Wenn eine Raumsonde ins äußere Sonnensystem aufbricht, benötigt sie eine Stromversorgung die unabhängig von der Sonnenstrahlung ist, die immer weiter abnimmt. Derzeit ist dies noch immer ein RTG, bei dem Thermoelemente einen Teil der Zerfallswärme von Plutonium-238 in Strom umwandeln. Es gibt Alternativen wie Kernreaktoren oder Solarzellen, doch darum soll es in diesem Beitrag nicht gehen, sondern um eine Alternative zu Pu-238 als Element für die RTG.
Zuerst: Warum eine Alternative? Die Erzeugung von Pu-238 ist recht teuer. Es entsteht in zwei Schritten in Kernreaktoren. Zuerst entsteht aus U-235 das Neptunium 237. Es wird heute aus den Brennstäben extrahiert und in eigenen Stäben in einem Schwerwasserreaktor starker Neutronenstrahlung ausgesetzt, wobei durch Neutroneneinfang zum Teil das Pu-238 entsteht.
Dafür eine eigene Fertigung aufzubauen ist teuer. 150 Millionen Dollar soll die Wiederaufnahme der Produktion kosten. Früher war es einfach, denn es fiel als Abfallprodukt bei der Gewinnung von atomwaffenfähigem Plutonium an. Es entsteht wie dieses in größerer Menge, wenn Kernbrennstäbe nur kurz in Betrieb sind. Bei längerem Betrieb wird es wieder gespalten. Daher ist ökonomisch unrentabel einen Reaktor nur für die Produktion von Pu-238 zu betreiben und das Material entsprechend teuer.
Die Misere fing Ende der achtziger Jahre an, als die USA weniger atomwaffenfälliges Plutonium produzierten. Damit wurde auch kaum noch Pu-238 produziert. Lange Zeit konnten sie es von Russland beziehen, deren Graphitreaktoren recht gut geeignet sind es zu produzieren. Doch auch das ist nun nicht mehr möglich. Die USA haben noch rund 37 kg Pu-238. Damit man eine Vorstellung hat: In einem RTG des Typs GPHS, wie er seit 1989 für Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons eingesetzt wurde, stecken rund 8,2 kg Plutonium und er liefert anfangs 285 Watt Leistung. Das reicht also für gerade mal vier dieser Generatoren.
Daneben ist es teuer. Die Fertigung eines GPHS kostete zuletzt 90 Millionen Dollar, also mehr als 10 Millionen pro Kilogramm Pu-238.(Rund 200 mal teurer als Gold oder Platin). Also Zeit nach Alternativen zu suchen. Wenn man das Funktionsprinzip beibehält: Also ein radioaktives Element erzeugt beim Verfall Wärme und daraus erzeugt man Strom, dann gibt es folgende Elemente die man in größeren Mengen herstellen kann:
| Element | Halbwertszeit |
|---|---|
| Plutonium 238 | 87,4 Jahre |
| Cäsium 137 | 30 Jahre |
| Strontium-90 | 28 Jahre |
| Curium 244 | 18,1 Jahre |
| Kobalt 60 | 5,24 Jahre |
| Prometium 147 | 2,6 Jahre |
| Ruthenium | 1 Jahr |
| Cer 144 | 0,78 Jahre |
| Curium 242 | 0,45 Jahre |
| Polonium 210 | 0,38 Jahre |
| Thullium 170 | 0,35 Jahre |
Diese Liste kann man jedoch schon in einem ersten Schritt reduzieren. Die NASA gibt heute den Strom ihrer RTG beim Start und nach 10 Jahren unter Marsbedingungen und 14 Jahren im Weltraum an. Das sind heute typische Missionszeiten. Cassini wird bis 2017 betrieben werden, 20 Jahre nach dem Start. Galileo wurde 14 Jahre lang betrieben.
