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\nDa dachte ich mir: das ist doch ein schönes Thema für den Blog. Zuerst einmal, was ist Tritium? Es gibt drei Wasserstoffisotope und nur bei Wasserstoff haben sie eigene Namen: also Wasserstoff oder Hydrogen, Deuterium und eben Tritium. Deuterium hat ein Neutron und ist nicht radioaktiv, Tritium hat zwei Neutronen und ist radioaktiv. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren. Das heißt jedes Tritium-Atom das jemals durch nukleare Prozesse erzeugt wurde ist heute längst zerfallen. Deuterium entstand dagegen beim Urknall, wird aber in Sternen zerstört, weil es viel schneller als der Wasserstoff reagiert. Deuterium nutzt man weil seine Konzentration im solaren Urnebel bekannt ist, zum Quantifizieren der Veränderungen von Atmosphären, da es doppelt so schwer wie der Wasserstoff ist und so das Verhältnis Wasserstoff zu Deuterium es erlaubt abzuschätzen wie viel Wasserstoff ein Planet verloren hat. Jegliches Tritium das es heute gibt wurde vom Menschen oder der kosmischen Strahlung erzeugt: entweder bei Nuklearexplosionen \u2013 man kann damit, weil es wie Wasserstoff flüchtig ist, Kernwaffentests nachweisen oder in viel größerem Maßstab entsteht es in Kernreaktoren, je nach Typ in kleiner bis größerer Menge. Einige Kilogramm in der Erdatmosphäre wurden durch die kosmische Strahlung erzeugt.<\/p>\n
Die Batterie nutzt nun den radioaktiven Zerfall von Tritium aus. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahre. Was es von anderen radioaktiven Zerfällen unterscheidet, ist das keine durchdringende Strahlung frei wird. Der Zerfall hat eine Gesamtenergie von 18,6 keV wobei 5,8 keV in einem Elektron (Betastrahlung) landet. Nur dieser Teil ist nutzbar. Der Rest steckt in einem Antineutrino, dass wie normale Neutrinos kaum mit Materie wechselwirkt. Das ist wenig für einen radioaktiven Zerfall, beim Zerfall von Plutonium-238 (im folgenden als Pu-238 abgekürzt) sind es 5,6 MeV. Euch wird die Einheit \u201eeV\u201c für Elektronenvolt nichts sagen. In der Physik wird sie bei Kernreaktionen sehr häufig genutzt. 1 eV oder Elektronvolt ist die Energie die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Spannungsdifferenz von 1 Volt durchläuft. Elektronen die bei chemischen Reaktionen teilnehmen haben Energien von einigen Elektronenvolt, ebenso Photonen des sichtbaren Lichts. Bei Kiloelektronenvolt (keV) reden wir bei Photonen von Röntgenstrahlen. Für kernphysikalische Prozesse ist die Energie von 15,8 keV aber gering und das Elektron wird schon durch Materie mit einer Dicke von unter 1 mm gestoppt. Das nutzt man aus, die so bei Halbleitern übertragene Energie wird in dieser \u201eBatterie\u201c als Strom genutzt. Batterie ist schon deswegen falsch gewählt, weil dieses Element dauernd Energie liefert, egal ob man sie nutzt oder nicht und die Energie nimmt eben ab weil durch den Zerfall es immer weniger Zerfälle sind und immer mehr Tritiumatome zu Helium-3 zerfallen sind.<\/p>\n
Ideal wäre als Batteriematerial Lithiumhydrid oder Berylliumhydrid, weil das Metallion ja keine Energie liefert und nur die Batterie schwerer macht. Genutzt wird meist Titanhydrid<\/a> (TiH2<\/sub>) mit einer Atommasse von 50 beim Wasserstoff und maximal zwei Tritiumatomen (Atommasse 52 oder 54). Ich fand jetzt keinerlei Daten, wie viel eine Batterie wiegt und wie viel Leistung sie insgesamt abgibt. Daher mache ich einfach mal einen Vergleich mit Radioisotopengeneratoren<\/a> die ja seit Jahrzehnten im Einsatz sind. Im Prinzip nutzt man bei beiden die beim radioaktiven Zerfall freiwerdende Energie. Einne Unterschied gibt es bei der Methode. RTG nutzen den Thermoelektrischen