Wenn heute radioaktives Material bei Raumfahrzeugen (sowohl bemannt wie unbemannt) eingesetzt wird, dann meist in RTG, dabei wird die beim Zerfall freiwerdende Wärme in Strom umgewandelt, meist über die Eigenschaft bestimmter Metalle bei einem Temperaturgradienten Strom abzugeben. (thermoelektrischer Effekt, steckt auch im Kürzel RTG). Eingesetzt wird fast ausschließlich Plutonium-238 ein relativ seltenes Isotop, das aufwendig zu produzieren ist und in normalen Kernreaktoren kaum anfällt, bzw. wieder zerstört wird.<\/p>\n
Kernreaktoren wurden bisher kaum eingesetzt. Die USA hatten einen Test mit SERT Mitte der Sechziger, Russland hat für eine bestimmte Satellitenklasse, die einen hohen Strombedarf hatten, kleine Kernreaktoren gebaut. Dies aber auch vor zwanzig Jahren eingestellt.<\/p>\n
Ich will heute mal die Einsatzmöglichkeiten diskutieren.<\/p>\n
Vom Aufbau her unterscheidet sich ein kleiner Kernreaktor \u2013 er kann ja nicht so groß sein, wie einer in einem Kraftwerk, nicht so stark von dem eines Kernkraftwerks. Hier wie da haben wir Brennstäbe aus angereichtem Uran, Moderationsstäbe aus Substanzen die Neutronen verlangsamen, damit sie möglichst viele Kernreaktionen durchführen und nicht entweichen und Kontrollstäbe die dafür sorgen, dass die Reaktion konstant bleibt. Nur ist das Uran in kleinen Kernreaktoren stärker angereichert, damit die Neutronen auch noch genügend Uranatome treffen, um die Kettenreaktion am Laufen zu halten. Der Unterschied beginnt im Kühlkreislauf. Der US-Reaktor bei SERT hatte kein aktives Kühlsystem, er nutzte wie RTG den thermoelektrischen Effekt und produzierte so aus 45 kW Wärmeabgabe lediglich 650 Watt elektrische Leistung. RTG erreichen heute etwas höhere Wirkungsgrade von 5 bis 6 %, aber das hängt auch von der Temperaturdifferenz ab. Der Reaktor war bei SERT nur 585 \u00b0C heiß. Die folgenden US-Entwicklungen, die es seitdem gab, setzen auf Heatpipes, die die Wärme nach außen abführen. In diesen verdampft Natriumdampf am Reaktor und kondensiert in der Kälte wieder, der Dampf kann dann eine Turbine antreiben, die Strom erzeugt. Derartige Reaktoren haben einen höheren Wirkungsgrad der bei Leistungen von 100 kW und mehr 25 Prozent erreicht.<\/p>\n
Die russischen Reaktoren setzten in der ersten Generation auf Cäsiumdampf, die Zweite auf eine Natrium-Kaliumlegierung. Sie wird als Kühlmittel wie bei einem \u201enormalen\u201c Kernreaktor eingesetzt also ohne Heatpipes. Der Wirkungsgrad war auch eher gering: von 150 kW thermischer Leistung blieben bei Topaz-2 noch 6 kW elektrische Leistung übrig.<\/p>\n
Solange der Wirkungsgrad so gering ist, wie bei RTG gibt es nur wenige Gründe einen Kernreaktor anstatt RTG einzusetzen. Einer kann die Kostenfrage sein. Auch wenn die Kernreaktoren hochangereichertes Uran einsetzen, damit sie möglichst kompakt sind, sind die Kosten dafür doch deutlich niedriger als für Plutonium-238, dessen Kosten bei rund 10 Millionen Dollar pro Kilogramm liegen. Zudem sind sie sicherer \u2013 Plutonium 238 hat eine Halbwertszeit von 87 Jahren und strahlt entsprechend stark. Selbst wenn die Reaktoren aus reinem Uran-235 beständen so hat dieses doch eine Halbwertszeit von 700 Millionen Jahren und entsprechend strahlt es weniger stark. Richtig radioaktiv werden die Reaktoren erst, wenn die Kontrollstäbe zurückgefahren werden und die Kettenreaktion ermöglicht wird, dann entstehen die Transurane wie Neptunium, Plutonium und die kurzlebigen Spaltprodukte wie Isotope des Cäsiums, Strontiums und Iod. Das ist aber erst der Fall, wenn sie einen stabilen Orbit erreicht haben. Es gab den Vorfall mit Kosmos 954, einem Satelliten mit einem Kernreaktor. Diese Satelliten waren in niedrigen Umlaufbahnen und wurden zu Missionsende dann in eine höhere Umlaufbahn gebracht, doch bei Kosmos 954 verlor man vorher den Kontakt, sodass er in der Atmosphäre auseinanderbrach und in Kanada niederging. Später bekamen russische Satelliten ein System, das sie automatisch in eine höhere Umlaufbahn bringen sollte, doch auch das scheint mindestens einmal versagt zu haben.<\/p>\n
