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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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:<\/p>\n
| Element<\/th>\n | Halbwertszeit<\/th>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Plutonium 238<\/td>\n | 87,4 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Cäsium 137<\/td>\n | 30 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Strontium-90<\/td>\n | 28 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Curium 244<\/td>\n | 18,1 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kobalt 60<\/td>\n | 5,24 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prometium 147<\/td>\n | 2,6 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ruthenium<\/td>\n | 1 Jahr<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Cer 144<\/td>\n | 0,78 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Curium 242<\/td>\n | 0,45 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Polonium 210<\/td>\n | 0,38 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Thullium 170<\/td>\n | 0,35 Jahre<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n 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.<\/p>\n 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.<\/p>\n 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:<\/p>\n
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