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Die Radioisotopenelemente an Bord von Raumsonden

Einleitung

Die Cassini Mission ist die größte und komplexeste bisher entwickelte amerikanische Planetensonde. Um Cassini mit, der bei Artikeln auf meiner Seite, üblichen Genauigkeit zu beschreiben, habe ich den Artikel in mehrere thematisch gegliederte Unteraufsätze aufgeteilt. Dieser Artikel beschäftigt sich mit Radioisotopengeneratoren wie sie an mehreren Raumsonden eingesetzt werden mit dem konkreten Beispiel Cassini.

Die Radioisotopenelemente

RTG SchnittbildWie bei der Raumsonde Galileo gab es auch beim Start von Cassini Aufregung wegen der Radioisotopenthermoelemente an Bord. Bürgerrechtsgruppen wollten per Gerichtsbeschluss den Start der Raumsonde verhindern, weil sie bei einem Fehlstart oder dem Vorbeiflug an der Erde eine radioaktive Verseuchung der Erde befürchteten. Wenige Tage vor dem Start scheiterte jedoch eine Klage. Da immer wieder in den Medien hervorgehoben wird, dass die Radioisotopenelemente (englische Abkürzung RTG für Radioisotopic Thermoelement Generator) Plutonium enthalten und dies höchst giftig ist, ohne das dies näher erläutert wird, liefert dieser Artikel einige Hintergrundinformationen zu Radioisotopenelementen. Die Informationen in diesem Aufsatz sind auch auf andere Missionen übertragbar welche RTG verwenden wie Viking, Voyager und Galileo. Die RTG von Galileo, Ulysses und New Horizons sind identisch zu denen von Cassini (nur verwandte Galileo zwei RTG, New Horizons und Ulysses einen und Cassini drei). Sie haben auch vergleichbare Leistungsdaten Bei den anderen Sonden ist der Grundaufbau identisch, jedoch die Abmessungen und Leistungsdaten anders. Die Cassini RTG sind standardisiert und haben die Bezeichnung GPHS (Abkürzung für General Purpose Heat Source). Jeder GPHS wiegt 56 kg und liefert 285 W beim Start. (Insgesamt 888 Watt für Cassini bei einer Masse von 168 kg für die drei RTG).

Das Funktionsprinzip

Das grundlegende Prinzip der Elemente ist das des Thermoelementes: Zwei unterschiedliche Metalle (Bei den Elementen von Cassini Silizium und Germanium) werden zusammengebracht. Es bildet sich an der Kontaktstelle ein Strom, der so genannte Thermostrom. Dieser Thermostrom wird auch bei Thermoelementen benutzt um Temperaturmessungen zu machen: Er steigt bei geeigneter Wahl der Metalle in einem weiten Temperaturbereich linear an und ist somit ein Maß für die Temperatur. Die Temperatur erzeugt die Zerfallswärme von Plutonium 238.

Cassini hat 3 hintereinander geschaltete GPHS RTG. Ein RTG ist aber nicht die kleinste Einheit. Ein RTG besteht aus einer gemeinsamen Hülle zum Schutz und einzelnen Modulen zur Stromerzeugung, insgesamt 72 pro RTG.

Jeder RTG hat 12.2 kg Plutoniumoxid in 72 Modulen von je 151 g Gewicht an Bord.  Das Plutonium macht davon 7.561 kg aus und besteht aus einer Mischung von 83.88 Prozent Plutonium 238 und 13.49 Prozent Plutonium 239. Der Rest besteht aus anderen Isotopen. Die Zusammensetzung ist offenbar von der Herstellung und Lagerdauer abhängig, denn beim MMRTG als neuestem RTG gab das Derpartment of Energy folgende Zusammensetzung bekannt:

Komponente Anteil [%] Halbwertszeit [Jahre] Aktivität [Ci/g] Gesamtaktivität [Ci]
Plutonium 83,63      
Pu-236 0,0000011 2,851 531,3 0,283
Pu-238 69,294 87,7 17,12 57.273,0
Pu-239 12,23 24,131 0,062 36,64
Pu-240 1,739 6,569 0,2267 19,05
Pu-241 0,27 14,4 103,0 1.343,0
andere Actinide 4,518     20,5
Sauerstoff 11,852      
Gesamt 100     58,742 (4,8 kg)

Sehr deutlich wird nun auch warum die Stromausbeute nicht proportional zur Halbwertszeit absinkt. Beim Start liefern die anderen Actiniden / Plutoniumisotope mit kürzerer Halbwertszeit einen Teil der Wärme, sie zerfallen jedoch schneller und damit sinkt die Wärmeabgabe in den ersten Jahren nach dem Start stärker ab als später. Da das Plutonium zudem einige Jahre lagert verändert sich dessen Zusammensetzung, der Pu-238 Anteil dürfte mit der Zeit ansteigen.

GPHS PelletDie kleinste Einheit eines RTG ist ein mit Iridium umhülltes Plutoniumpellet. (Bild rechts). Jeweils vier Pellets von je 151 g Gewicht und 5 x 5 x 10 cm Größe bilden die kleinste organisatorische Einheit, ein GPHS Modul. Ein solches Modul wiegt 1.44 kg. Ein solches vierer Paket hat eine Wärmeleistung von 250 Watt. 18 dieser Module (also 72 Peletts) bilden einen RTG. Cassini hat drei RTG für die Stromversorgung. Insgesamt werden also 216 Pellets verwendet. Plutoniumoxid ist ein keramisches Material. Es ist chemisch weitgehend inaktiv und ähnelt in seinem Verhalten anderen Metalloxiden wie Aluminiumoxid. Wenn es durch Druck zerstört wird, zerfällt es wie andere Keramiken in kleine Bruchstücke, verdampft aber nicht wie metallisches Plutonium. Zur weiteren Sicherheit ist das Material in 18 einzelnen Modulen mit eigener Abschirmung unterbracht, so das die Bruchgefahr kleiner als bei einem großen Stück ist.

Diese Pellets werden auch in den neueren Konzepten (MMRTG, SREG, ASRG) verwendet, nur variiert dort ihre Zahl. Beim MMRTG sind es 36. Bei den ASRG nur 8. Sie können jeweils in vielfachen von vier, also in Vielfachen eines Moduls eingesetzt werden. Daher ist auch die Bezeichnung General Heat Purrpose Source eine durchaus passende.

Die 4 Pellets seines Moduls sind dann von dem eigentlichen Thermoelement umgeben um durch die Wärme Strom zu gewinnen. Die Wirkungsweise eines Thermoelementes beruht darauf, dass wenn zwei unterschiedliche Metalle verbunden werden und erwärmt werden ein geringer Strom fließt. Die Höhe hängt von dem Temperaturunterschied und den verwendeten Metallen ab, jedoch ist selbst bei modernen RTG der Wirkungsgrad gering. Zusammen mit den Spannungswandlern und der Umhüllung der Pellets wiegen die 18 Module 25.92 kg. Der Rest der Masse eines RTG von etwa 56 kg entfällt dann auf die äußere Abschirmung. (Bild unten : Ein GPHS Modul aus 4 Pellets)

Aufbau eines RTG'sDer erste Schutz ist eine 2 mm dicke Iridiumschicht. Iridium ist ein Edelmetallen in den physikalischen und chemischen Eigenschaften vergleichbar Platin. Es schützt vor der Alpha (α) Strahlung des Plutoniumoxids. Zudem ist Iridium chemisch sehr reaktionsträge, sehr reißfest und plastisch verformbar und schmilzt erst bei 2454 Grad Celsius.

Ein zweiter Schutzschild besteht aus Graphit. Graphit ist sehr leichtgewichtig und schmilzt nicht, sondern sublimiert bei 3370 Grad Celsius. Sollte ein Behälter also in die Erdatmosphäre eintreten so wird der Graphit die Energie des Wiedereintritts aufnehmen und wie ein Hitzeschutzschild verdampfen. Bei Raumschiffen kommen beim Wiedereintritt weitaus geringe Temperaturen von maximal 1600-2000 Grad Celsius vor. (Die Flügelkanten des Space Shuttle werden maximal 1650 Grad Celsius heiß). Früher hat man Raketendüsen aus diesem Grund mit Graphit ausgekleidet. Außen befinden sich Radiatoren, das sind schwarz angestrichene Metallteile, welche die Wärmeenergie der RTG ins Weltall abstrahlen, damit sich diese nicht überhitzen. Ein Überdruckventil entlässt das Zerfallsprodukt Helium, das beim Zerfall des Plutonium 238 in Uran 234 entsteht. Die Wärmemenge die beim Zerfall des Plutoniums entsteht ist recht groß und liegt bei 4400 Watt pro GPHS RTG zu Missionsbeginn. Diese Wärmeabgabe war auch der Grund warum man die RTG auch bei früheren Landemissionen (Viking ALSEP) einsetzte, da sie eine kostenlose Heizung darstellten.

