{"id":8932,"date":"2013-11-16T00:53:13","date_gmt":"2013-11-15T23:53:13","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=8932"},"modified":"2013-11-16T09:22:07","modified_gmt":"2013-11-16T08:22:07","slug":"wie-weit-kommt-man-mit-solarzellen-im-sonnensystem","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/11\/16\/wie-weit-kommt-man-mit-solarzellen-im-sonnensystem\/","title":{"rendered":"Wie weit kommt man mit Solarzellen im Sonnensystem?"},"content":{"rendered":"

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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

Nun fliegt Juno mit Solarzellen. Die drei Arrays wiegen zusammen 340,2 kg. Sie liefern bei Jupiter etwas über 452 Watt Leistung. Ein GPHS <\/a>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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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<\/a> 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.<\/p>\n

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\u00b0C kalt.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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<\/a>.<\/p>\n

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<\/a>, 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.<\/p>\n

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.\"\"\/<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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. […]<\/p>\n","protected":false},"author":169,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","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":[1412,282,2122,349,1646],"class_list":["post-8932","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-raumfahrt","tag-juno","tag-jupiter","tag-plutonium","tag-rtg","tag-solarzellen","entry"],"a3_pvc":{"activated":false,"total_views":638,"today_views":0},"jetpack-related-posts":[{"id":18752,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/07\/10\/tritiumbatterien\/","url_meta":{"origin":8932,"position":0},"title":"„Tritiumbatterien“","author":"Bernd Leitenberger","date":"10.07.2026","format":false,"excerpt":"Als ich nach dem n\u00e4chsten 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\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg08.met.vgwort.de\/na\/6eacf18a864045b598040349a542f226","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18511,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/01\/27\/musks-ki-rechenzentren-im-orbit\/","url_meta":{"origin":8932,"position":1},"title":"Musks KI-Rechenzentren im Orbit","author":"Bernd Leitenberger","date":"27.01.2026","format":false,"excerpt":"Bei meinem regelm\u00e4\u00dfigen Besuch des Space Reviews stie\u00df ich auf diesen Artikel: SpaceX, orbital data centers, and the journey to Mars. Ich hatte in meiner Nachlese schon erw\u00e4hnt das Elon Musk, nachdem er dies lange verschoben hat nun plant SpaceX an die B\u00f6rse zu bringen. Ich meinte aber, das l\u00e4ge\u2026","rel":"","context":"In "SpaceX"","block_context":{"text":"SpaceX","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/spacex\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/0ee72da693054bc3b5c3f00214a7e2b3","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18524,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/02\/06\/elon-musks-ki-rechenzentren-im-orbit-nochmals-nachgerechnet\/","url_meta":{"origin":8932,"position":2},"title":"Elon Musks KI-Rechenzentren im Orbit – nochmals nachgerechnet","author":"Bernd Leitenberger","date":"06.02.2026","format":false,"excerpt":"Ich habe mich ja schon mal mit diesem Thema besch\u00e4ftigt, in dem es vor allem um die Kosten und den wirtschaftlichen Unsinn ging - warum sollte ich ein Rechenzentrum in den Orbit bringen, wenn ich es billiger auf der Erde bauen kann und es auch gen\u00fcgend Gegenden gibt in denen\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/78014052fde04012a2be60bd108cd4bb","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18759,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/07\/12\/shuttle-service-mit-ionentriebwerken-ein-rechenbeispiel\/","url_meta":{"origin":8932,"position":3},"title":"Shuttle-Service mit Ionentriebwerken \u2013 ein Rechenbeispiel","author":"Bernd Leitenberger","date":"12.07.2026","format":false,"excerpt":"Wer den Blog schon einige Jahre verfolgt, er ist nun ja auch schon 20 geworden, der wei\u00df, ich schw\u00e4rme f\u00fcr Ionentriebwerke. Ich mag einfach technisch \u00fcberzeugende L\u00f6sungen. Und da punkten Ionentriebwerke mit spezifischen Impulsen, die zehnmal h\u00f6her sind als bei chemischen Triebwerken. Wie bei allen anderen \u201ealternativen\u201c Antriebskonzepten wie nuklearen\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg08.met.vgwort.de\/na\/ebe2eec6979b4f928aca02f69c05d636","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18740,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/06\/29\/ein-jahr-mit-einer-batterie-fuers-balkonkraftwerk\/","url_meta":{"origin":8932,"position":4},"title":"Ein Jahr mit einer Batterie fürs Balkonkraftwerk","author":"Bernd Leitenberger","date":"29.06.2026","format":false,"excerpt":"Glaube ich meiner Computerzeitschrift ct\u2019 so lohnt sich eine Batterie f\u00fcr ein Balkonkraftwerk. So habe ich mir im M\u00e4rz 2025 eine Batterie zu meinem Balkonkraftwerk gekauft und m\u00f6chte an dieser Stelle \u00fcber die Erfahrungen berichten. Zuerst einmal: bei mir liegt ein Sonderfall vor. Ich habe schon seit 2019 eine PV-Anlage\u2026","rel":"","context":"In "Allgemein"","block_context":{"text":"Allgemein","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/allgemein\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg08.met.vgwort.de\/na\/9e35b16a69644754a9f037f44a3dd1e6","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18614,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/03\/29\/galileos-cds-teil-3\/","url_meta":{"origin":8932,"position":5},"title":"Galileos CDS – Teil 3","author":"Bernd Leitenberger","date":"29.03.2026","format":false,"excerpt":"So nun zum dritten Teil \u00fcber das prim\u00e4re Computersystem von Galileo, das CDS. Nachdem sich die ersten beiden Teile nur mit dem RCA 1802, warum er gew\u00e4hlt wurde und seiner Architektur befassten geht es heute um das Computersystem selbst. Der Artikel schlie\u00dft so an seine beiden Vorg\u00e4nger gestern und vorgestern\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg07.met.vgwort.de\/na\/6e7f572a246b4ac395de9c260733b707","width":350,"height":200},"classes":[]}],"jetpack_sharing_enabled":true,"amp_enabled":true,"jetpack_featured_media_url":"","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8932","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/169"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=8932"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8932\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=8932"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=8932"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=8932"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}