Wesentlichen mit der verwendbaren Haltbarkeit der Transport-Vorrichtung oder Anwendung übereinstimmt;
2) Emission der erforderlichen Menge an gespeicherter Energie, um die erforderliche Menge an elektrischer Energie bzw. Strom während der nutzbaren Lebensdauer bereitzustellen.
3) Emittieren von Betas, Gammas oder Röntgenstrahlen mit Energien von weniger als 250 keV.
4) Emittieren von Betas, Gammas und Röntgenstrahlen mit Energien größer als 15 keV.
5) Keine Emission von Alphapartikeln.

Kriterium 1 oben erfordert das Abziehen sämtlicher Energie aus der Isotopenschicht 20 in einer Zeit, die ähnlich zur nutzbaren Lebensdauer der Transport-Vorrichtung ist. Dies stellt sicher, dass die maximale Energie der Betavoltaikenergiequelle 6 verfügbar ist. Kriterium 2 stellt sicher, dass die Transport-Vorrichtung über ausreichend elektrische Energie verfügt. Kriterium 3 stellt sicher, dass die Emission von der Isotopenschicht 20 ohne signifikant schädliche Nebeneffekte entweder für die Transport-Vorrichtung oder für den Menschen effektiv verwendet werden kann. Kriterium 4 ist dazu da, um sicherzustellen, dass die Emission eine verwendbare minimale Menge an Energie erzeugt. Kriterium 5 vermeidet die zuvor erwähnten Nachteile von energetischen Alpha-Partikeln.
Ein weiteres Kriterium ist, dass die Energieumwandlungsschichten 10 aus einer Verbindung vom III–IV-Typ aufgebaut sind, um die Betavoltaikenergiequelle 6 strahlungsfest auszulegen. Es ist bekannt, dass Siliziumvorrichtungen mit ihren schmalen Bandlücken gegenüber Beschädigungen durch Hochenergiestrahlung und/oder Betas anfälliger sind, wohingegen GaN- oder AlGaN-Vorrichtungen viel beschädigungsresistenter sind.
In einem Beispiel ist es bevorzugt, dass das Isotopenmaterial künstlich erzeugt werden kann.

Die nachfolgende Tabelle stellt beispielhafte Isotope und ihre Halbwertzeiten, Emissionsenergie und die Art der Herstellung dar. Es ist festzuhalten, dass die Spalten für die emittierten Spezies die maximale Energie für diese Spezies auflisten. Typischerweise ist die Emission ein Kontinuum. Beispielsweise ist für (179)Ta die maximale Röntgenstrahlenemission 65 keV. Jedoch ist dies ein Emissionskontinuum von 6 keV bis 65 keV. Die Röntgenstrahlen niedriger Energie sind insbesondere zur Erzeugung von Elektrizität verwendbar.

Isotop	Halbwertszeit (Jahre)	Max Gamma (keV)	Max Röntgenstrahl (keV)	Max Beta (keV)	Bekannte Herstellungsarten
3H	12,3			18,6	Geladene Partikel und thermische Neutronaktivierung
(194)Os	6,0	82	75	87	Thermische Neutronaktivierung
(228)Ra	5,76	31	19	40	Natürlich vorkommend
Isotop	Halbwertszeit (Jahre)	Max Gamma (keV)	Max Röntgenstrahl (keV)	Max Beta (keV)	Bekannte Herstellungsarten
(155)Eu	4,76	146	50	252	Schnelle und thermische Neutronaktivierung
(147)Pm	2,63	197	46	224	Schnelle und thermische Neutronaktivierung
(171)Tm	1,92	67	61	96	Schnelle und thermische Neutronaktivierung
(172)Hf	1,87	202	63	284	Geladene Partikelreaktion
(179)Ta	1,82	65	keine	111	Photon- und schnelle Neutronaktivierung
(109)Cd	1,27	88	25	126	Schnelle und thermische Neutronaktivierung
(106)Ru	1,02	keine	keine	39,4	Spaltung durch Produkt
(68)Ge	0,74	keine	10,4	106	Geladene Partikelreaktion
(195)Au	0,51	211	78	226	Geladene Partikel und schnelle Neutronaktivierung
(45)Ca	0,45	12,4	4,5	257	Schnelle und thermische Neutronaktivierung
(139)Ce	0,38	166	39	112	Schnelle und thermische Neutronaktivierung
(181)W	0,33	152	67	188	Schnelle und thermische Neutronaktivierung

Aus der obigen Liste von Isotopen und den oben dargelegten Kriterien sind die unterstrichenen und fettgedruckten Isotope in der Tabelle potentiell am besten zur Verwendung als Isotopenschichten 20 geeignet.
