Wie weit kommt man mit Solarzellen im Sonnensystem?

Da ich gerade beim Aufsatz über Juno arbeite und damit hoffentlich bald die aufholjagt bei den Raumsondenaufsätzen abschließen kann, kam ein Thema auf. Bekanntlicherweise ist dies die erste Raumsonde die zu Jupiter aufbricht und nur mit Solarzellen betrieben wird.

Vor einigen Wochen hat die NASA 10 Millionen Dollar bewilligt um die Produktion von Plutonium-238 wiederaufzunehmen. Seit 1988 haben die USA kein Pu-238 mehr produziert. Seit 1993 bezogen sie es aus Russland, doch Russland kann oder will nun keines mehr liefern. Seit 10 Jahren wird schon über die Wiederaufnahme der Produktion diskutiert. Wegen der hohen Kosten kam es nie dazu. Für die 10 Millionen Dollar pro Jahr wird man anfangs 1 bis 1,5 kg Pu-238 gewinnen. Bedenkt man das einer der GPHS RTG die Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons antreiben, rund 7,6 kg dieses Materials erfordert, dann weis man, das man zum einen eine solche Mission nicht jeden Tag starten kann, und zum anderen die Stromversorgung teuer ist. Bei New Horizons konnte ein schon hergestellter GPHS wiederaufgearbeitet werden. Das kostete 75 Millionen Dollar, ein neuer 90 Millionen Dollar. Das alles für eine Stromquelle die 285 Watt liefert.

Nun fliegt Juno mit Solarzellen. Die drei Arrays wiegen zusammen 340,2 kg. Sie liefern bei Jupiter etwas über 452 Watt Leistung. Ein GPHS mit 285 Watt Anfangsleistung dagegen nur 58 kg. Vom Gewicht her ist es also keine Verbesserung. Mehr noch: innerhalb eines Jahres nimmt die Leistung von 450 auf 411 Watt ab, entsprechend dem Leistungsverlust in 10 Jahren GEO Orbit. RTG verlierend dagegen nur rund 2% der Leistung pro Jahr, würden also erst nach 5 Jahren den Leistungsverlust von Solarzellen in Jupiters Strahlengürtel aufweisen.

So gesehen sind Solarzellen in fast allen Parametern schlechter als RTG. Allerdings in einem nicht: sie sind preiswerter. Das bedeutet, wenn man in der Summe Geld spart, weil man eine kleinere Trägerrakete braucht, dann lohnt es sich. Bei Juno war es so, dass die Raumsonde nicht direkt zu Jupiter starten konnte. Das hätte sie auch mit RTG nicht gekonnt, weil sie annähernd doppelt so schwer wie die Nutzlast der Atlas 551 zum Jupiter war. Mit RTG anstatt Solarzellen wäre sie 10% leichter und wenn man direkt zu Jupiter starten könnte um weitere 25%. Doch sie wäre immer noch zu schwer gewesen.

Allerdings gibt es bei den Solarzellen noch Verbesserungspotential. Die von Juno waren relativ schwer, auch weil sie wegen eines Magnetometerbooms sehr steif sein müssen. Von ATK gibt es aber die ultraflexarrays die bei der gleichen Leistung (18 kW bei der Erde) nicht 340 sondern 90 kg wiegen. Derartige Arrays sind auch schon von der NASA bei Phoenix eingesetzt worden. Damit wären sie vom Gewicht her ebenbürtig mit den RTG (85 kg). Selbst Dawn hatte bessere Arrays die wie bei Juno starr waren. Ihre Arrays hätten nur 225 kg bei gleicher Leistung gewogen. Die Abnahme der Leistung über die Zeit ist natürlich noch größer. Weiterhin sind die Arrays von Juno mit Glas belegt um die Strahlendosis zu verringern. Das erhöht natürlich das Gewicht.

