Alternativen für RTG

Mit Pu-238 werden die RTG angetrieben, die Raumsonden ins äußere Sonnensystem einsetzen, es kam aber auch in Erdnähe zum Einsatz, so bei den ALSEP-Messstationen die auf dem Mond hinterlassen wurden und als letztem Start an Bord von Curiosity auf dem Mars.

Die NASA hatte schon 1988 die Produktion von Pu-238 eingestellt. Danach erwarb sie das Material von Russland und dies funktionierte bis 2003. Seitdem hat man die Reserven verbraucht. Von ursprünglich 30 kg sollen noch 11 bis 16 kg verfügbar sein, je nach Quelle. Seit Russland die Lieferung einstellte, wird über eine Neuaufnahme der Produktion diskutiert, doch lange kam es nicht dazu, weil die Kosten von 10 bis 15 Millionen Dollar pro Kilogramm sehr hoch sind. Erst im Juli 2013 kam es nun dazu, in einem Programm das bis um Ende des Jahrzehnts läuft sollen so etwa 10 kg produziert werden, nur 1-1,5 kg pro Jahr.

Ich habe in einem Blog schon mal die Alternativen vorgestellt. Im Prinzip kann man jedes Element als Wärmequelle für einen RTG nehmen, das eine Halbwertszeit von einigen Jahrzehnten bis wenigen Jahrhunderten hat. Es gibt da eine Reihe von Faktoren wie z.B. die kosten, die von der Menge aber auch Gewinnung abhängen. Ein Element das sich chemisch leicht abtrennen lässt ist so besser geeignet als eines bei dem dies nicht der Fall ist. Beim Plutonium nimmt man z.B. nicht den Weg, dass man es direkt aus den Kernbrennstäben extrahiert, sondern es aus dem Element Neptunium durch Neutronenbestrahlung gewinnt, weil die Trennung nur nach Molekularmasse sehr teuer ist.

Ein weiterer Punkt der bisher zum „Aus“ von Zahlreichen Alternativen, vor allem Spaltprodukten wie Casium-137 oder Strontium-90 führte war der Fakt. dass nur die Transurane reine Alphastrahler sind. Diese Strahlung aus Heliumkernen ist sehr massereich und kann sehr gut abgeschirmt werden. Spaltprodukte setzen Gammastrahlen und Betastrahlen frei die durchdringender sind, und schon wegen der Gefahr für Menschen vor dem Start abgeschirmt werden müssen, was nur durch dicke Schutzhüllen geht die das Gewicht eines RTG nach oben treiben, und damit die eh schon geringe Leistung von etwa 5 Watt/Kilogramm Masse weiter reduzieren.

Einzig Americum-241 wird in Europa als Alternative angesehen. Dahinter stehen aber weniger technische als vielmehr politische Gründe. Plutonium-238 wird aus Neptunium-237 erzeugt das aufgearbeitet und in Form von reinem Neptunium-Brennstäben Neutronenbestrahlung in Reaktoren ausgesetzt wird. Dafür eignen sich nicht alle Reaktoren, primär solche die sich auch gut für die Produktion von waffenfähigem Plutonium eignen. Americium 241 das in etwa gleicher Menge entsteht kann man dagegen aus den abgebrannten Kernelementen bei einer Wiederaufbereitungsanlage extrahieren. Durch die lange Halbwertszeit erzeugt es aber weniger Energie pro Kilogramm und da die Wärmestrahlung geringer ist wird auch der Wirkungsgrad der Thermoelemente absinken.