Rein theoretisch sinkt die Wärmeabgabe nach einer Halbwertszeit auf die Hälfte ab. Aber durch Alterungen der Thermoelemente und sinkenden Wirkungsgrad (da dieser nicht von der Gesamtenergie sondern dem Temperaturunterschied abhängt) sinkt der erzeugte Strom schneller ab. Bei Voyager wird 2025, rund 48 Jahre nach dem Start die Stromproduktion auf die Hälfte gesunken sein. Das entspricht ungefähr einer halben Halbwertszeit. Das bedeutet, dass man bei 10-14 Jahren Lebensdauer und der Annahme, dass zum Ende nicht die Stromausbeute auf weniger als die Hälfte des Anfangswerts sinken darf, alle Elemente mit Halbwertszeiten unter 20-28 Jahren ausschließen kann. Das reduziert die Auswahl auf die ersten 3-4 Elemente.
Das nächste Ausschlusskriterium ist die Energieabgabe. Elemente können zerfallen unter Abgabe von Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung. Die Durchdringungsfähigkeit nimmt in dieser Reihenfolge zu. Gammastrahlung ist heute nach dem Stand der Technik nicht sauber abschirmbar. Von den ersten vier Elementen sieht es so aus:
| Element | Strahlung |
|---|---|
| Plutonium 238 | Alpha |
| Cäsium 137 | Gamma und Beta |
| Strontium-90 | Beta |
| Curium 244 | Alpha |
Das schließt Cäsium 137 aus. Strontium 90 wird eine höhere Abschirmung benötigen als Curium 244 und Plutonium 238.
Die nächste Tabelle gibt an wie viel Energie man pro g Triebstoff erhält:
| Element | Energie über 10 Jahre Betrieb [kWh/g] |
|---|---|
| Plutonium 238 | 47 |
| Cäsium 137 | 33 |
| Strontium-90 | 74 |
| Curium 244 | 190 |
Die Energie und Abschirmung hängt nicht nur von der Halbwertszeit ab, sondern auch der Energie jedes Zerfalls. Cäsium 137 erweist sich hier als Plutonium 238 unterlegen. Alle anderen Elemente sind besser. Weitere Differenzierungen kann man machen nach Schmelzpunkt (Sicherheitsaspekt) Dichte (Volumen und damit Gewicht) und Konzentration (üblicherweise liegt das Isotop nicht in Reinform vor und auch meistens in einer Verbindung). Ich will davon nur noch eine Übersicht nehmen, die Wärmeabgabe pro Volumen:
| Element | Energiedichte [kWh/cm³] |
|---|---|
| Plutonium 238 | 3,9 |
| Cäsium 137 | 0,38 |
| Strontium-90 | 1,01 |
| Curium 244 | 20,4 |
Das bedeutet, dass Cäsium 137 und Strontium 90 vier bis zehnmal mal größere RTG ergeben als Plutonium und daher eher nachteilig sind. Doch wichtig sind für den kommerziellen Einsatz die Kosten. Sie hängen von der Produktionsrate und dem Aufwand ab. Folgende Mengen der Isotope sind mit einem Kernreaktor gewinnbar:
| Element | Produktionsmenge [kg/1 GW Reakjtor/Jahr] |
|---|---|
| Plutonium 238 | 15 |
| Cäsium 137 | 36 |
| Strontium-90 | 16 |
| Curium 244 | 0,4 |
Damit scheidet Curium 244 praktisch aus, da es 30-mal weniger produziert wird als vom Plutonium, man aber ein Fünftel dessen Menge braucht. Das führt zur vorletzten Tabelle, den Kosten pro kWh bei einer 10 Jahresmission:
| Element | Relative Kosten pro kwh für eine 10 Jahresmission |
|---|---|
| Plutonium 238 | 138 |
| Cäsium 137 | 4 |
| Strontium-90 | 6 |
| Curium 244 | 22 |
Es gibt also Alternativen: Allerdings außer den Radioisotopen alleine noch einen zweiten Aspekt: Wie schwer wird das ganze. Das hängt nicht nur von den Radisotopen ab, sondern auch dem Gesamtsystem, z.b. was dieses wiegt, aufgrund des nötigen Schutzes und das zeigt warum man bisher bei Pu-238 blieb:
| Element | Schutzschild für eine 1kWh Wärmequelle um die Strahlung in 10 m Abstand auf 10mrem/h zu reduzieren |
|---|---|
| Plutonium 238 | 2,5 mm |
| Cäsium 137 | 117 mm (aber 500 mal höherer Neutonenfluss der nicht abschirmbar ist, als Pu-238) |
| Strontium-90 | 152 mm |
| Curium 244 | 51 mm |
Alle Schilddicken sind in mm Blei-Aquivalent. Das reduziert die Auswahl praktisch auf Plutonium. Bei Curium ist schon ein über 5 cm dicker Bleischild nötig. Bei der Größe eines GPHS von 0,43 x 0,43 x 1,14 m, davon (geschätzt) 0,3 x 0,3 x 1,14 m ohne Radiatoren ist das ein Zusatzgewicht von 656 kg – praktisch ist es also viel zu schwer. Die GPHS haben einen 2 mm starken Irdidumschutzschild.