Andere Isotope in der obigen Tabelle können unter ausgewählten Umständen verwendet werden. Beispielsweise können jene Isotope, die hoch energetische Betas emittieren, nach wie vor arbeiten, aber können mehr Schaden in einer Energieumwandlungsschicht 20 auf GaN-Basis erzeugen. Isotope, die Gammas emittieren, die sehr hohe Energie aufweisen, erfordern zusätzliche Abschirmung. Isotope, die kein bekanntes künstliches Herstellungsverfahren haben, haben beschränkte Verfügbarkeit. Isotope, die ein Produkt einer Spaltung sind, können ebenfalls begrenzte Verfügbarkeit haben.
Für Transport-Vorrichtungen mit einer zu erwartenden nutzbaren Lebensdauer von etwa 10 Jahren kann es erwünscht sein, (3)H für die Isotopenschichten 20 einzusetzen. Weil (3)H (Deuterium) nicht fest ist, umfasst die Deuteriumisotopenschicht 20 in einer beispielhaften Ausführungsform Deuterium, kombiniert mit einem weiteren Material, um die Isotopenschicht zu verfestigen.
Für Transport-Vorrichtungen mit einer verwendbaren Lebensdauer von etwa 5 Jahren ist (194)Os eine erwünschte Isotopenwahl.
Für Transport-Vorrichtungen mit einer verwendbaren Lebensdauer von etwa 2 Jahren ist (179)Ta eine erwünschte Isotopenwahl.
Für Transport-Vorrichtungen mit einer verwendbaren Lebensdauer von weniger als 1 Jahr ist (68)Ge eine wünschenswerte Isotopenauswahl.
Somit sind sämtliche der oben aufgelisteten Isotope potentiell für die Isotopenschichten 20 verwendbar, obwohl man mit einigen einfacher arbeiten kann und diese geringere Kosten bedingen.
Elektrische Strom- und Energieberechnungen
Um zu beurteilen, wie viel elektrischer Strom und elektrische Energie durch die Betavoltaikenergiequelle 6 erzeugt werden kann, nimmt man eine Isotopenschicht 20 an, die eine 10 μm dicke Schicht von (179)Ta mit einer Halbwertszeit von 1,82 Jahren aufweist. Weiterhin nimmt man an, dass 100% der Schicht in Isotope umgewandelt werden. Die (179)Ta-Isotopenschicht 20 emittiert 65 keV Gammas und 110 keV Betas. Die Betas werden effektiv in 10 bis 20 μm GaN absorbiert. Die Absorptionslänge von 65 keV Gammas in GaN liegt über 100 μm, so dass der größte Teil der Gammas nicht von der 10 bis 20 μm dicken GaN-Schicht absorbiert wird. Der Bruchteil der Gammas, der absorbiert wird, addiert sich zur Erzeugung der elektrischen Energie.
Die geschätzte Anzahl von Zerfällen pro Sekunde einer 10 μm dicken Schicht (und einer Fläche von 1 cm²) von (179)Ta beträgt etwa 1 × 10¹² pro Sekunde. Dies wird aus der berechneten Atomanzahl im Film berechnet, von denen die Hälfte während der Halbwertszeit zerfällt, geteilt durch die Halbwertszeit in Sekunden. Die Anzahl von Elektronen-Lochpaaren, die im Umwandlungsmaterial erzeugt wird, ist gegeben durch: G = (N·E)/E_ehp, wobei G die Zahl der erzeugten Elektronen-Lochpaare darstellt, N ist die Anzahl von Zerfällen pro Sekunde, E ist die Betapartikelenergie und E_ehp ist die Durchschnittsenergie, die benötigt wird, um ein Elektronen-Lochpaar zu erzeugen.