Je zwei Elemente sitzen Kopf an Kopf und werden von einem gemeinsamen Schutzschild aus Kohlefaserverbundwerkstoff umgeben. Zwei dieser Teile bilden einen RTG. Davon hat Cassini 3 Stück an Bord. Jeder Generator wiegt 56 kg, ist 113 cm lang und maximal 43 cm breit. Die Gesamtstromabgabe der drei Generatoren im Gesamtgewicht von 168 kg beträgt 888 W beim Start und (prognostiziert) 633 W zu Missionsende nach 11 Jahren. Der Gesamtwirkungsgrad (elektrischer Strom/Wärmeabgabe)  ist gering und liegt nur bei 8 %, dies ist trotzdem um 30 % besser als noch zu den Voyagersonden, als man aus einem 120 kg schweren RTG 480 Watt Strom gewinnen konnte Trotzdem reicht der Strom nicht aus alle Experimente von Cassini simultan zu betreiben, es muss also sehr genau der parallele Einsatz von Experimenten geplant werden.

Der Strom den die RTGs liefern nimmt ab, da durch den radioaktiven Zerfall natürlich auch die Menge an Plutonium, die Wärme produziert geringer wird. Idealerweise sollte die Energie nach einer Halbwertszeit (87.74 Jahre) auf die Hälfte gefallen sein. Da die Thermoelemente allerdings nicht linear reagieren, also bei der Hälfte der Hitze die Hälfte des Stroms produzieren ist in der Realität die Abnahme größer. Bei Cassini beträgt die Abnahme 3.1 % pro Jahr. Das ist geringer als bei Solarzellen (4-5 % pro Jahr). Bei den Voyager, die schon 1977 starteten erreichen die RTG erst im Jahre 2020 eine Leistung von 245 Watt (480 Watt beim Start), dies entspricht einer Abnahme um 1.6 % pro Jahr. Dies ist jedoch ein Mittel. RTGs verhalten sich nicht linear, d.h. die Energie nimmt zuerst stark ab, dann immer langsamer. Es spielt neben der abnehmenden Wärmeabgabe auch Alterungseffekte  der Thermoelemente eine Rolle sowie ein sinkender Wirkungsgrad bei geringeren Temperaturunterschieden. Daher eigenen sich RTG für Langzeitmissionen besonders gut.

 Parameter GPHS RTG
Masse 56.3 kg
davon Plutoniumoxid 12.2 kg
davon Plutonium 9.71 kg
davon Pu-238 8.07 kg (83.2 %)
Abmessungen 0.43 x 0.43 x 1.13 m
Strom Beginn of Life 285-290 Watt
Strom nach 11 Jahren 209 Watt
Pellets 72
Module 18
Masse eines Pellets 0.151 g
Thermische Leistung 4400 W
Spannung 28 V ± 0.5 V
Temperatur kalte Verbindung 566 K
Temperatur heiße Verbindung 1290 K

Die Stromabgabe ist nicht bei allen Missionen gleich hoch und hängt von dem Zeitpunkt der Fertigung ab. Folgende Tabelle informiert über die Aktivität der RTG bei den bislang eingesetzten Missionen beim Start. Diese korrespondiert mit der nutzbaren Leistung.

Mission Aktivität pro RTG
Galileo 269000 134500
Ulysses 132500 132500
Cassini 404000 134700
New Horizons 115000* 115000*

* : New Horizons RTG ist wegen Verzögerungen bei der Produktion nur teilweise gefüllt. 60 oder 64 Peletts.

Plutonium ist nicht gleich Plutonium

Ein wichtiges Argument der Bürgerrechtler war, dass egal wie unwahrscheinlich ein Unfall ist, die Gefahren durch das freigesetzte Plutonium sehr groß wären. Schließlich ist allgemein bekannt das Plutonium sehr stark krebserregend ist. Das stimmt auch - Für das Plutonium welches bei Atomexplosionen freigesetzt wird, oder in Kernkraftwerken und Atombomben verwendet wird. Es trifft nicht für das Plutoniumoxid in den RTG zu. Das liegt vor allem an der Verarbeitung als keramisches Material.

In Atomwaffen findet man das Isotop Plutonium 239, welches eine Halbwertszeit von 24110 Jahren hat. Es macht bei den RTG etwa 14% des gesamten Plutoniums aus. Wie beim Plutonium 238 (in den RTG verwendet), welches eine Halbwertszeit von nur 87.74 Jahre hat, ist es ein Alphastrahler. Alphastrahlen werden aber schon von Papier, der Haut oder einigen Metern Luft blockiert, so das diese nur eine Gefahr ist, wenn das Plutonium in den Körper kommt. Viel gefährlicher sind Beta- und besonders Gammastrahler. Die meisten Transurane sind aber primär Alphastrahler, so auch das Pu-238.

Bei der Online Enzyklopädie Wikipedia findet sich dieses Foto, dass einen Metallblock Plutonium in den Händen eines Arbeiters zeigt. Dies zeigt, dass man differenzieren muss. Wichtiger als die Halbwertszeit ist vielmehr die Form in der Plutonium vorliegt. Das Pu-238 Isotop in den RTG strahlt zwar durch die kürzere Halbwertszeit intensiver, aber die Strahlung ist bei beiden Isotopen Alphastrahlung. Wegen der geringen Reichweite dieser Strahlung muss man das Material in den Körper aufnehmen, also Nahrungsmittel oder Wasser mit Plutonium essen oder Feinstaub einatmen. Wegen der chemischen Natur des Plutoniums ist der letztere Weg als der als am gefährlichsten eingestuft wird.

Es liegen sowohl bei dem Plutonium welches in Kernreaktoren entsteht, wie auch bei den Atombomben, leicht verdampfbare Verbindungen vor. Explodieren nun solche Bomben oder wird das Material sehr hoch erhitzt, so wird das Plutonium verdampft und reagiert dann mit der Luft und bildet einen feinen Staub. Dieser kann eingeatmet werden, ist lungengängig und kann so Krebs verursachen. Bei dem keramischen Plutoniumoxid kann das nicht passieren. Es verhält sich wie andere keramische Materialen wie z.B. Porzellan. Eine Explosion würde das Material zerkleinern, aber nicht verdampfen. Auf keinen Fall wird es aber so fein zerkleinert, dass es lungengängig ist, denn lange vorher hält das Material nicht den Belastungen stand und zerbröselt, wodurch die Wucht der Explosion abgefedert ist. Als keramisches Material ist Plutoniumoxid sehr hochschmelzend. Der Schmelzpunkt liegt bei 2400 Grad Celsius. Der Verdampfungspunkt sogar bei 3859 Grad Celsius. Plutoniumoxid ist wasserunlöslich.

Dies ist ja aus dem täglichen Leben bekannt: Bomben baut man mit einem Stahlmantel und keinem Mantel aus Porzellan oder gebrannten Ziegeln. Zusätzlich ist auch das Metall geschützt wie bei der Beschreibung klar geworden ist. Das Graphit dient vor allem als Hitzeschutzschild für einen Eintritt z.B. beim Versagen der Oberstufe. Das Iridium ist ein Schutz gegen eine Explosion der Trägerrakete. Die NASA bestreitet allerdings nicht, das es völlig ausgeschlossen ist, das die Schilde der RTG nicht beschädigt werden. Bei einem Aufprall aus großer Höhe auf harten Grund oder einer Explosion der Trägerrakete könnte dies durchaus vorkommen. Doch wird die Alpha Strahlung durch einige Meter Luft schon abgebremst. Man könnte das Material von Personen in Schutzanzügen bergen lassen. Dies wurde auch bei einem Fehlstart des NIMBUS B-1 Satelliten am 18.5.1968 getan als man den RTG vor Cape Canaveral barg. Er war unbeschädigt. Bei dem Fehlstart von TRANSIT 5 BN-1 und dem Wiedereintritt des Kommandomoduls von Apollo 13 am 17.4.1970 konnte an den Aufschlagstellen keine erhöhte Radioaktivität festgestellt werden.

Das in den RTGs verwendete Plutoniumisotop 238 ist auch nicht waffenfähig. Man kann also aus ihm keine Atomwaffen bauen, selbst wenn man die Pellets chemisch aufarbeiten würde, um das Metall zu gewinnen. Hier einige Eigenschaften von Pu-238:

Parameter Größe
Halbwertszeit 87.4 Jahre
Spezifische Aktivität 17 Ci/g
Wärmeabgabe 0.56 W/g
Spezifische Strahlung/Watt 30 Ci/W
Nutzbare Wärme für eine 10 Jahres Mission 47 kWh/g
Schmelzpunkt PuO2 2250 °C
Produktionsrate 15 kg / 1000 MWe Reaktor / Jahr
Kosten (Datum unbekannt) 4000 $/g, ab 2013 Produktion von 1-1,5 kg pro Jahr für 10 Millionen Dollar

Risikoabschätzungen

Eine Technikerin überürüft on die RTG strahlung abgebenDie NASA hat sehr genau untersucht, wie groß das Risiko eines Unfalls ist, bei dem Cassini auf die Erde aufschlägt. Während des Starts der Titan 4B ist dieses zuerst gering und beträgt in den ersten 150 Sekunden wenn die Feststoffbooster brennen bei 1:1500. Bei Zündung der ersten Stufe steigt es auf 1:450 an, in dieser Phase hat die Rakete aber noch keine so hohe Geschwindigkeit, dass bei einem Aufprall auf der Erde die Behälter aus Iridium zerstört werden. Auch die Wucht einer Explosion der Rakete reicht dazu nicht aus, es handelt sich dabei mehr um eine Verpuffung als um eine Explosion, dazu sind die Treibstoffe nicht brisant genug.