In der Summe denke ich, ist die Zeit reif für den Einsatz von Solar Arrays bis zur Jupiterentfernung. Das betrifft nicht nur missionen zu Jupiter, sondern auch zu den Trojanern in Jupiters Bahn oder andere Missionen die soweit ins äußere Sonnensystem müssen. Darüber hinaus wird es schiweiger. Saturn ist nochmals fast doppelt so weit entfernt. Für die gleiche Leistung braucht man mindestens das 3,5-fache Gewicht. Des weitren sinkt die Effizienz ab, je weiter man sich von der Sonne entfernt. So haben die Solarzellen von Juno bei der Erde eine Leistung von über 18 KW, rechnet man die 450 Watt bei Jupiter dagegen auf Erdentfernung um, dann wären es nur 13 kW. Der Grund: sie sind dort -132°C kalt.

Auf der anderen Seite gibt es Untersuchungen das man mit der Kombination von ultradünnen Arrays und Solarkonzentratoren 300 W/kg in nächster Zeit, 500 W/kg in einigen Jahren erreichen könnte. Der Satellit Millennium ST-6 sollet das erproben wurde aber leider gestrichen, so bleibt es bei dem Projekt. Mit 500 W/kg würde man bei Saturn auch mit Solar Arrays auskommen. Da dort kein Strahlungsgürtel vorhanden ist, ist die Abnahme geringer und durch die Konzentratoren wäre die Temperatur höher. Man müsste eben nur die Technologie entwickeln, vielleicht ist da das Geld besser investiert als in RTG.

Als Nebeneffekt gewinnt man mehr Möglichkeiten bei der Mission. Schon die 18 kW Leistung bei Juno hätten ausgereicht, um die beim Erdvorbeiflug gewonnenen 3,2 km/s in weniger als einem Jahr mit einem Ionentriebwerk zu gewinnen. Man hätte also die Mission um ein Jahr verkürzt. Das Mehrgewicht ist etwas geringer als der Treibstoff den Juno für zwei Deep Space Manöver braucht. Bei Missionen zu Saturn ist die Anfangsleistung noch höher.

Trotzdem wird man nicht auf Plutonium verzichten, denn von den 405 Watt die Juno mindestens braucht, entfallen 155 W auf die Heizung der Sonde. Dafür gibt es aber eine andere Lösung: kleine Pellets aus Pu-238 in einem Mantel die nur Wärme abgeben. Dafür braucht man relativ wenig Plutonium, weil ein Kilogramm fast 600 Watt an Wärme abgibt. Das bedeutet für die 150 Watt Wärmeleistung braucht man weniger als 200 g Plutonium. Dagegen wären es 3,8 kg gewesen wenn man die Wärme erst in Strom umwandelt. Zudem eignen sich dafür auch andere Radioisotope mit Halbwertszeiten im Bereich von einigen Jahrzehnten bis wenigen Jahrhunderten. Das Problem ist nur, dass ie meisten keine Alphastrahler sind und daher stark abgeschirmt werden müssen. Lediglich Am-241 scheint eine Alternative zu sein. Allerdings ist seine spezifische Leistung fünfmal kleiner als bei Pu-238. Es ist allerdings deutlich billiger und kostet nur 1500 $/g.

Zumindest für die Heizung würde ich also Radioisotope einsetzen. Eine Technologie die auch den Einsatz als Stromquelle wieder attraktiv machen könnte wäre ein effizienter Stromwandler. die RTG sind in ihrer Technologie seit den siebziger Jahren verbessert worden, aber nicht grundlegend verändert. Sie nutzen den thermoelektrischen Effekt aus und wandeln weniger als 7% der Wärme in Strom um. Seit Jahren erprobt die NASA Stirling Motoren. Zum Einsatz kam es nicht obwohl jahrelange Operation demonstriert wurde. Das Problem scheinen die beweglichen Teile zu sein. Man versucht diese wo es nur geht zu vermeiden, Der Vorteil ist das ein Stirling Motor erheblich effizienter ist. Er spart kein Gewicht ein aber er benötigt 3,5-mal weniger spaltbares Material, was in einer entsprechenden Kostenersparnis niederschlagen sollte. Nimmt man die Kosten für die Wiederaufnahme der Produktion und teilt man dies durch den erwarteten Ertrag, dann kommt man auf 10 Millionen Dollar pro Kilogramm. Ein SRTG würde daher ohne den Sterling Motor rund 187.000 Dollar pro Watt Leistung sparen. Das sind bei den 250 Watt die Juno braucht rund 47 Millionen Dollar.