Für 1 × 10¹² Zerfalle pro Sekunde wird etwa 1 Milliamp Strom aus 1 cm² der Isotopenschicht 20 erzeugt. Mit der Annahme einer GaN-Energieumwandlungsschicht 10, die 10 μm dick ist, beträgt die Quellenspannung bzw. Leerlaufspannung rund 2,3 Volt, was eine Energieerzeugung von etwa 2 mW/cm² ergibt. Während es nicht ausreicht, ein Automobil zu bewegen, kann die Vorrichtung skaliert werden, so dass diese ausreichend ausgelegt sein kann, um ein Automobil oder andere Transport-Vorrichtungen zu bewegen.
Die tatsächliche Energieerzeugung ist wahrscheinlich geringfügig höher als dieser Betrag, weil ein Teil der Gammas aus der Isotopenschicht 20 von der GaN-Energieumwandlungsschicht 10 eingefangen wird, und dies unterstützt die Energieerzeugung. Etwa 15% der Gammas liegen unter 10 keV, die wahrscheinlich in der GaN-Schicht absorbiert werden.
Diese Filme sind dünn und können einer auf den anderen gelegt werden, um einen Schichtstapel zu bilden von: GaN/Isotop/GaN/Isotop/GaN/Isotop/.../GaN, wie in 3 veranschaulicht. Mit jeder GaN-Schicht von etwa 10 μm Dicke (die tatsächliche Dicke hängt von dem effizienten Einfangen des Beta-Partikels eines speziellen Isotops ab; typischerweise wären etwa 10 μm ausreichend, um die meisten der Betas mit 111 keV einzufangen, die von (179)Ta emittiert werden), eine Abfolge von alternierenden „Schichtpaaren” von GaN/(179)Ta kann geschaffen werden. Eine beispielhafte Betavoltaikenergie- bzw. -stromquelle für Transport-Anwendungen kann hunderte bis mehrere zehntausend Schichten umfassen.
Mit jeder Schicht von Ta, die 10 μm beträgt, und jeder Schicht von GaN, die 10 μm beträgt, kann eine Struktur mit 500 Schichtpaaren in einer 1 cm dicken Vorrichtung aufgebaut werden. Mit jeder Schicht, die 2 mW/cm² liefert, erzeugen die 500 Schichtpaare 1 W/cm² Energie. Bei einer Autotransport-Vorrichtung kann man sich ein Volumen, das 100 cm lang, 30 cm breit und 10 cm hoch ist, vorstellen. Die Querschnittsfläche beträgt 3000 cm² und eine 10 cm hohe Packung wird 5000 Schichtpaare aufweisen. Eine Brennstoffzelle, ausgelegt mit diesen Abmessungen, kann erzeugen: (2 mW/cm²/Schichtpaar)·(3000 cm²)·(5000 Schichtpaare) = 30.000 Watt.
Die Batterie des Tesla Roadster speichert zum Vergleich 53 kWh Energie und bietet eine Reichweite von 200 Meilen. Wenn man annimmt, dass sich das Auto in etwa 3 Stunden 200 Meilen fährt, verbraucht das Auto 18 kW. Eine Betavoltaik-Brennstoffzelle, die 30 kW erzeugen kann, wäre dann ausreichend, um das Auto mit Energie bzw. Strom zu versorgen, ohne den Bedarf nach Wiederaufladung.
Die tatsächliche Dicke der Energieumwandlungsschicht 10 hängt von deren Effizienz beim Einfangen der Partikel aus der Isotopschicht 20 ab. Typischerweise wäre eine Dicke von etwa 10 μm für die Energieumwandlungsschicht 10, hergestellt aus GaN, ausreichend, um den größten Teil der Betas mit 111 keV, die von einer Isotopenschicht 20, hergestellt aus (179)Ta, emittiert werden, einzufangen.
Strahlungsabsorbierender Schirm bzw. Schild
Abhängig von dem (den) speziellen für die Isotopenschichten 20 verwendeten Isotop(en) kann es notwendig sein, mindestens einen Teil der Betavoltaikenergiequelle 6 in einem strahlungsabsorbierenden Material einzuschließen bzw. damit zu umhüllen. 2 zeigt die Betavoltaikenergiequelle 6 von 1, eingeschlossen bzw. umhüllt von einem strahlungsabsorbierenden Schild bzw. Schirm 40, hergestellt aus einem strahlungsabsorbierenden Material. Ein beispielhaftes strahlungsabsorbierendes Material ist rostfreier Stahl.