Bei Versagen der Centaur könnten die RTGs durch die hohe Aufschlaggeschwindigkeit (nahezu Orbitalgeschwindigkeit) beschädigt werden. Das spröde Material würde aber beim Aufprall nur in kleinere Stücke und nicht zu Staub zerbröseln.

Nach dem Venusvorbeiflug passiert Cassini die Erde in 1171 km Höhe. Auch hier gibt es die Chance einer Kollision und durch die hohe Geschwindigkeit von 19.1 km/s mit der sich Cassini nähert würden die RTGs nicht bei allen Eintrittswinkeln einen Aufprall überstehen. Daher hat man bei der NASA nach dem Venusvorbeiflug den Kurs zuerst nur auf 50.000 km an die Erde heran gelegt. Selbst bei einer Explosion ist es ausgeschlossen, dass die Sonde ohne gesteuerte Lenkung so nahe an die Erde kommt, das Teile die Oberfläche erreichen können.

Erst eine Woche vor dem Vorbeiflug wurde die Distanz auf 6000 km verringert. Kurz vor dem Vorbeiflug dann auf 1171 km. Selbst dann gibt es noch die Chance bei einer Fehlfunktion die Sonde vom Kurs abzubringen. Das Risiko einer Kollision ist so gering und liegt bei 1:1 Million. Man erkennt auch die Rolle welche die NASA der Sicherheit einräumt, denn die späte Korrektur kostet wertvollen Treibstoff, den man für die Primärmission braucht. Alleine die Untersuchungen des Risikos sind schon teuer. Für die Cassinimission kostete die Untersuchung 65 Millionen Dollar.

Gefahren durch das freigesetzte Plutonium

Die NASA hat auch den Worst Case Fall untersucht, dass die gesamten 32.7 kg Plutoniumoxid in der Atmosphäre beim Wiedereintritt verglühen würden und das Plutonium so weiträumig in der Atmosphäre sich verteilen würde.  Dies ist allerdings mehr theoretischer Ansatz, denn durch die gute Abschirmung würden auch bei einer Beschädigung größere Teile unversehrt zur Erde gelangen. In diesem Fall würde die Strahlendosis die jemand ausgesetzt ist über 50 Jahre um 1 Millirem ansteigen. Die durchschnittliche Gesamtbelastung, durch Röntgen, kosmische Strahlung, natürliche Radioaktivität beträgt allerdings im selben Zeitraum 15000 Millirem. Im ungünstigsten Fall würde dies weltweit 50 Todesfälle in 50 Jahren mehr bedeuten. Dabei sollte man allerdings bedenken, dass im gleichen Zeitraum etwa 1 Milliarde Menschen an den Folgen des Tabakrauch sterben und mehrere zig Millionen durch Verkehrsunfälle um das Leben kommen. Trotzdem wird geraucht und Auto gefahren. (Anmerkung: Durch Einführung von Dieselrußfiltern würde man in der BRD 14000 Krebstote pro Jahr verhindern können, (Tagesschau 8.6.2004) da unsere Automobilindustrie allerdings keine Filter entwickelt hat wartet man lieber noch ein paar Jahre bis man den rußarmen Motor hat. Man rechnet also bei technischen Systemen durchaus mit Todesopfern, wenn dies wirtschaftlichen Interessen dient).

Es gab in der Vergangenheit zweimal Vorfälle in denen RTGs zurück zur Erde kamen. Das eine war ein Fehlstart eines NIMBUS Satelliten (NIMBUS-B am 18.5.1968) bei dem man die RTG aus den kalifornischen Küstengewässern bergen konnte, der zweite war der von Apollo 13, als mit dem LEM auch die ALSEP Stationen in die Erdatmosphäre mit 11.2 km/s eindrangen. Wasserproben der Aufschlagstelle im Pazifik zeigten auch hier keine erhöhte Radioaktivität.

Alternativen zu RTGs?

RosettaIn der Diskussion bei Cassini wurde auch das Argument gemacht könnte doch auf Sonnenzellen ausweichen. Da man damals schon an Rosetta arbeitete, einer Sonde die sich bis auf 5.2 Erdentfernungen von der Sonne entfernt, schien dies eine Alternative zu sein. Das ist immerhin so weit wie Jupiter. Wäre es nicht möglich die RTGs durch Solarzellen zu ersetzen?

Solarzellen haben in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Rosetta verwendet spezielle Solarzellen die bei Jupiter noch eine Leistung von 400 W liefern, und dies bei 62 m² Fläche. Allerdings hätte dieselbe Fläche in Erdnähe über 11 kW Leistung erbracht. Der Strom reicht bei Rosetta nur zur Erhaltung der Temperatur der Sonde. Der Bordcomputer ist im Schlafmodus und die Experimente inaktiv. Aktiv wird Rosetta erst, wenn sie sich dem Kometen nähert, in kleinerer Distanz von der Sonne.

Leider ist der Saturn noch weiter weg als Jupiter und Solarzellen verlieren noch stärker als RTGs an Leistung durch den Beschuss durch kosmische Strahlung Cassini braucht auch mehr Strom für die Experimente. Für 1 W Leistung bei Saturn muss man eine Fläche verwenden, die bei der Erde 91 W an Leistung erzeugt. Dies resultiert daraus, dass die Energie der Sonne quadratisch mit dem Sonnenabstand abnimmt, Saturn ist im Mittel 1429 Millionen km von der Erde entfernt, die Erde 149.5 Millionen km. Auf Titan ist es z.B. nur 94 K "warm". Sauerstoff, ein Bestandteil unserer Luft wird bei nur 4 K weniger Temperatur flüssig.

Für die 628 Watt Leistung die Cassini zum Ende der Primärmission noch hat, müsste die Sonde Solarpanels von mehr als 392 m² Fläche mitführen (Wirkungsgrad 17 %, wie bei Rosetta, 4%. Verluste durch kosmische Strahlung pro Jahr) Bei einem durchschnittlichen Gewicht von 4 kg/m² entspricht dies einer Masse von 1580 kg. Eine NASA Studie kam mit Solarzellen mit etwas höherem Wirkungsgrad zu einer Masse von 1337 kg. Dagegen wiegen die RTG nur 168 kg. Beim Vergleich mit Solarzellen sollte man bedenken, dass zusätzlich zu den Solarzellen auch eine Batterie mitgeführt werden muss für die Zeit in denen die Solarpanels nicht beschienen sind. Selbst wenn dies nur wenige Stunden sind, wiegt eine Batterie relativ viel. Dies liegt daran, dass sie lange leben muss und dies erreicht man indem man sie maximal zu 30-40 Prozent entlädt. Die Batterie hat also dreimal mehr Kapazität als man Strom braucht.

Die Leermasse der Sonde von 2230.7 kg (ohne Huygens) würde also um über 40% ansteigen. Mehr noch: Eine Sonde mit einer solch großen Fläche wäre schwer steuerbar. Die Solarzellenfläche wirkt als Widerstand für den Sonnenwind, der Cassini dann dreht. Bei 9 N/km² wirkt pro Tag eine Kraft von 33 Ns auf die Sonde. Man brauchte erheblich mehr Treibstoff an Bord um diese Kraft auszugleichen. Cassini brauchte aber schon die stärkste Trägerrakete der USA um zu starten, und selbst die Titan 4B konnte die Sonde nicht direkt zu Mars bringen. Mit Solarzellen wäre die Sonde viel zu schwer gewesen. Es gab also keine Alternativen zu RTGs.

RHU QuerschnittDabei würde die NASA gerne auf diese verzichten, denn durch den Ausstieg aus der Atomenergie ist auch der Preis für RTGs angestiegen. So wurden schon in der Vergangenheit RTGs seltener eingesetzt. Es gab insgesamt 24 Einsätze in 30 Jahren, doch davon entfielen 21 auf die ersten 10 Jahre. Seit dem Start von Voyager 1 am 5.9.1977 gab es nur noch die Einsätze an Bord von Galileo, Ulysses und eben Cassini. Der Grund ist der heute sehr hohe Preis bedingt durch die aufwendige Gewinnung des Isotops aus Kernbrennstäben. Für die Mission Pluto-Kuiper-Express rechnet die NASA mit Kosten für einen RTG von 75 Millionen USD. Drei RTGs wie sie Cassini einsetzt, entsprechen also einem Wert von 225 Millionen US Dollar, das ist schon der Preis einer Planetenmission im Discovery Programm. Das erklärt auch warum Cassini so teuer ist. Bei New Horizons 2 wurden Kosten von 65-90 Millionen USD angegeben. Für dieses Geld kann man normalerweise schon einen kleineren Forschungssatelliten bauen. Früher muss das Material deutlich billiger gewesen sein. Ich habe die Angabe von 300 $/kg gefunden, leider ohne Jahreszahl. Wäre das Plutonium in der GPHS so preiswert, dann würde das Plutonium für einen RTG nur 2.4-3 Millionen Dollar kosten (je nachdem ob man die Angabe auf Plutonium oder nur das Isotop 238 bezieht).