Zumindest jenseits von Jupiter ist man heute noch auf Radioisotope angewiesen, die Grenze mag sich herausschieben, aber zu Uranus, Neptun oder den Kuiper Gürtel Objekten wird man immer RTG brauchen. Daher ist es das sinnvollste, in beide Technologien zu investieren: effizientere Umwandlung der Wärme in Strom bei Radioisotopen und effizientere Solarzellen.

2 thoughts on “Wie weit kommt man mit Solarzellen im Sonnensystem?

  1. Sollte der Wirkungsgrad mit sinkender Temperatur nicht steigen?
    Solarzellen erbringen ja bei höherer Temperatur eine geringere Leistung…

    Die tiefe Temperatur sollte eher ein Vorteil sein.
    Allerdings ist die Bestrahlungsstärke sehr niedrig (ca. 50W/m^2) und dies senkt den Wirkungsgrad einer Solarzelle
    http://www.pv-magazine.de/typo3temp/pics/7cda08754e.jpg

    Konzentratorsolarzellen wären also auch in dieser Hinsicht absolut wünschenswert.

  2. Konzentratorzellen sind künftig sicher die beste Stromversorgung für Sonden zu Jupiter und Saturn. Insbesondere bei Jupiter hat die Verwendung von Konzentratoren den Vorteil, dass die eigentlichen Solarzellen selber deutlich kleiner werden und man diese folglich mit überschaubarem Mehrgewicht zumindest etwas gegen die Strahlung härten kann.

    Nachteil von Konzentratoren ist die Verkomplizierung der Missionsplanung. Man muss die Arrays genau auf die Sonne ausrichten, sonst produzieren die Zellen keinen Strom. Um nach Software-Abstürzen des Steuercomputers und für Flugphasen im Schatten genügend Reserven zu haben, sind entsprechend ausreichend große Batterien nötig.

    Für die Einhaltung der korrekten Betriebstemperaturen im Sondeninneren ist die Heizung per Zerfallswärme sicher die einfachste Lösung. Nachteile sind auch hier die radiologischen Gefahren und dass sich die Heizung nicht abschalten lässt, was die thermischen Probleme während der Missionsphasen in Sonnennähe u.U. erhöht.

    Für Missionen jenseits des Saturn stellt sich hingegen die Frage, ob nicht ein Reaktor die viel bessere Lösung ist als RTGs. Vor der Inbetriebnahme ist nämlich die Radioaktivität des Reaktors um ca. 10 Größenordnung geringer als die eines RTGs. Und selbst im Falle eines unerwünschten Wiedereintritts nach Inbetriebnahme ist die vom Reaktor in der Biosphäre verteilte Äquivalenzdosis kurzfristig (Tage nach dem Wiedereintritt) um 3 Größenordnung geringer als die eines gleich leistungsfähigen RTGs, und mittelfristig (Jahre bis Jahrzehnte nach dem Wiedereintritt) sogar um 5 Größenordnungen geringer.

    Man hat auch beim Reaktor keine Probleme mit der Kühlung innerhalb der Nutzlastverkleidung – letztere führte bei Cassini sogar zu Schäden am Satelliten. Hauptproblem des Reaktors ist natürlich, dass sein Strahlungsspektrum im Betrieb um ein Vielfaches aggressiver ist als das von RTG, und Reaktoren entsprechend nur schwer vom Satelliten abgeschirmt werden können.

    Kai

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