Die Dicke der strahlungsabsorbierenden Wände des Schirms bzw. des Schilds 40 hängt von dem Typ strahlungsabsorbierenden Materials, das verwendet wird, ab genauso wie von der Energie der Strahlung, die durch die Isotopenschichten 20 emittiert wird. Beispielsweise erreichen Isotopenschichten 20, hergestellt aus (179)Ta Gammaemissionsspitzen von 65 keV. Im gestapelten bzw. geschichteten Aufbau der Betavoltaikenergiequelle 6 der 1 und 2 werden die Gammas, die nahe dem Zentrum des Stapels bzw. der Schichtung erzeugt werden, durch die Energieumwandlungsschichten 10 und die Isotopenschichten 20 absorbiert, bevor sie die Stapel- bzw. Schichtstruktur verlassen können. Jedoch müssen die Verbraucher und/oder andere elektronische Vorrichtungen von den Gammas, die nahe der Kanten der gestapelten bzw. geschichteten Struktur emittiert werden, substantiell abgeschirmt werden. Somit weist in einem Beispiel der Schirm bzw. das Schild 40 Wände auf, die 1 mm dick sind und aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, was ausreichend ist, um die 65 keV-Gammastrahlen, erzeugt durch die Isotopenschichten 20, hergestellt aus (179)Ta, zu blockieren.
In einem Beispiel, wo die Betavoltaikenergiequelle 6 in erster Linie mit Isotopenschichten 20, hergestellt aus (3)H (Tritium), mit Energie versorgt wird, gibt es keine emittierten Gammas oder Röntgenstrahlen, und die Betas haben eine Energieobergrenze von 18,6 keV. Für dieses Beispiel sind 10 μm dicke GaN-Energieumwandlungsschichten 10 auf jeder Seite der (3)H-Isotopenschichten 20 ausreichend, um als Schild bzw. Schirm für die Betavoltaikenergiequelle 6 zu wirken. Da die Lebensdauer des (3)H-Isotops 12,6 Jahre beträgt, wird die Anzahl der Partikel, die pro Zeiteinheit emittiert wird, gegenüber (179)Ta beträchtlich reduziert (etwa 7 × langsamer) und die Durchschnittsenergie der Betas ist etwa 3 × geringer. Dies impliziert, dass die Durchschnittsenergie für eine derartige Quelle voraussichtlich etwa 20 × niedriger ist als für die (179)Ta-Quelle. Nichtsdestotrotz kann für bestimmte mobile Energieanwendungen, die wenig Energie erfordern, eine derartige Betavoltaikenergiequelle 6 nützlich sein.
Wärmeerzeugung und Kühlung
Die Energieumwandlungsmaterialien, die für die Energieumwandlungsschichten 10 (z. B. GaN oder AlGaN) verwendet werden, sind typischerweise zwischen 25–35% effizient. Daher wird ein merklicher Energiebetrag, der durch die Isotopenschicht 20 emittiert wird, in Wärme umgewandelt. Folglich kann es notwendig sein, Kühlleitungen bereitzustellen. Sowohl die GaN(oder AlGaN)-Energieumwandlungsschichten 10 als auch die (179)Ta-Isotopenschichten 20 haben gute thermische Leitfähigkeit. 3 ist ähnlich zu 1 und zeigt die Zufügung der optionalen Kühlungsleitungen 50, die durch die Schicht bzw. den Stapel laufen, so dass Wärme 60, die in der Schicht bzw. im Stapel erzeugt wird, aus der Schicht bzw. dem Stapel durch die Kühlleitungen 50 entfernt und dann abgeleitet werden kann. In einem Beispiel können die Kühlleitungen 50 aus einem festen Material hoher thermischer Leitfähigkeit, wie Kupfer, hergestellt werden.