Effekt, weil sich das Plutonium durch den Zerfall enorm stark aufheizt. Der Wirkungsgrad ist gering und liegt bei nur 5-6 % der Wärmeenergie. Das man die Wärme nutzen kann um einen thermodynamischen Kreislauf zu betrieben, weiß man, hat aber beim Stirling-Motor bisher nur Laborversuche durchgeführt. Die Befürchtung: da dieser mechanisch bewegte Teile enthält könnte er irgendwann komplett ausfallen. Mit dem Stirling-Motor würde man einen Wirkungsgrad von 25 % erreichen. Tritiumbatterien die es heute gibt<\/a> haben nur geringe Wirkungsgrade von 1-2 %. Das theoretische Limit<\/a> soll bei 12 bis 14 % liegen. Immerhin ist der Zwischenschritt Wärmeenergie\u2192 elektrische Energie bei ihnen nicht nötig.<\/p>\n Ich rechne zuerst mal die Energie pro Kilogramm reine Substanz. Das ist in beiden Fällen theoretisch. Pu-238 RTG beinhalten immer auch kleine Mengen von anderen Plutoniumisotopen und die kommerziell verfügbaren Batterien, die übrigens nicht wie eine Batterie sondern ein Halbleiter aus den Siebzigern (Käfer mit Beinen) aussehen, haben einen Tritiumanteil von 25 % am gesamten gebunden Wasserstoff.<\/p>\n Zuerst einmal müssen wir die Zerfallsenergie von Elektronenvolt in Joule umrechnen:<\/p>\n 1 eV = 1,602 x 10-19<\/sup> J<\/p>\n Beim Zerfall von Tritium sind es 5,8 keV, beim Zerfall von Pu-238 5,572 MeV. Das sind 9,3 x 10-16<\/sup> J für Tritium und 8,9×10-13<\/sup> J für den Zerfall von Pu-238<\/p>\n Um auf den Gesamtenergiegehalt pro Kilogramm Masse zu kommen, berechnet man zuerst die Energie pro Mol und dann die Zahl der Mole pro Kilogramm. Ein Mol sind nach Definition 6,02 x 1023<\/sup> Teilchen, das sind dann 5,6 x 1011<\/sup> Joule für Tritium und 5,3 x 1013<\/sup> J pro Mol für Pu-238.<\/p>\n Nun kommt noch die Molmasse ins Spiel und bei Tritium das Titandihydrid als gängigstes Metallhydid pro Molekül zwei gebundene Wasserstoffatome hat. Plutonium wird in den RTG als Plutoniumdioxid (PuO2<\/sub>) genutzt mit Atommasse 270, Titandihydid hat eine Atommasse von 54. 1 Mol ist so definiert, das eine atomare Masseneinheit genau 1 g wiegt. 1 Kg Plutoniumdioxid hat so 3,7 Mole und 1 kg Titandihydrid (mit zwei Tritiumatomen) 18,5 Mole. Multiplizieren wir das mit der Energie pro Mol, so erhalten wie die Gesamtenergie pro Kilogramm: 2,07 x 1013<\/sup> J bei Tritium und 1,96 x 1014<\/sup> J für Plutoniumdioxid. Also trotz der tausendmal höheren Zerfallsenergie sind die beiden Substanzen bei der Energie pro Kilogramm nicht mehr so weit auseinander weil die Molmasse von TiH2<\/sub> kleiner ist und zwei Atome hier zerfallen können. Doch Pu-238 ist immer noch 9,7 mal Energiereicher als Tritium. Ein frischer RTG hat eine Oberflächentemperatur von 1.290 K, also über 900 Grad Celsius.<\/p>\n Dann kommt aber die Halbwertszeit ins Spiel. Tritium hat eine von 12,32 Jahren, Pu-238 eine von 87,7 Jahren. Während der 12 Jahre, in denen die Hälfte der Tritiumatome zerfallen nimmt bei Pu-238 die Zerfallsenergie kaum ab. Voyager 1+2 sind jetzt fast 50 Jahre im All und haben noch die Hälfte der Leistung beim Start. Nach 12 Jahren (bei Neptun) waren es noch 370 von Anfangs 480 Watt also 77,8 %. Die Leistung fällt durch den absinkenden Wirkungsgrad bei geringerer Temperaturdifferenz und Alterseffekte stärker ab, als die Zerfallsrate.