So bleibt heute nur eine bessere Stromausbeute. Die RTG beruhen auf dem Thermoelektrischen Effekt. Gibt es bei einem Metall eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Seiten eines Metallstreifens, so fließt ein Strom. Der Wirkungsgrad ist aber gering. Die seit 1989 eingesetzten GPHS Module, die auch im letzten RTG, dem MMRTG von Curiosity eingesetzt werden, haben eine thermische Leistung von 4400 Watt die elektrisch nutzbare Leistung beträgt nur 28 Watt bei einem GPHS mit 72 Modulen. Das ist ein Wirkungsgrad von 6,5%

Wir können also davon ausgehen, dass in allen Fällen wo man RTG nicht durch Solarzellen ersetzen kann (die Grenze rückt ja laufend im Sonnensystem nach außen) Plutonium als Material genutzt werden kann. Angesichts von Produktionskosten von 10 Millionen Dollar pro Kilogramm oder 27 Millionen Dollar für den RTG von Curiosity mit 125 Watt Anfangsleistung, wäre eine sparsamer Umgangmit dem Material wünschenswert.

Dies erreicht man primär durch einen höheren Wirkungsgrad. Er beträgt derzeit 6,5%. In einem Kraftwerk je nach Technologie dagegen zwischen 30 und 60%. Atomkraftwerke liegen da am unteren Ende, Gaskraftwerke am oberen. Das Material ist an der Oberfläche 1267°C heiß, das erlaubt es schon eine effizientere Technologie einzusetzen die auf einem Wärmekreislauf beruht. In den Neunzigern erforschte die NASA AMTEC (Alkalimetall Thermoelektrischer Converter), die darauf basiert, das gasförmiges Natrium an einer Anode oxydiert wird. Die Elektronen werden als Strom genutzt und die Ionen wandern durch einen Elektrolyten. Sie vereinigen sich wieder und bilden Natriumdampf in einem kühlen Reservoir unter niedrigem Druck. In der Summe ist es ein thermodynamischer Kreislauf bei dem die beim Verdampfen aufgenommene Energie zum Teil als Strom genutzt wird.

Wichtig bei AMTEC waren, dass es keine beweglichen Teile gab, der Strom kam alleine durch die Temperaturdifferenz zustande und die Elektrolyte basierten auf denen der Natriumschwefelbatterie. Der Wirkungsgrad erreichte im Labor 15 bis 16%. Ein RTG basierend auf AMTEC wäre etwas leichter als ein GPHS-RTG (25 zu 31,2 kg für eine Anfangsleistung von 139 Watt). wichtiger wäre der höhere Wirkungsgrad von 14,5%. Weiterentwickelt waren sogar 16,7% bei einer deutlichen Reduktion der Startmasse auf 13,6 kg möglich. 2001 schätzte die NASA noch dass man AMTEC in sechs Jahren bis zu einem Technologie Readiness Level von 5, der Voraussetzung für den Einsatz auf einer Prototypmission, bringen könnte. (Die GPHS haben ein TRL von 8). AMTEC waren im Gespräch für zwei Sonden: Solar Probe und einer zu Pluto. Beide wurden jedoch von der Regierung unter Bush eingestellt. Damit endete auch die Entwicklung von AMTEC

Die zweite Technologie, die anders als AMTEC. in den letzten Jahren experimentell auf niedrigem Niveau weiterentwickelt wurde, waren die Stirling Motoren (SRG) und die daraus weiterentwickelte Advanced Sterling RTG (ASRG). Anders als bei den AMTEC handelt es sich um eine alte Technologie, der Stirling Motor beruht daraus, dass in einem abgeschlossenen Raum ein Arbeitsgas auf der einen Seite erhitzt wird und auf der anderen gekühlt. Ein Kolben wird durch die erwärmte Luft in den kalten Teil geschoben, verdichtet dort das Gas, das sich erwärmt während das Gas das ihn antreibt durch Expansion kühler wird. Schließlich kehrt sich so die Bewegung um. Der mechanisch bewegte Kolben kann dann über einen Dynamo Strom generieren. Obwohl diese Geräte sehr zuverlässig sind, störte die NASA sehr lange Zeit, dass mechanisch bewegte Teile involviert sind, die verschließen können. noch heute sind Ausfälle von mechanischen Teilen wie Drallrädern oder Gyros eine Hauptursache für die begrenzte Lebensdauer von Satelliten (bei Hubble hat man inzwischen alle Gyros mehr las einmal ausgewechselt). Im November hat man nachdem man nun die Produktion neuen Materials beschlossen wurde die Entwicklung nach 10 Jahren eingestellt. Die Begründung: Wir haben nun genug Material für neue RTG für alle geplanten Missionen (viele sind es ja nicht, nur zwei tauchen in den Langezeitplanung auf und keine davon ist beschlossen) und brauchen daher keine effizientere Technologie. ASRG hätte eine Effizient von 25% gehabt, also fast viermal weniger Plutonium benötigt als die GPHS. ASRG wären gleich schwer bis etwas leichter als RTG gewesen.