Für Jupiter scheinen Solarpanel noch ein gangbarer Weg zu sein. Die ESA hat zwei Raumsonden für das Jupitersystem untersucht und für beide solare Stromversorgung vorgeschlagen. Man hat für Rosetta die "low intensity and low temperature" (LILT) Solarzellen auf Basis von Silizium entwickelt. Diese arbeiten auch bei den tiefen Temperaturen bei Jupiter noch effizient. Man müsste diese Technologie auf Gallium-Arsenidzellen ausdehnen, die effizienter Licht in Strom umsetzen. Tests ergaben, dass der Verlust an Leistung im Strahlengürtel akzeptabel ist wenn man die Zellen mit einem dünnen Schild belegt.

Weiterhin müsste man die bei Deep-Space 1 schon getesteten "Solar Conzentrator Arrays" (SLA), kleine Linsen auf den Solarzellen verwenden. Koppelt man alle Technologien (die es getrennt heute schon im Einsatz gibt), so sind 34 % Wirkungsgrad bei -100 °C möglich. Die Flächendichte eines leichtgewichtigen Solargenerators beträgt 4 kg/m². Für zwei mögliche Raumsonden im Jupitersystem kommt die ESA im Jahre 2001 so zu Leistungen von 3.9 W/kg und 4.9 W/kg. Die Stromversorgung (inklusive Batterien) für beide Sonden wiegt 106 kg für 270 W Leistung und 110 kg für 350 W Leistung. Das entspricht 60 % und 100 % Mehrgewicht gegenüber RTGs. Betrachtet man jedoch die Kosten eines solchen, so ist es um einiges billiger, selbst wenn man eine größere Trägerrakete braucht. Die Raumsonde Dawn setzte bei ihrem Start 2007 SLA Arrays mit einer Leistungsdichte von 180 W/kg bei der Erde ein. Er besteht aus 10 Panels von jeweils 1,60 x 2,20 m Größe und hat beim Start eine Leistung von 10.900 W. Im Asteroidengürtel bei den Zielen Ceres und Vesta sind es noch 1.400 W. Dawn wird bis zu einer Distanz von 3,0 AE arbeiten. Die Solarzellen aus Galliumarsenid haben eine Effizienz von 27,6 %.

Im Jahre 2009 erreichen SLA mit verbesserter Leichtbauweise und Reduktion der aktiven Fläche von Solarzellen schon 180 W/kg. Damit liegen sie bei Jupiter gleichauf mit RTG (entspricht 6,6 W/kg, GPHS-RTG:  5,0 W/kg). In einigen Jahren sollen 300 W/kg möglich sein. Diese SLA sind heute gedacht für den Antrieb von Ionentriebwerken oder Kommunikationssatelliten mit hohem Energiebedarf, also den Betrieb im erdnahen Raum. Ob die Daten so auf den Betrieb bei Jupiter übertragbar sind muss geprüft werden. Da aber die Strahlung konzentriert wird und die Solarzelle so stark erhitzt wird dürfte der Betrieb im äußeren Sonnensystem eher positiv sein, da Solarzellen bei ansteigenden Temperaturen an Effizienz verlieren. 300 W/kg entsprechen bei Jupiter noch 11 W/kg, das bedeutet das hier die Leistung pro Gewicht schon höher ist als bei RTG. Berücksichtigt man die recht hohen Produktionskosten der RTG, so scheinen SLA mehr und mehr eine Alternative zu RTG zu sein.

Juno ist die erste Mission die auch in Jupiterentfernung arbeitet. (Rosetta ist dann nur im "Schlafmodus). Ihre drei Solarzellenflächen auch besonders vor der Teilchenstrahlung geschützten Solarzellen wiegen beim Start 340,2 Kilogramm. Bei Jupiter beträgt ihre Energieeffizienz 450 Watt. Das Leistungsgewicht von 1,3 Watt/kg ist also noch schlechter als bei RTG. Allerdings handelt es sich um normale Solarzellen, keine Solarkonzentratorarrays. Nahe der Erde würden sie 18 kW Leistung aufweisen. Sie sind auch schwerer, weil die Sonde rotiert und sich an ihnen noch das Magnetometer befindet. Jede der 18.600 Solarzellen ist 5,5 x 9,4 cm groß. Die gesamte überdeckte Fläche beträgt also über 96 m².

Für Saturn und fernere Ziele werden RTG allerdings noch lange die richtige Wahl sein. Auch andere Isotope scheinen keine echte Alternative zu sein. Höhere Transurane wurden früher untersucht, jedoch entstehen davon noch geringere Mengen in Atomreaktoren. Strontium-90 mit einer Halbwertszeit wurde untersucht, doch ist es Plutonium 238 in fast allen Daten unterlegen: Als Beta Strahler muss die Abschirmung größer sein, die Halbwertszeit ist mit 28 Jahren geringer und die Wärmeabgabe pro Gramm Material durch das höhere Gewicht des Oxids trotzdem nicht größer. Bei der Packungsdichte ist Strontium 90 sogar wesentlich schlechter als ein Plutonium-238.

Trotzdem sieht der Autor für SLA große Chancen. Betrachtet man die Entwicklung von Solarzellen über die letzten Jahrzehnte, so wurden nicht nur Energieausbeute gesteigert (von etwa 5% in den sechziger Jahren bis über 25% heute), sondern die Arrays auch bedeutend leichter. Die Konzentrierung von Licht, die Kombination von mehreren Halbleiterelementen mit unterschiedlichen Absorptionsmaxima und die Fertigung von Dünnschichtsolarzellen versprechen eine weitere Steigerung. Hingegen blieb die Leistung pro Kilogramm Gewicht bei RTG über Jahrzehnte konstant, die Herstellungskosten sind sogar deutlich angestiegen.

Übersicht RTG

Die NASA hat in den sechziger Jahren zahlreiche RTG entwickelt und eingesetzt. Zumeist als zusätzliche Energieversorgung von Satelliten. Ich habe mich bei der Tabelle auf die Fälle beschränkt bei denen die RTG die einzige Energieversorgung waren. Seit Mitte der siebziger Jahre hat die NASA nur zwei neue RTG entwickelt: MHW (Multi Hundred Watt) für Voyager und die GPHS für alle folgenden Sonden ins äußere Sonnensystem:

Name Leistung thermisch Leistung elektrisch Gewicht Einsatz Aktivität
SNAP 27 1480 W 69 W 19.7 kg ALSEP (Apollo 12-17) 44.500 Curie
SNAP-19 900 W 42 W 15.4 kg Pioneer 10+11, Viking Lander 1+2 80.000 Curie (Pioneer), 41.000 Curie (Viking)
MHW-RTG 2400 W 160 W 39 kg Voyager 1+2, LES 8+9 240.000 Curie (Voyager), 159.400 Ci LES
GPHS-RTG 4410 W 285 W 56 kg Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons 134.00 pro GPHS, New Horizons nur 132.000 Ci (teilbefüllt)
MMRTG 1900 W 123 W 43 kg Cursiosity 58.700 Curie

Dabei können RTG gekoppelt werden um höhere Leistung zu erreichen. So hatten die Viking Lander jeweils 2 SNAP-19 und Pioneer 10+11 jeweils vier davon. Auch die neuesten GPHS werden gebündelt. New Horizons und Ulysses setzten je einen GPHS ein, Galileo deren zwei und Cassini drei. Ein Problem sind auch Startverzögerungen. Während diese Solarzellen nichts ausmachen, zerfällt das Plutonium laufend. Dies bedeutete zum Beispiel für die Galileo Mission, dass diese mit weitaus weniger Strom auskommen musste als geplant, da zuerst der Start um 3 Jahre verschoben wurde und dann die neue Reiseroute eine weitere Verzögerung um 3 Jahre bedeutete. Auch Curiosity hat beim Start 123 anstatt 125 vorgesehener Watt, weil sich dieser um zwei Jahre verzögert.

Neue Konzepte

Man ist der Ansicht, dass man einen RTG nicht wesentlich leichter fertigen kann als dies bei den GPHS geschah. Die notwendige Abschirmung ist immer nötig. Der einzige Weg bestände die RTG zu vergrößern, dann verliert man jedoch die Anpassung an verschiedene Missionen und man bekommt Probleme die Wärme abzuführen. Der Wirkungsgrad soll sich noch etwas steigern lassen indem man zwar das Plutonium 238 als Wärmequelle benutzt jedoch einen anderen Prozess um daraus Strom zu gewinnen.

In den frühen neunziger Jahren hat man in Amerika an Alkalimetall Thermal to Electric Converters (AMTEC) RTG gearbeitet. Bei diesem Verfahren wird Natrium durch die Wärme erhitzt und bei unterschiedlichem Druck verdampft es, wobei als Besonderheit bei Natrium ist, das es in Ionen und Elektronen zerfällt, man also direkt Strom gewinnen kann. Der Wirkungsgrad im Labor bei diesem Prozess liegt bei 16 % und Wirkungsgrade von 15-25 % sollten theoretisch möglich sein. Das wäre 2-3 mal besser als bei den GPHS (6.4%). Ein solcher RTG war für eine leichtgewichtige Plutosonde vorgesehen. Die Entwicklung wurde dann jedoch eingestellt.