Anwendung
Während der Lebensdauer der Betavoltaikenergiequelle 6 wird die Emission aus den Isotopenschichten 20 langsam abklingen. Wenn die Halbwertszeit des Isotopenmaterials näher kommt, wird die Energie, die durch die Betavoltaikenergiequelle 6 erzeugt wird, auf die Hälfte ihres ursprünglichen Werts abnehmen. Aus diesem Grund ist es erwünscht, die Betavoltaikenergiequelle 6 so aufzubauen, dass diese ausreichend Energie erzeugen kann (d. h. genügend Fläche und ausreichende Anzahl an Schichtpaaren), um die Leistungsvoraussetzungen zu einem ausgewählten zukünftigen Zeitpunkt zu erfüllen.
Multiple Isotopen
Es müssen nicht alle Isotopenschichten 20 in der Betavoltaikenergiequelle 6 aus demselben Isotopenmaterial aufgebaut sein. In einer beispielhaften Ausführungsform gibt es in der Betavoltaikenergiequelle 6, die in 4A veranschaulicht ist, mehr als einen Typ an Isotopenschicht 20 und diese verschiedenen Isotopenschichten werden als 20a und 20b bezeichnet. Die verschiedenen Schichten 20a und 20b, wie in 4A gezeigt, können so gedacht sein, dass sie eine kombinierte Isotopenschicht 20 aufbauen.
Diese Ausführungsform für die Isotopenschichten 20 kann erwünscht sein, wenn die Transport-Vorrichtung, die mit Energie zu versorgen ist, in einem frühen Stadium ihrer Lebensdauer mehr Energie erfordert. Wenn beispielsweise die Betavoltaikenergiequelle 50 Schichtpaare 30 umfasst, könnte man die Hälfte der Isotopenschichten 20 (beispielsweise Schichten 20a) aus (179)Ta aufbauen und die Hälfte hiervon (beispielsweise Schichten 20b) aus (68)Ge. Die (68)Ge-Isotope zerfallen schneller und liefern daher mehr Anfangsenergie. In dieser Art und Weise kann man das Energieerzeugungsprofil gegen die Zeit für die spezielle Betavoltaikenergiequelle 6 maßschneidern. In einigen Beispielen, wie gezeigt in 4A, können die verschiedenen Isotopenschichten 20a und 20b sich unmittelbar angrenzend aneinander befinden, d. h. nicht durch eine Energieumwandlungsschicht 10 getrennt. In einem anderen Beispiel, das in 4B veranschaulicht ist, alternieren die Isotopenschichten 20a und 20b in der gestapelten bzw. geschichteten Konfiguration. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Kombination der Konfigurationen, die in den 4A und 4B gezeigt sind, verwendet werden.
Konstante Energieerzeugung
Ein Merkmal der hier offenbarten Betavoltaikenergiequelle 6 ist, dass diese in 100% der Zeit Energie erzeugen kann, selbst wenn die Transport-Vorrichtung, die diese mit Energie versorgt, nicht verwendet wird. Somit wird es möglich, Energie für die spätere Verwendung zu erzeugen und zu speichern, selbst wenn die Transport-Vorrichtung an sich nicht in Gebrauch ist. 5 offenbart die zuvor erwähnte Transport-Vorrichtung 100, die durch die hier offenbarte Betavoltaikenergiequelle 6 mit Energie versorgt wird. Die Transport-Vorrichtung 100 kann ebenfalls eine herkömmliche Batterie 8 umfassen, die hiermit elektrisch verbunden ist und die durch die Betavoltaikenergiequelle 6 aufgeladen wird.
Somit wird in einem Beispiel die Betavoltaikenergiequelle 6 mit einer herkömmlichen elektrischen Quelle (d. h. einer Batterie) 8 kombiniert, um eine Hybridenergiequelle bereitzustellen. Die Hybridenergiequelle ermöglicht die Erzeugung von Energie, wenn die Transport-Vorrichtung nicht verwendet wird. Dies ermöglicht, dass die Betavoltaikenergiequelle 6 mit weniger Schichten und/oder mit einer kleineren Fläche ausgelegt sein kann.