Die letzte waren „segmentierte“ Thermoelemente. Die Idee: Den Wirkungsgrad zu erhöhen, indem  man nicht ein Thermoelement nutzt sondern mehrere die aneinander haften. Jedes optimiert für einen anderen Temperaturbereich. Der Wirkungsgrad steigt so auf 13% und da es sich nur um dünne Metallstreifen handelt sinkt praktisch die Masse proportional zum Wirkungsgrad, so hätte ein so weiterentwickelter RTG nur noch 14 anstatt 31,2 kg gewogen. Die Herausforderung wäre es hier gewesen ein spezielles Element für die Hochtemperaturkonversion zu entwickeln.

Auch von dieser Technologie hat man später nichts gehört.

Ich halte die Entscheidung diese Technologien einzustellen, für sehr kurzfristig. Zum einen könnten sie die Thermogeneratoren langfristig ablösen, was weiter geht als der Horizont der ja nur auf die nächsten zwei Missionen beschränkt ist. Zum andern wird man für weitere Sonden ins äußere Sonnensystem eine effizientere Energieversorgung benötigen. Vorgeschlagen wurden ja schon Miniraumsonden von etwa 200 kg Masse, sie sollten einen Ionenantrieb einsetzen der von RTG gespeist wird. Bei den 750 Watt die dieser benötigt bräuchte man heute RTG die rund 250 Millionen Dollar kosten würden. Dafür könnten diese Sonden Umlaufbahnen um die äußeren Planeten erreichen. Auch für größere Raumsonden mit höherer Sendeleistung energiehungrigen Instrumenten (RADAR) wird man mehr Leistung benötigen. So wird aber es eine Henne-Ei Problem geben: Missionen ins äußere Sonnensystem sind teuer und selten. Sie sind auch teuer weil die RTG teuer sind. Sie sind selten, also entwickelt man die Technologie für die Stromversorgung nicht weiter.

Die größte Hoffnung muss man wohl heute eher darin setzen, dass Solarzellen die RTG  mehr und mehr ersetzen. Doch auch hier tritt die Entwicklung auf der Stelle. Anstatt faltbare Solararrays mit Solarkonzentratoren mit der Technologiesonde Millennium ST-8 zu erproben hat man diese Mission gestrichen. Dawn startete mit herkömmlichen Solarzellen mit einer Energiedichte von 60 Watt/kg, schon Dawn erreichte 80 Watt/kg und die Solararrays von ST-8 waren für 175 W/kg spezifiziert. Mittelfristig meinte man sogar 300 W/kg erreichen zu können. Damit wäre die Solararrays bis in 7,3 AE Entfernung besser als RTG – zumindest wenn man die Wärmeenergie nicht berücksichtigt. Die wird als Abfallprodukt zur Heizung genutzt. Doch dafür kann man auch kleine Menge als Plutonium (oder Americium) nehmen dass nur Wärme abgibt. Da hier der Wirkungsgrad 100 und nicht 6,5% beträgt braucht man von wenig, für die Heizung von Juno würden schon 35 g ausreichen.

Links:

http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/11962/1/02-0699.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Alkali-metal_thermal_to_electric_converter
https://tec.grc.nasa.gov/files/RPS-ASRG-Handout.pdf

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