Ein zweiter Weg ist einen thermodynamischen Prozess zu benutzen. Thermodynamischer Prozess? Nun jedes Kraftwerk arbeitet danach. Das grundlegende Prinzip: Ein Medium wird durch die Wärme aufgeheizt. Kühlt es sich ab, so kann man einen Teil der Energie in Bewegungsenergie umsetzen, die man dann in elektrische Energie umsetzen kann. Nach diesem Prinzip arbeiten Kraftwerke oder die Lichtmaschine ihres Autos. Idealerweise verwendet man bei einem RTG Prozesse die geschlossen sind und möglichst wenig bewegliche Teile haben. Der Stirling Prozess wird derzeit favorisiert, da er auch auf der Erde Sterlingmotoren sehr zuverlässige Stromgeneratoren in Entwicklungsländern sind.

Derzeitige Entwicklungen in den USA

Nachdem New Horizons einen GPHS der von Galileo übrig blieb benutzte (allerdings mit neuen Pellets versehen) werden nun wieder neue RTG entwickelt. Es gibt nur noch einen GPHS und die Technologie ist nun 30 Jahre alt. Es gibt nun zwei Wege. Der erste legt Wert  auf die Skalierbarkeit und die Anpassung an verschiedene Missionsbedingungen, der zweite an eine Verringerung der benötigten Plutoniummenge für die gleiche Leistung.

Multi Mission RTG (MMRTG)

Die ersten neuen RTGs heißen MMRTG (Multi Mission RTG). Sie sollen für viele Missionen geeignet sein, egal ob dies Landemissionen oder Flüge ins äußere Sonnensystem oder ins innere Sonnensystem sind. Die RTG sind spezifiziert für einen Betrieb bis +31 Grad Celsius und können auch auf der Oberfläche eines Planeten arbeiten (wichtig für Marslander oder Lander in Kratern auf Merkur und Mond, wo zumindest teilweise kein Sonnenlicht den Boden erreicht).

Ein MMRTG hat nach den bisherigen Planungen folgende Eckdaten

Der erste Einsatz dürfte das Mobile Marslabor sein (Curiosity), dass 2011 gestartet wird. Die Effizienz ist nicht besser als bei den GPHS Modulen, aber der Verlust ist erheblich geringer, was vor allem für Langzeitmissionen wesentlich ist. Es sind im wesentlichen neue RTG für Missionen, welche einen geringeren Energiebedarf haben und für die ein GPHS-RTG schon zu leistungsstark ist. Der erste MMRTG für Curiosity kostete 27 Millionen Dollar in der Fertigung. Ein zweiter wird in einem Nachbau von Curiosity der derzeit in der Planungsphase zum Einsatz kommen. Vier weitere Generatoren sind für eine Europamission "Clipper" vorgesehen, die derzeit aber noch fünf braucht. Da die 2013 vorhandenen 30 kg Plutonium für sieben MMRTG reichen, sind die Vorräte so fast vollständig verplant.

Stirling Radioisotope Generator (SRG) und Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)

Die hohe Masse eines MMRTG hat zu dem Start eines zweiten Programms geführt. Der Stirling Radioisotope Generator (SRG) soll an die GPHS anknüpfen, jedoch wie die MMRTG weniger Strom pro Modul produzieren, so dass man je nach Mission den verfügbaren Strom besser regulieren kann. Wie das MMRTG ist das SRG besser für Langzeitmissionen ausgelegt. Als man das GPHS entwickelte war es für Ulysses und Galileo bestimmt mit geplanten Missionszeiten von 5 Jahren. Die MMRTG und SRG tragen den langen Flugzeiten ins äußere Sonnensystem Rechnung und haben einen geringeren Abfall in der Leistung

Ein SRG hat folgende Eckdaten:

MMRTG und SRG benutzen die GPHS Module, jedoch unterschiedliche Wandler für die Wärme in Strom und unterschiedliche Abschirmungen. Ein MMRTG hat eine Effizienz der Stromwandlung von 6 %, vergleichbar den GPHS Modulen. Ein SRG dagegen eine von 20 %. Eine Steigerung auf 25 % soll möglich sein. Dieser Vorteil schlägt sich jedoch nicht so sehr im Gewicht nieder, da bei beiden Modulen eine gleich große Abschirmung vorhanden ist und diese kleiner als die GPHS sind. Ein MMRTG besteht aus acht GPHS Modulen, während ein SRG aus nur 2 GPHS Modulen besteht. Die Plutoniummenge liegt daher bei 1 kg bei einem SRG und 4 kg bei einem MMRTG.

  GPHS MMRTG SRG
Masse 56.3 kg 44 kg 26.7 kg
GPHS Module 18 8 2
Strom beim Start 285 W 125 W 123 W
Strom/Masse 4.97 W/kg 2.84 W/kg 4.60 W/kg
Thermische Leistung 4410 W 1900 W 1100 W
Plutonium 9.7 kg 4.3 kg 1.2 kg
Strom/kg Plutonium 29 W/kg 29 W/kg 102 W/kg
Stromabgabe 211 W nach 11 Jahren 110 W nach 14 Jahren 109 W nach 14 Jahren
Durchschnittlich pro Jahr 2.3 % 0.86 % 0.81 %

Für die Sterling RTG spricht vor allem, dass man nur etwa ein Drittel des Plutoniums braucht um eine gewisse Strommenge zu produzieren. Dies gab den Ausschlag dafür, dass man längerfristig diese Technologie verfolgen will. Die Produktion von Plutonium 238 ist extrem kostspielig (siehe unten). Gegen die Sterling Technologie sprachen vor allem Vorbehalte weil diese bewegliche Teile beinhaltet, die verschleißen könnten. Mittlerweile hat man aber Sterling Motoren in einem 54.000 Stunden Dauerbetrieb getestet (entsprechend 6.1 Jahre Missionsdauer) und weder bei den beweglichen Teilen noch den Kontakten zur Plutoniumquelle nennenswerte Verschleißerscheinungen beobachten können.

Inzwischen wurden aus den SRG die Advanced SRG (ASRG) entwickelt. Bis 2008 gab es Untersuchungen von Prototypen. Der Stand Anfang 2011 ist nun die Qualifizierung, wobei diese Exemplare nun schon den rigiden Anforderungen von Flugexemplaren genügen sollen. Bis 2015 könnten diese dann in einer Mission zum Einsatz kommen. Hier die Daten des ASRG:

ASRG
Leistung beim Start: 130 - 140 Watt
Verlust pro Jahr ~ 0,8%
Gewicht: < 32 kg
Wirkungsgrad ~ 27%
Abmessungen: 50 x 50 x 20 cm
Umgebungen: Tiefenraum und Marsoberfläche
Betriebsdauer: 3 Jahre Lagerung, 14 Jahre Betrieb
GPHS Module 2 mit 500 Watt thermischer Leistung

Eine Enginering Unit (EU) des ASRG die elektrisch beheizt wird anstatt echtes Plutonium zu verwenden wiegt nur 20,84 kg bei 140 Watt Nutzleistung. Sowohl die Leistung pro Kilogramm Masse (6,7 W/kg verglichen mit 5,1 W/kg bei den GPHS) wie auch Effizienz sind viel größer. Er benötigt nur noch  GPHS-Module mit einem Gewicht von 3,2 kg (wahrscheinlich 8 Module entsprechend 1,08 kg Plutonium). Die Energieausbeute pro Kilogramm ist viermal höher als bei den GPHS sein, was drastische Kostenreduktionen ermöglicht. Der Wirkungsgrad erreicht 28%. Ein Flugexemplar soll nochmals leichter als dieses Ingenieursexemplar sein und dann 9 W/kg erreichen. Während man meinen sollte, dass die ASRG gefördert werden, da sie die kosten für diese Energiequelle drastisch reduzieren ist genau das Gegenteil der Fall. Nachdem die NASA im Juli 2013 die Produktion von Plutonium für RTG neu aufnahm hat man die Entwicklung der ASRG eingestellt, mit der Begründung man habe nun genügend Plutonium um bis 2019 eine weitere Flagship Mission zu starten. Diese Aussage ergibt sich daraus, dass man lieber auf eine bewährte, wenn auch veraltete und ineffiziente Technologie setzt und die hohen Herstellungskosten RTG bei Flagshipmissionen (Kosten deutlich über 1 Milliarde Dollar) nicht so viel ausmachen. Vor einem Einsatz bei einer Flagshipmission hätten die ASRG bei einer kleineren Discovery Class Mission erprobt werden müssen, doch zwei Konzepte die beide ASRG einsetzen sollten, unterlagen bei der letzten Ausschreibung für dieses Programm, so ist keine Mission in Sicht, die vor einer Flagshipmission starten könnte. Ein grundsätzliches Problem der ASRG ist, dass der Stirlingmotor bewegliche Teile enthält - man weis aus Erfahrung dass diese eher ausfallen können als unbewegliche Teile. So wurden schon zahlreiche Missionen durch ausgefallene Reaktionsschwungräder beendet, die man brauchte um Satelliten und Sonden zu drehen. Weiterhin liefert der Stirlinggenerator Wechselspannung und die muss auf die normalerweise verwendete 28V Gleichstromspannung umgesetzt werden. Auch diese müssen erst qualifiziert werden, müssen sie schließlich über ein Jahrzehnt arbeiten.