<\/p>\n Theoretisch müsste ein RTG nach einer Halbwertszeit von Tritium noch 90,7 % der Leistung haben, während sie bei Tritium auf 50 % gesunken ist. Das ist aber theoretisch, denn die volle Energie wird man bei einem RTG nie ausnützen können, nicht mal die während einer Halbwertszeit. In der Praxis würde bei den meisten Missionen eine Stromversorgung über 12 Jahre selbst wenn dann die Leistung auf 50 % fällt, genügen. Eine Ausnahme mögen Missionen mit extrem langen Reisezeiten wie zu Uranus und Neptun sein. Notfalls startet man mit einer höheren Leistung als benötigt. Nach 12,32 Jahren hat man so 50 % der Energie bei Tritium genutzt, aber nur 9,3 % der Energie des Plutoniums. Pro Kilogramm Masse. Damit ist Pu-238 wenn wir die Energie über diese Zeit summieren, nur noch um den Faktor 1,9 besser als Tritium.<\/p>\n Diese Betrachtung ist aber nur die der theoretischen Ausbeute. Für den praktischen Einsatz spielen eben andere Faktoren die Rolle. Zum einen die Reinheit. Pu-238 macht 93,4 % des Plutoniums aus, aber bei kommerziellen Tritiumbatterien macht das Tritium nur 25 % des gebundenen Wasserstoffs aus. Daneben muss die Zerfallsenergie in nutzbare Energie umgewandelt werden. Die thermoelektrischen Elemente bei RTG wiegen recht wenig. Wie es bei Tritiumbatterien aussieht weiß ich nicht, selbst wenn, sind diese kleinen Zellen, die nur Ströme im Mikoamperebereich liefern sicher nicht repräsentativ für eine größere Batterie. Dazu kommt die Abschirmung die bei einem RTG den Großteil der Masse ausmacht, das Material soll bei einer Explosion durch einen Fehlstart oder sonst einen Unfall ja nicht freigesetzt werden. Hier könnten Tritiumbatterien punkten. Zum einen würden die Hydride mit dem allgegenwärtigen Wasser (auch in Gasform) reagieren und radioaktives Wasser bilden, das sich schnell verteilt, zum anderen gilt Tritium selbst beim Einatmen als ungefährlich weil die Strahlen so energiearm sind, dass sie von wenigen Mikrometern Materie geblockt werden. Es wäre also eigentlich gar keine Abschirmung nötig.<\/p>\n Bisher hat man aber nur Batterien mit extrem niedriger Leistung. Sie eignen sich um energiesparende Mikroprozessoren wie den ESP32 im Schlafmodus zu halten. Das zweite ist wie teuer das Tritium ist. Schätzungen liegen bei 24.000<\/a> bis 30.000 Euro pro Gramm<\/a>. Bei den RTG kostete zuletzt ein MMRTG der 4,8 kg Plutoniumdioxid enthält (4,2 kg reines Plutonium) 36 Millionen Dollar, also rund 9.000 Euro pro Gramm. Damit ist Tritium zumindest von den Kosten her keine Alternative zu Plutonium. Das gilt leider auch für andere Substanzen deren Betazerfall man nutzt wie Ni-63 oder Cs-137. Darüber hinaus erfordern sie auch eine stärkere Abschirmung, weil die Zerfallsenergie höher ist. Dieses Problem hat man auch bei Alternativen zu Pu-238. Dieses Isotop wurde gewählt, weil es ein reiner Betastrahler ist. Andere Isotope erfordern eine viel stärkere Abschirmung, was die Energieausbeute pro Kilogramm Startmasse stark absenkt. Am ehesten scheint sich noch Americium-241<\/a> zu eignen, zumindest wenn man auch die Abwärme nutzt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Als ich nach dem nächsten Starship-Start suchte \u2013 der letzte ist ja schon sieben Wochen her und nach Musk sollten sie ja einmal pro Monat starten fand ich das heutige Thema. Vor allem weil es der erste Start nach dem IPO ist, da ist interessant ob sie da genauso weitermachen wie bisher, was mit Sicherheit […]<\/p>\n","protected":false},"author":169,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[3],"tags":[],"class_list":["post-18752","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-raumfahrt","entry"],"a3_pvc":{"activated":false,"total_views":0,"today_views":0},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack-related-posts":[{"id":18673,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/05\/30\/wenn-ihr-geld-zum-verbrennen-habt\/","url_meta":{"origin":18752,"position":0},"title":"Wenn ihr Geld zum Verbrennen habt \u2026","author":"Bernd Leitenberger","date":"30. 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