Das ist der Hauptgrund für die Verwendung von Pu-238: als einziges Element kann man es mit einer nur wenige Millimeter dicken Schutzschicht abschirmen. Da auch das Gewicht wichtig ist, ist dies der Hauptgrund für die Verwendung.
Wichtiger als die Suche nach anderen Elementen ist es daher den Wirkungsgrad zu steigern. Bei den derzeitigen Thermoelementen liegt er bei Missionsbeginn bei 6,4%. Das ist natürlich noch steigerbar. 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. Strom wird hier also nicht durch den thermoelektrischen Effekt erzeugt.
Klassische Wärmekraftmaschinen sind hier noch weitaus effizienter. Vor allem wenn man daran denkt, dass direkt am Element eine Temperatur von über 1000 °C vorliegt. Das grundsätzliche Problem ist das alle Maschinen bewegliche Teile haben und sie absolut wartungsfrei über 10-14 Jahre lang laufen können. Es gibt immerhin eine Maschine, die dieses Potential hat, das ist der Stirlingmotor, der mit einem abgeschlossenen Kreislauf abreitet und sehr einfach aufgebaut wird. (entsprechende Motoren werden z.B. in Afrika in die Mitte von Parabolspiegeln gesetzt um Strom oder mechanische Arbeit an Orten zu erzeugen wo es keinen Strom gibt).
Der Stirlingmotor besteht aus einem Kolben in einem Zylinder. Ein Teil des Zylinders wird erwärmt, der andere ist kühl. Das Arbeitsgas, das im Zylinder eingeschlossen ist, dehnt sich bei Wärmaufnahme auf und treibt den Kolben an. Dabei dehnt es sich aus und kühlt ab, spätestens wenn es den gekühlten Bereich erreicht. Dieses ist optimierbar indem es z.B. zwei Kolben sind die verbunden sind oder Regeneratoren einen Teil der Wärmeenergie speichern. Das wichtigste ist, das ein Stirlingmotor sehr einfach aufgebaut ist, sehr langlebig und als sehr robust gilt. Es gibt schon seit Jahren Tests von Sterlingmotoren für RTG, doch eingesetzt werden sie erst, wenn sicher ist, dass sie über die Missionszeit nicht ausfallen. Das bedeutet dass sie über ein Jahrzehnt im Dauerbetrieb getestet werden müssen.
der Vorteil ist der Wirkungsgrad von rund 30%. Die Gesamtkonstruktion ist zwar nicht leichter, aber sie ist effizienter gemessen am eingesetzten Plutonium, das der Hauptkostenfaktor ist:
| 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 % |
Der Stirling-RTG (SRG) ist leichter als der MMRTG, der beim mobilen Marslabor Curiosity eingesetzt wird und vor allem ist er effizienter, denn er erzeugt die gleiche Leistung mit nur zwei GPHS Modulen, anstatt mit acht. Das müsste die Produktionskosten drastisch senken und der vorliegende Bestand müsste auch viel länger ausreichen.
Datenquelle: BASIC Elements of Static RTG