Bis dahin hatte die NASA 272 Millionen Dollar für diese Technologie ausgegeben. Die Einstellung sparte weitere 170 Millionen Dollar. Dafür erhält man ein fertiggestelltes Design und eine teilweise fertiggestellte Qualifikationseinheit. Die Forschung geht nun beim Glenn Research Center weiter, aber auf deutlich niedrigerem Niveau.

Weitere Untersuchungen, jedoch noch keine Entwicklungen, gibt es für noch kleinere RTG, die ein einzelnes GPHS Modul (jeder GPHS RTG besteht aus 18 Modulen) als RTG benutzen. Auch an die Gewinnung von Strom aus RHU wurde gedacht. Diese kleinen RTG sind vor allem für Landemissionen gedacht.

Radioisotopen HeizelementeRHU Aufbau

Neben den RTGs, die der Stromerzeugung dienen, hat die Cassini Sonde wie viele andere Planetensonden (z.B. die Mars Exploration Rovern auf dem Mars) kleine Heizkörper an Bord, welche ebenfalls den radioaktiven Zerfall von Plutonium 238 nutzen, um daraus Wärme zu gewinnen. Es sind inklusive der Huygens Landesonde 117 dieser Heizkörper. (82 an Bord von Cassini und 35 an Bord von Huygens). Jeder dieser Körper ist 3.2 cm hoch und 2.6 cm breit (in etwa die Größe einer Monozellen Batterie). In ihm befindet sich ein Pellet von 2.7 g Plutoniumdioxid. Jeder RHU gibt eine Wärmeleistung von 1 Watt ab. Jedes Element wiegt 40 g und ist noch besser als die RTGs geschützt. Das Pellet selbst ist von einer mehrschichtigen Platin-Rhodium Legierung umgeben, dieser wiederum von einem Graphitschild. (Rhodium ist ebenfalls ein Edelmetall aber bedeutend leichter als Platin). Diese kleine Radioisotopen Heizeinheiten (Radiosiotopic Heater Units, RHU) dürften einen Unfall noch besser als die RTGs überstehen. Sie haben eine bessere Abschirmung, sind kleiner und befinden sich im inneren der Sonden, sind also besser geschützt. Gegen ihren Einsatz an Bord der Marsmissionen gab es daher auch noch nie Proteste.

Raumsonden mit RTG

Gewinnung des Plutoniums

Plutonium entsteht als Abfallprodukt in Kernreaktoren. Uran fängt dabei Neutronen aus dem Zerfall anderer Urankerne auf und diese zerfallen in Protonen und Elektronen. Als Folge nimmt der Plutoniumanteil zu. Dies ist ein angenehmer Nebeneffekt, da alle Plutoniumisotope kürzere Halbwertszeiten als das Uran haben. Je länger man ein Atomkraftwerk betreibt desto mehr Plutonium gibt es. Im dritten Jahr stammen schon 70% des Stroms aus dem Zerfall von Plutonium. Das Plutonium besteht dann aus folgendem Gemisch:

Eine Tonne abgebrannter Kernbrennstäbe (nach 3 Jahren Betrieb in einem Druckwasserreaktor) enthält 9,74 kg Plutonium, davon 1,8 kg Pu 241,Pu-242 und Pu-238, also nur 0,2 kg Pu-238 pro Tonne.

Waffenfähiges Plutonium ist das Isotop Pu-239 mit einer Halbwertszeit von 24.110 Jahren.  Für Waffenplutonium ist ein möglichst hoher Gehalt an Pu-239 und ein möglichst niedriger Gehalt an Pu-240 erwünscht (waffentaugliches (weapon grade) Plutonium: >95% Pu-239). Pu-240 mit einer Halbwertszeit von 6540 Jahren ist nicht spaltbar, es zerfällt spontan, dabei werden verstärkt Neutronen frei, die eine unerwünschte Frühzündung der Atombombe bewirken könnten und sich auch die Sprengkraft der Bombe nicht genau berechnen lässt. Beides ist für Militärs absolut nicht vertretbar, da eine exakte Zündung und eine präzise Voraussage der Sprengkraft für einen Einsatz als Waffe unerlässlich sind. Da der Anteil an Pu-240 während des Betriebs laufend zunimmt, entnimmt man für die Produktion von Atomwaffen die Brennstäbe recht früh. Das Isotop Pu-238, das in den RTGs verwendet wird, stört ebenfalls, weil seine Halbwertszeit viel kürzer ist und sich so die Waffe stark aufheizt. Die kleinen Mengen physikalisch aus dem Gemisch zu extrahieren ist zwar möglich, aber sehr teuer. Dieser Weg wird daher heute nicht gegangen.

Für einen RTG spielt die Halbwertszeit eine Rolle. Sie sollte kurz, aber nicht zu kurz sein. Das Pu-238 mit 87,7 Jahren Halbwertszeit gibt eben rund 100-mal mehr Wärme ab, als das PU-240 oder 30 mal mehr als das Pu-239. Dafür sinkt die Leistung innerhalb von Jahrzehnten auf die Hälfte ab (in der Regel schneller als die Halbwertszeit, weil der Wirkungsgrad der Thermoelektrischen Elemente mit sinkender Temperatur absinkt). Die Wärmemenge ist proportional zur Halbwertszeit. Sie beträgt bei Pu.238 über 500 Watt/kg, wodurch sich das Material schon stark aufheizt. Zudem sind die anderen Plutoniumisotope nicht für RTG brauchbar weil sie anders als Pu-238 nicht nur die leicht abschirmbaren Alphastrahlen abgeben sondern auch durchdringendere Strahlen.

Teuer sind RTG, weil das für ihren Betrieb verwendete Isotop Plutonium 238 (Pu-238) nicht als Abfallprodukt beim normalen Betrieb von Atomkraftwerken anfällt, sondern in speziellen Reaktoren „erbrütet“ werden muss. Um Pu-238 gewinnen zu können, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Zum einen muss der Reaktor die Bildung eines Vorproduktes begünstigen. Dies ist zum Beispiel bei einem Schwerwasserreaktor oder einem Graphitreaktor (Tschernobyltyp) der Fall. Zum anderen muss man die Brennstäbe nach kurzer Betriebszeit oder im laufenden Betrieb schnell austauschen können. Leichtwasserreaktoren wie die bundesdeutschen Typen müssen dazu aufwendig und zeitraubend heruntergefahren werden.

Schwerwasserreaktoren sind heute die bevorzugte Quelle für Plutonium. Dazu werden zuerst alte Brennstäbe aufgearbeitet. In Brennstäben entsteht aus Uran 235 unter anderem das Isotop Neptunium Np-237. Dieses hat eine sehr große Halbwertszeit von über 2 Millionen Jahren und unterscheidet sich chemisch von Plutonium und Uran. Es kann also leicht abgetrennt werden.

235U + Neutron → 236U + Gammastrahlung
236U + Neutron → 237 U → 237Np + Betastrahlung

Aus dem Neptunium werden neue Brennstäbe gefertigt. Diese Brennstäbe werden in einem Schwerwasserreaktor dem Beschuss von hochenergetischen Neutronen ausgesetzt. Dabei wird Pu-238 gebildet.

237Np + Neutron → 238Np → 238Pu + Betastrahlung

Der limitierende Faktor ist das im ersten Schritt gebildete Neptunium. Sein Anteil beträgt nur 0,1% des gebildeten Plutoniums. Ein großes Kernkraftwerk der 1.000 MW Klasse produziert lediglich 10 kg Neptunium pro Jahr. Pro Tonne Kernbrennstäbe werden lediglich 400 g Neptunium gebildet. Früher gab es in den USA mehr Reaktoren, die Neptunium synthetisieren, weil sie für die Produktion von Plutonium für Kernwaffen genutzt wurden. Wahrscheinlich gilt das Gleiche für Russland. Beide Mächte haben innerhalb von zwei Jahrzehnten je etwa 30.000 Atom- und H-Bomben gebaut, wobei jede Wasserstoffbombe eine Atombombe als Zünder für die Kernfusion beinhaltet. Die Anforderungen an die Reaktoren sind identisch, und so fiel bei der Gewinnung des atomwaffentauglichen Pu-239 auch Neptunium-237 an, aus dem man Plutonium-238 erzeugte. In beiden Fällen mussten die Kernbrennstäbe aufgearbeitet werden und die einzelnen Elemente vom Uran getrennt werden. Für die Atombomben brauchte man möglichst reines Pu-239 und für die RTG möglichst reine Neptunium-237.

TOPA Kernraktor für RORSATDie USA beendeten ihre Produktion von Pu-238 schon 1988. Seit dem Ende des Kalten Kriegs haben die USA ihr Plutonium von Russland bezogen. In gewissem Sinne entsorgen die USA also die Atomabfälle der UdSSR im Weltraum. Sowohl Cassinis wie auch New Horizons RTG verwenden russisches Plutonium. Im Jahre 2005 verfügten die USA noch über 8 kg Pu-238 und könnten von Russland weitere 30 kg kaufen (ein RTG enthält 9.7 kg Plutonium, davon 7.5 kg Pu-238). Bis zum Jahr 2011 sollten die USA 23 kg benötigen. Um nicht von Russland abhängig zu sein hat man schon im Jahre 2001 beschlossen in den Reaktoren Idaho Falls und Oak Ridge die Produktion wieder aufzunehmen. Sie produzieren zusammen 3-5 kg pro Jahr. Die Produktion soll offiziell im Jahre 2011 beginnen. Über 30 Jahre sollen so 150 kg Pu-238 erzeugt werden. Es blieb aber bei den Plänen. Eine Initiative von Präsident Obama die Produktion erneut zu starten, scheiterte am 16.10.2009 im Kongress, das die dafür benötigten 30 Millionen Dollar nicht freigab.