Beispielhafte Energieumwandlungsschicht
Die 6A und 6B sind schematische Darstellungen (Seitenansicht bzw. Draufsicht) einer beispielhaften Ausführungsform einer Energieumwandlungsschicht 10 auf Diodenbasis für die Betavoltaikenergiequelle 6. Die Energieumwandlungsschicht 10 weist eine Oberseite 12 und eine Unterseite 14 auf. Die 6A und 6B veranschaulichen eine beispielhafte Orientierung von positiven und negativen Elektroden 120P und 120N. Die Energieumwandlungsschicht 10 umfasst eine P-dotierte Schicht 10P und eine N-dotierte Schicht 10N, getrennt durch eine P/N-Übergangsschicht 10J.
Die positive und negative Elektrode 120P und 120N können angeordnet sein, um eine einfache Integration mit den Isotopenschichten 20 zu ermöglichen (z. B. auf der Oberseite und Unterseite der Energieumwandlungsschicht 10 und auf derselben Seite, aber versetzt, wie gezeigt). Die 7A und 7B sind jeweils Seitenansichten, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Betavoltaikenergiequelle 6 mit einem mehrlagigen Stapel- bzw. Schichtaufbau veranschaulichen. 7C ist eine Seitenansicht der Betavoltaikenergiequelle 6, wie gezeigt, elektrisch verbunden über elektrische Leitungen (Drähte) 104 zur externen Vorrichtung, wie einer herkömmlichen Batterie 8 oder Transport-Vorrichtung 100. Die Plusspannung „+V” und die Minusspannung „–V” sind ebenfalls mit Bezug auf die Leitungen 104 gezeigt.
Energieumwandlungsschicht, die Ge umfasst
Es sollte angemerkt werden, dass die Energieumwandlungsschichten 10 Ge umfassen oder hieraus bestehen können. Effiziente Ge-Solarzellen wurden hergestellt und sind ähnlich zum Vorrichtungsaufbau, der für die Betavoltaikenergiequelle 6 benötigt wird. In einem Beispiel kann das Ge-Material für die Energieumwandlungsschichten 10 (68)Ge sein, wodurch die Energieumwandlungsschicht an sich eine Quelle sowohl für Betaelektronen als auch Röntgenstrahlen wird. In dieser Art und Weise kann Raum gespart und mehr Energie erzeugt werden.
8 veranschaulicht eine beispielhafte Betavoltaikenergiequelle 6, hergestellt aus alternierenden Schichten von (68)Ge. Eine derartige Konfiguration kann für Anwendungen verwendet werden, wo die Lebensdauer des (68)Ge für die Anwendung geeignet ist. Es ist festzuhalten, dass Ge verwendet werden kann, um eine Energieumwandlungsschicht 10 auf Diodenbasis herzustellen, fast in derselben Art und Weise wie GaN verwendet wird, um eine Energieumwandlungsschicht 10 auf Diodenbasis herzustellen.
Demgemäß kann eine beispielhafte Betavoltaikenergiequelle 6 eine Isotopenschicht 20 (z. B. eine (139)Ta-Isotopenschicht) für eine lange Lebens- bzw. Nutzungsdauer umfassen sowie Dioden auf Ge-Basis als Energieumwandlungsschichten 10, um die Energie aus den Isotopenschichten 20 in Elektrizität umzuwandeln. Es ist jedoch festzuhalten, dass das Material auf Ge-Basis, das die Diodenausführungsform der Energieumwandlungsschicht 10 aufbaut, ebenfalls ein Isotop sein kann (z. B. (68)Ge), das seine eigene Elektrizität bereitstellt. Dieser Aufbau ermöglicht doppelt so viele Schichten, die Energie erzeugen und somit doppelt so viel Energie wie GaN-Konfigurationen auf Diodenbasis. Dieser Aufbau maximiert ebenfalls die Nutzung des verfügbaren Raums.