Auf der anderen Site hat man bei RTG noch nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft, so hat die NASA die Forschung an RTG die einen Sterling-Motor nutzen eingestellt, dieser hätte den Wirkungsgrad um den Faktor 3-4 erhöht, allerdings und das war sein Manko, hat er bewegliche Teile, die ausfallen können.<\/p>\n
Bei Reaktoren ist es so, dass je größer sie sind, desto effizienter werden sie, wenn man die Leistung auf das Gewicht bezieht. Die UDA haben zuletzt zwei Studien gemacht. Das eine war SAFE, ein Reaktor der 400 kW thermische Leistung hatte und der Kilopower Reaktor mit 10 kW Leistung. Nicht nur der Wirkungsgrad war unterschiedlich (25 und 10 %) sondern der kleine Reaktor (allerdings mit Stirling-Technologie und Radiatoren da für eine bemannte Marsmission vorgesehen) wiegt mit 750 kg mehr als SAFE mit 512 kg.<\/p>\n
Für praktische Einsatzgebiete ist ein wichtiger Wert die Leistung pro Masse. Weniger bei normalen Satelliten, als vielmehr bei Raumsonden, die auf eine viel höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden und die daher leichter sind, als auch für Ionenantriebe, hier in Konkurrenz zu Solarzellen. Für bemannte Missionen ist die Abwärme ein Vorteil, allerdings wird sie bei den derzeitigen Konzepten für die Marsmissionen nicht genutzt. Vor allem aber ist die Leistung konstant, anders als bei Solarzellen die bei steigender Entfernung von der Sonne an Leistung verlieren. Hier einige Werte für die elektrische Leistung pro Masse bei etablierten Systemen:<\/p>\n
| Stromversorgung<\/th>\n | Leistung bei 1 AE Sonnendistanz<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n |
|---|---|
| RTG (HPHS)<\/td>\n | 5,6 W\/kg<\/td>\n<\/tr>\n |
| Konventionelle Solargeneratoren<\/td>\n | 85 W\/kg<\/td>\n<\/tr>\n |
| Flexible Solargeneratoren<\/td>\n | 120 bis 170 W\/kg (je nach Größe)<\/td>\n<\/tr>\n |
| Solargeneratoren mit Solarkonzentratoren<\/td>\n | 170 bis 300 W\/kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n Klar ist, dass kleine Kernreaktoren mit ihren schlechten Werten in Erdnähe und auch noch beim Mars deutlich schlechter als selbst konventionelle Solarzellen liegen. Ein Reaktor also bei gleicher Leistung mehr wiegt. Der SAFE Reaktor liegt deutlich höher in der Region von flexiblen Solarzellen und ist daher ihnen, selbst im Erdorbit überlegen \u2013 von dem fehlenden Problem sehr große Solarzellen zu entfalten mal ganz abzusehen. Auf der anderen Seite liefern die kleinen Reaktoren für den Betrieb der Raumsonden zu viel Leistung, für einen Ionenantrieb aber zu wenig \u2013 Dawn, um eine Diskussionsgrundlage zu haben, hatte 11 kW Leistung bei etwas über 1 t Gewicht. Für eine Raumsonde ist SAFE aber schon überdimensioniert, immerhin kann man die hohe Leistung aber nutzen, um mit dem Ionenantrieb gleich aus einem Erdorbit zu starten, das addiert bei dieser Leistung kaum Extrazeit, erhöht die Nutzlast aber deutlich. Umgekehrt ist SAFE für den Antrieb einer bemannte Marsmission schon wieder zu klein, denn dann reden wir nicht über 1 oder 2 t Masse, sondern 30 bis 50 t. Ich sehe für Reaktoren der SAFE-Klasse (oder noch mehr Leistung) folgende Einsatzmöglichkeiten:<\/p>\n Unbemannter Transport von Ausrüstung einer Marsexpedition<\/h3>\nAnders als bei Apollo wird eine Marsmission aus verschiedenen Teilen bestehen, die getrennt gestartet werden . Nur beim bemannten Teil kommt es darauf an, die Reisezeit zu minimieren, die unbemannten Teile könnte man auch Monate oder sogar ein oder zwei Startfenster vorher auf den Weg bringen, man sollte das sogar tun und erst die Besatzung losschicken, wenn alles andere bereit ist. Folgende Elemente könnte man problemlos unbemannt starten:<\/p>\n
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