2013 gibt es nun nur noch einen Vorrat von rund 10 kg. Russland ist nun nicht mehr bereit, weiteres Plutonium zu liefern. So kamen die Pläne für eine Neuaufnahme der Produktion erneut auf den Tisch. Im Juli 2013 nahmen die USA die Produktion erneut auf. Die NASA trägt voll die Kosten (vorher war über Jahre gestritten worden ob das Department of Energie sich nicht beteiligen sollte). Anfangs sind es 10 Millionen Dollar pro Jahr, wenn die Produktion läuft sollen für diesen Betrag rund 1-1,5 kg Plutonium pro Jahr erzeugt werden. Bei dieser Rate baucht man mindestens 5 Jahre um das Plutonium für einen einzigen GPHS zu synthetisieren. Bis 2019 sollte genügend Plutonium für eine neue größere Mission zur Verfügung stehen.

http://www.spaceflightnow.com/news/n1311/19asrg/#.UoxwJsRfpvZ

Dieser Kernbrennstoff ist deswegen so teuer weil die Reaktoren wesentlich weniger Strom erzeugen. Bei herkömmlichen Kernreaktoren liefert nach einigen Monaten das bei dem Kernzerfall von Uran entstehende Plutonium einen Großteil der Zerfallswärme, bis ein Kernbrennstab nach etwa 3 Jahren ausgetaucht wird. Beim Erbrüten von radioaktiven Isotopen müssen die Kernbrennstäbe erheblich früher ausgetauscht werden, und wenn es keine Verwendung für andere "Nebenprodukte" des Brütens gibt, müssen sie praktisch nur betrieben werden um Pu-238 zu erzeugen.

Wirtschaftlich ist dies nicht. Denn die geschätzten Kosten liegen bei 1.5 Milliarden USD, also etwa 10 Millionen USD pro Kilo. Dagegen lieferte Russland 16 kg Plutonium für einen Preis von 2 Millionen USD pro Kilo. Wegen der großen Menge wird gemutmaßt, dass das nun neu erzeugte Plutonium auch für militärische Geräte verwendet wird. Dies verbieten die Verträge mit Russland ausdrücklich. Schon im Kalten Krieg betrieben die USA Abhöreinrichtungen für Seekabel die Pu-238 Thermoelemente als Stromquelle verwandten. Es sind zumindest heute (mit einer Ausnahme, dem mobilen Marslabor, das 2011 starten soll) keine Raumsonden oder andere Missionen geplant die RTG einsetzen.

Alternativen

Alternativen zum Pu-238 sind andere Isotope mit Halbwertszeiten zwischen einigen Jahrzehnten und wenigen Jahrhunderten. Je kürzer die Halbwertszeit ist desto weniger Material benötigt man und desto schneller fällt aber auch die Leistung ab. Andere Materialen die genannt werden:

Material Halbwertszeit Wärmabgabe anfangs pro g Abschirmung in Blei [mm]
Pu-238 87,7 Jahre 0,39 J/g 5 mm
Am-241 432 0,097 J/g 18 mm
Cm-244 18,1 2,27 51 mm
Cs-137 30 0,12 117 mm
Sr-90 28 0,22 152 mm
Co-60 5,24 1,74 242 mm
   
 

Es gibt neben der Halbwertszeit auch andere Faktoren zu berücksichtigen, so z.B. ob Alphastrahlen, Betastrahlen oder Gammastrahlen emittiert werden.  Weiterhin wird der Vorteil von geringeren Halbwertszeiten (weniger Material) wird benötigt, dadurch dass man nun die stärkere Strahlung mehr abschirmen muss. Pu-238 erfordert dafür eine Abschirmung die einem 0,25 mm starken Bleimantel entspricht. bei Co-60 sind es aber schon rund 25 cm Pb-Äquivalent, also im Prinzip vom Gewicht her heute nicht vertretbar. Alle hier aufgeführten Isotope sind in dieser Hinsicht Pu-238 unterlegen. PU-238 erfordert eine so geringe Abschirmung da es und die beiden nächsten Zerfallsprodukte reine Alphastrahler sind. DieseSstrahlen sind aber nicht sehr durchdringend. dagegen weisen die anderen Isotope auch Betastrahlung oder gar Gammastrahlung auf.  Weitere Informationen zu diesem Thema.

Die ESA untersucht Americum-241 als Alternative. Der Hauptvorteil dieses Elements ist, dass es in normalen Reaktoren in größeren Mengen als Abfall anfällt, während Pu-238 in normalen Reaktoren kaum anfällt, dafür muss ein spezieller Betriebsmodus gefahren werden, bei dem Brennstäbe mit Neptunium-237 schnell eingebracht und wieder ausgetauscht werden. Das ist für Reaktoren zur Stromerzeugung aber nicht vorgesehen. Sie würden so sehr lange stillstehen. Von allen US-reaktoren eignen sich daher nur drei für die Produktion. Eine Tonne abgebrannter Kernbrennstäbe enthält 100 g Americum 241. Obwohl die Menge kleiner als beim Neptunium 237 als Ausgangsmaterial für das Pu-238 ist, soll der Grammpreis mit 1500 Dollar günstiger als bei Pu-238 sein (angegeben 4000 $/g, das ab 2013 in den USA produzierte wird aber 6700-10000 $/g kosten). Der günstige Preis relativiert sich dadurch das die Halbwertszeit 432 anstatt 87 Jahre beträgt wodurch es nur ein Viertel der Wärmeenergie liefert, man also für eine bestimmte Leistung viermal so viel Americium benötigt.

Ansonsten hat es einige Nachteile. Neben der Problematik, dass es eine starke Neutronenquelle ist (schädlich für den Menschen, aber tolerabel für Elektronik) ist die Halbwertszeit mit 432 Jahren viel höher. Eine Studie geht davon aus, dass ein GPHS Einzelmodul, dass bestückt mit Pu-238 etwa 56 Watt Strom liefert wegen der längeren Halbwertszeit und geringeren Wärmeabgabe nur noch 11 Watt mit Americum-241 abgibt. Bei einem kompletten GPHS-RTG würde so die Leistung von 285 auf 55 Watt absinken, oder man benötigt 5-RTG wo mit Pu-238 einer reicht. Für Raumsonden bei denen das Gewicht kritisch ist wie Raumsonden zu Jupiter und darüber hinaus ist dies ein Problem. Bei Marslandesonden die auch einen geringeren Strombedarf haben (das MSL z.B. nur noch 110 Watt), wäre es eventuell eine bessere Alternative.

Ein Vorteil von Americium-241 ist dass die Leistung viel langsamer absinkt. Nicht nur durch die längere Halbwertszeit und dadurch geringeren thermischen Leistung. Auch altern die Thermoelemente durch die hohen Temperaturen an der Kontaktstelle und die sinken beim Übergang von Pu-238 auf Americium von 1.250 auf 814 K ab. Nach 50 Jahren sollte so ein Am-241 bestückter RTG noch 93,8% der Ausgangsleistung abgeben. Bei Plutonium ist es weniger als 50%.

Kernreaktoren im Orbit

Manchmal werden bei der Information über die Sicherheitsproblematik RTGs mit Kernreaktoren verwechselt. Auch letztere sind im Weltraum eingesetzt worden. Die USA haben am 3.4.1965 den Satelliten Snapshot gestartet, der einen experimentellen Miniatur Kernreaktor an Bord hatte. Es blieb bei diesem Experiment.

Die UdSSR haben dagegen vom 3.10.1970 bis 14.3.1988 insgesamt 33 Satelliten eines Ozeanüberwachungsprogramms gestartet. Die im Westen als RORSAT, in der UdSSR als US-A bezeichneten Satelliten hatten die Aufgaben die Marine der USA aus niedriger Bahnhöhe mit einem Radar zu überwachen. Ein Radar hat einen hohen Strombedarf. Um diesen ohne ausladende Solarzellen auch bei der Nacht decken zu können, verfügten die Satelliten über einen kleinen Kernreaktor an Bord. Ein Satellit (Kosmos 556) hatte einen Fehlstart. Kosmos 954 und Kosmos 1402 traten wieder in die Erdatmosphäre ein. Bei Kosmos 954 fand im Absturzgebiet in Kanada eine umfangreiche Säuberung der 124000 m² großen Absturzstelle statt.

RORSATKernreaktoren sind von dem Sicherheitsaspekt wesentlich kritischer als RTG. Bei einem RTG kann man das gesamte radioaktive Material gut umhüllen und schützen. Es gibt keine beweglichen Teile und nur minimale Verbindungen zur Außenwelt.