Es ist für den Fachmann im Stand der Technik offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen bei der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung die Modifikationen und Variationen dieser Offenbarung abdeckt, vorausgesetzt, sie liegen im Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
Die Erfindung umfasst Aspekte, die in den nachfolgenden Sätzen offenbart sind, die Teil der Beschreibung darstellen, aber keine Ansprüche gemäß J 15/88 der Beschwerdekammer darstellen:
[Sätze]

1. Betavoltaikenergiequelle für eine Transport-Vorrichtung mit einer nutzbaren Lebensdauer, umfassend: eine Vielzahl von Isotopenschichten, wobei jede Isotopenschicht ein Isotopenmaterial umfasst, das Strahlung entweder als Betapartikel, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen emittiert, mit einer Energiemenge, die größer ist als etwa 15 keV und kleiner als etwa 200 keV und mit einer Halbwertszeit, die zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren liegt; und eine Vielzahl von Energieumwandlungsschichten, eingeschoben zwischen einen Teil oder sämtliche der Isotopenschichten, und die die Energie der Strahlung aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln, die ausreicht, um die Transport-Vorrichtung über die nutzbare Lebensdauer mit Energie zu versorgen.
2. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, wobei die Energieumwandlungsschichten GaN aufweisen.
3. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, wobei die Energieumwandlungsschichten jeweils eine Dicke von etwa 10 μm bis 20 μm aufweisen.
4. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, wobei das Isotopenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe von Isotopenmaterialien, umfassend: (3)H, (194)Os, (171)Tm, (179)Ta, (109)Cd, (68)Ge, (159)Ce und (181)W.
5. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, weiterhin umfassend einen strahlungsabsorbierenden Schirm bzw. Schild, funktionsbereit angeordnet, um zu verhindern, dass die Betapartikel, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen die Betavoltaikenergiequelle verlassen bzw. aus ihr austreten.
6. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, wobei die angrenzenden Isotopen- und Energieumwandlungsschichten Schichtpaare definieren und wobei die Betavoltaikenergiequelle zwischen 500 und 10.000 Schichtpaare umfasst.
7. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, wobei die Isotopenschichten aus dem gleichen Isotopenmaterial hergestellt sind.
8. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, wobei die Menge an elektrischer Energie mindestens 100 W beträgt.
9. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, weiterhin umfassend Kühlleitungen, die Wärme von den Isotopen- und Energieumwandlungsschichten abführen.
10. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 1, weiterhin umfassend die Transport-Vorrichtung, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
11. Betavoltaikenergiequelle für eine Transport-Vorrichtung mit einer nutzbaren Lebensdauer umfassend: eine Vielzahl von Isotopenschichten, wobei jede Isotopenschicht ein Isotopenmaterial umfasst, das Strahlung mit einer Energiemenge emittiert, die größer ist als etwa 15 keV und kleiner als etwa 200 keV und mit einer Halbwertszeit, die zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren liegt; und eine Vielzahl von Energieumwandlungsschichten, die zwischen einen Teil oder sämtliche der Isotopenschichten eingeschoben sind, und die die Energie der Strahlung aufnehmen und in elektrische Energie von nicht weniger als 100 W umwandeln, um die Transport-Vorrichtung über die nutzbare Lebensdauer mit Energie zu versorgen.
12. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11, wobei ein oder mehrere der Energieumwandlungsschichten eine Diodenstruktur aufweisen.
13. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 12, wobei die Diodenstruktur entweder GaN oder Ge aufweist.
14. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 13, wobei das Ge (68)Ge umfasst.
15. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11, wobei die angrenzenden Isotopen- und Energieumwandlungsschichten Schichtpaare definieren und wobei die Betavoltaikenergiequelle zwischen 500 und 10.000 Schichtpaare aufweist.
16. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11, wobei die Isotopenschichten aus demselben Isotopenmaterial gebildet sind.
17. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11, wobei die Strahlung mindestens eine von: Betapartikel, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen aufweist.
18. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11, weiterhin umfassend die Transport-Vorrichtung, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
19. Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11, weiterhin umfassend eine herkömmliche Batterie, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
20. Transport-Vorrichtung, elektrisch verbunden mit der Betavoltaikenergiequelle nach Satz 11.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7301254 [0046]
US 7622532 [0046]
US 7663288 [0046]
US 7939986 [0046]
US 8017412 [0046]
US 8134216 [0046]
US 8153453 [0046]
US 2011/0031572 [0046]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hornsberg et al., ”GaN betavoltaic energy converters,” 0-7803-8707-4/05, 2005 IEEE; Präsentation der Arlington Technology Association, mit dem Titel ”The BetaBatteryTM – A long-life, self-recharging battery,” 03. März 2010 [0046]
Präsentation von Larry L. Gadekan, ”Tritiated 3D diode betavoltaic microbattery,” IAEA advanced Workshop, Advanced Sensors for Safeguards, 23.–27. April 2007 [0046]

Claims

Betavoltaikenergiequelle für eine Transport-Vorrichtung mit einer nutzbaren Lebensdauer, umfassend: eine Vielzahl von Isotopenschichten, wobei jede Isotopenschicht ein Isotopenmaterial umfasst, das Strahlung entweder als Betapartikel, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen emittiert, mit einer Energiemenge, die größer ist als etwa 15 keV und kleiner als etwa 200 keV und mit einer Halbwertszeit, die zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren liegt; und eine Vielzahl von Energieumwandlungsschichten, eingeschoben zwischen einen Teil oder sämtliche der Isotopenschichten, und die die Energie der Strahlung aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln, die ausreicht, um die Transport-Vorrichtung über die nutzbare Lebensdauer mit Energie zu versorgen.
Betavoltaikenergiequelle nach Anspruch 1, wobei die Energieumwandlungsschichten GaN aufweisen.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Energieumwandlungsschichten jeweils eine Dicke von etwa 10 μm bis 20 μm aufweisen.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Isotopenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe von Isotopenmaterialien, umfassend: (3)H, (194)Os, (171)Tm, (179)Ta, (109)Cd, (68)Ge, (159)Ce und (181)W.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend einen strahlungsabsorbierenden Schirm bzw. Schild, funktionsbereit angeordnet, um zu verhindern, dass die Betapartikel, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen die Betavoltaikenergiequelle verlassen bzw. aus ihr austreten.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die angrenzenden Isotopen- und Energieumwandlungsschichten Schichtpaare definieren und wobei die Betavoltaikenergiequelle zwischen 500 und 10.000 Schichtpaare umfasst.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Isotopenschichten aus dem gleichen Isotopenmaterial hergestellt sind.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Menge an elektrischer Energie mindestens 100 W beträgt.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend Kühlleitungen, die Wärme von den Isotopen- und Energieumwandlungsschichten abführen.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend die Transport-Vorrichtung, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
Betavoltaikenergiequelle für eine Transport-Vorrichtung mit einer nutzbaren Lebensdauer umfassend: eine Vielzahl von Isotopenschichten, wobei jede Isotopenschicht ein Isotopenmaterial umfasst, das Strahlung mit einer Energiemenge emittiert, die größer ist als etwa 15 keV und kleiner als etwa 200 keV und mit einer Halbwertszeit, die zwischen etwa 0,5 Jahren und etwa 5 Jahren liegt; und eine Vielzahl von Energieumwandlungsschichten, die zwischen einen Teil oder sämtliche der Isotopenschichten eingeschoben sind, und die die Energie der Strahlung aufnehmen und in elektrische Energie von nicht weniger als 100 W umwandeln, um die Transport-Vorrichtung über die nutzbare Lebensdauer mit Energie zu versorgen.
Betavoltaikenergiequelle nach Anspruch 11, wobei ein oder mehrere der Energieumwandlungsschichten eine Diodenstruktur aufweisen.
Betavoltaikenergiequelle nach Anspruch 12, wobei die Diodenstruktur entweder GaN oder Ge aufweist.
Betavoltaikenergiequelle nach Anspruch 13, wobei das Ge (68)Ge umfasst.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die angrenzenden Isotopen- und Energieumwandlungsschichten Schichtpaare definieren und wobei die Betavoltaikenergiequelle zwischen 500 und 10.000 Schichtpaare aufweist.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Isotopenschichten aus demselben Isotopenmaterial gebildet sind.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Strahlung mindestens eine von: Betapartikel, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen aufweist.
Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, weiterhin umfassend die Transport-Vorrichtung, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
Betavoltaikenergiequelle nach einem der Ansprüche 11 bis 18, weiterhin umfassend eine herkömmliche Batterie, die mit der Betavoltaikenergiequelle elektrisch verbunden ist.
Transport-Vorrichtung, elektrisch verbunden mit der Betavoltaikenergiequelle nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 19.