Ein Kernreaktor hat das radioaktive Material dagegen in einem größeren Behälter eingebettet, der mit einem Mittel welches die Wärme aufnimmt gefüllt ist. (Bei den Sowjetischen Reaktoren war es flüssiges Natrium und eine Kaliumlegierung). Diese Wärme treibt wiederum einen Stromgenerator an. Man muss also diesen kompletten Kreislauf umhüllen. Das Volumen ist viel größer und man hat zumindest ein flüssiges Medium, welches leichter Radioaktivität freisetzt. Weiterhin produziert ein Kernreaktor neue Radioaktivität nämlich neue radioaktive Isotope durch den Zerfall von Uran und Plutonium und durch den Neutronenbeschuss anderer Elemente.

Die Abschirmung ist bei keinem der sowjetischen Satelliten in der Form erfolgt wie bei den RTG, also so, das bei einem Wiedereintritt keine Radioaktivität frei wird. Stattdessen hat man den Reaktor vor Missionsende abgetrennt und in eine höhere Bahn geschossen. Als dies bei Kosmos 954 versagte gab es einen neuen Mechanismus, der bei erreichen einer minimalen Orbithöhe eine automatische Abtrennung bewirkte. Bei Kosmos 1402 wurde dieser erfolgreich ausgelöst. Nur der Teil des Satelliten ohne den Reaktor verglühte über dem Südatlantik. Man das Programm Ende der 80 er Jahre eindeutig eingestellt. Vorher flogen noch zwei russische Satelliten mit den neuesten Reaktoren vom Typ TOPAZ.

TOPAZ-1Russische Reaktoren des Typs TOPAZ, die nicht mehr zum Einsatz kamen, wurden dem Westen Anfang der neunziger Jahre zum Kauf angeboten. So weis man etwas mehr über diese. Die USA kauften zwei TOPAZ-1 Reaktoren für 13 Millionen USD und planten den Kauf vier weiterer Reaktoren für 21 Millionen USD, dazu kam es aber nie. Die russischen Reaktoren in den RORSAT hatten Leistungen von 5 kW bei etwa 390 kg Masse, waren also in der Beziehung Leistung/Gewicht nicht viel besser als RTG. Die TOPAZ Reaktoren erreichten dagegen bis zu 10 kW Leistung bei 320 kg Masse. Da die Abschirmung eine Mindeststärke haben muss werden Reaktoren von dem Leistung/Masseverhältnis um so attraktiver, je höher die Leistung ist. Ein von den USA projektierter Reaktor unter der Bezeichnung SP-100 hätte aus 2000 kW thermischer Leistung 100 kW elektrische Leistung bei 5.422 t Masse erreicht.

Name thermische Leistung elektrische Leistung Gewicht Leistung/kg
SNAP-10A 45.5 kW 0.65 kW 435 kg 1,5 W/kg
Romaska 40 0.8 kW 455 kg 1,76 W/kg
RORSAT 100 5 390 kg 12,8 W/kg
TOPAZ-1 150 5-10 320 kg 15,6-31,2 W/kg
TOPAZ-2 135 6 1061 kg 7,5 W/kg
SP-100 2000 100 5422 kg 18,4 W/kg

Der Gewichtsunterschied zwischen dem TOPAZ 1+2 Reaktor besteht vor allem darin, dass hier erstmals der Reaktor so abgeschirmt wurde, dass er einen Wiedereintritt intakt überlebt. Dies hat die Masse verdreifacht. Allerdings gibt es dann auch keinen Vorteil gegenüber RTG mehr, denn GPHS-RTG die eine elektrische Leistung von 6 kW erzeugen wiegen mit 1180 kg nahezu gleichviel.  Das ist eine ernüchternde Tatsache, denn die Energie die im Uran steckt ist wesentlich größer. 1 kg reines U-235 enthält 50000 mal mehr Energie als 1 kg Pu-238 über 10 Jahre abgibt ! Der TOPAZ-1 Reaktor hatte eine Füllung von vor 12 kg U-235 und erzeugte damit etwa 30 mal mehr thermische Leistung als die gleiche Menge Pu-238. Der gesamte Reaktor ist allerdings kaum effizienter, bedingt durch den schlechten Wirkungsgrad und die Abschirmung.

Die NASA rechnet bei einem Reaktor im Bereich einer Leistung von 3 kW (gedacht für eine unbemannte automatisch arbeitende Station) an eine Leistung von 3,87 W/kg. SRG wären mit 4,22 W/kg leistungsfähiger. Solarzellen haben den Nachteil der Abhängigkeit vom Breitengrad. Ein Modul würde je nach Breitengrad und Jahreszeit zwischen 1,65 und 8,65 W/kg liefern. Diese Studie stammt von 2004. Inzwischen haben Solarzellen weitere Fortschritte gemacht und sind noch leistungsfähiger geworden. Kleine Reaktoren erfordern zwar nicht das teure Plutonium 238, aber dafür sind sehr hohe Entwicklungskosten erforderlich, da die USA die Entwicklung dieser Technologie in den frühen sechziger Jahren eingestellt haben und die sowjetischen Typen nun auch schon seit 20 Jahren nicht mehr eingesetzt werden.

Verbessern kann sich dies erst wenn man übergeht zu großen Reaktoren. Ein Reaktor braucht eine gewisse Mindestgrö0e, ebenso wird der Wirkungsgrad immer größer je mehr Kreisläufe man zur Wärmeabgabe nachschaltet. Sinnvoll werden Kernreaktoren erst ab Leistungen im Bereich von einigen Hundert kW (elektrisch). Die NASA hoffte im Projekt Prometheus auf eine Leistung von 15 W/kg zu kommen. Zubrin hält bei sehr großen Reaktoren (200 MW Klasse) bis zu 50 W/kg für möglich.

Nukleare Antriebe

Nuklear angetrebener ReaktorNoch wesentlich kritischer zu sehen sind die Pläne für nuklear angetriebene Raketen. Das Funktionsprinzip dieser ist relativ einfach: Einen sehr kompakten Reaktorkern umströmt Wasserstoff, der von der freigesetzten Wärme der Kernbrennstäbe auf bis zu 2200 K erhitzt wird. Der Wasserstoff ist also das Kühlmittel für den Reaktor. Durch die geringe Atommasse von Wasserstoff (9 mal kleiner als Wasser) hat dieser eine viel höhere Ausströmgeschwindigkeit als das Wasser, das bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer chemischen Reaktion entsteht. Der spezifische Impuls liegt doppelt so hoch wie bei den besten chemischen Triebwerken. (erreicht 8100 m/s Ausströmgeschwindigkeit, durch Temperaturerhöhung sind bis zu 9000 m/s möglich. Der Rekord bei chemischen Triebwerken liegt bei 4558 m/s). Exotische Konstruktionen bei denen man sogar hinnimmt dass der Reaktor in den gasförmigen Zustand übergeht erreichen noch höhere spezifische Impulse, dürften aber weder politisch noch technisch in nächster Zukunft machbar sein.

Sowohl die USA wie auch die UdSSR haben in den sechziger und siebziger Jahren nukleare Triebwerke entwickelt. In den USA liefen diese Versuche unter der Bezeichnung NERVA. In den UdSSR unter der Bezeichnung NTPS. Das Grundproblem ist, das man hier den Reaktorkern Prinzip bedingt nicht von der Außenwelt isolieren kann. Er muss ja die Hitze an den Wasserstoff abgeben und dieser muss wiederum durch eine Düse nach außen treten. (Es versteht sich von selbst, das man solche Antreibe daher nur im luftleeren Raum betreiben kann, denn der Wasserstoff ist durch die Strahlung des Reaktors auch schon leicht radioaktiv). Der Reaktor ist dabei durch die fehlende Abschirmung relativ leicht. NERVA wog etwa 3 t und produzierte 1100 MW thermische Leistung. Für das  Triebwerk SNTP welches in den neunziger Jahren für SDI entwickelt wurde ging man von einer Triebwerksmasse von 1650 kg bei 370 kN Schub aus.

Ein Einsatz von nuklear angetriebenen Raumschiffen wird nun wieder propagiert, doch es ist fraglich ob man diese Technologie bei ihren Risiken jemals wird einsetzen werden. Nukleare Antriebe haben einen mäßigen Schub der wesentlich kleiner ist als von chemischen Triebwerken gleicher Größe, aber erheblich größer als bei elektrischen Triebwerken. Die Antriebsdauer liegt im Bereich von einer bis mehreren Stunden je nach Treibstoff.  Es ist sicher sinnvoller einen herkömmlichen Reaktor als Stromquelle für ein elektrisches Triebwerk zu nutzen.

Die folgende Tabelle informiert über die Daten einiger getesteter und projektierter nuklearen Antriebe:

Name Leistung Schub Ausströmgeschwindigkeit Bemerkung
Nerva 1100 MW 266 kN 7838 m/s entwickelt 1960-1969
Nerva 2 4000 MW 867.40 kN 8093 m/s entwickelt 1970-1974
PEEWEE 367 MW 73 kN 8583 m/s geplant für Space Shuttle
SNTP 2000 MW 370 kN 9123-9810 m/s Projekt Timberwind

Bilder: Copyright Courtesy NASA/JPL-Caltech.

Links:

Cassini Web Site Safety

U.S. Space missions using radioisotope power systems

NASA Technical Memorandum: The Development of Advanced Stirling Radioisotope Generator for Space Exploration.

Advanced Stirling Radioisotope Generator for Space Missions

Space Radioisotope Power Systems Advanced Stirling Radioisotope Generator

Artikel zuletzt geändert am 14.8.2012


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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