Radionuklidbatterie

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Radionuklidbatterie

Aktivitätsmessungen an dem für Cassini-Huygens bestimmten Radioisotopengenerator im Kennedy Space Center

Eine Radionuklidbatterie, auch Radioisotopengenerator, Isotopenbatterie, Atombatterie oder kurz RTG (für radioisotope thermoelectric generator), wandelt thermische Energie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklids in elektrische Energie um. Sie gewinnt ihre Energie aus radioaktivem Zerfall, somit nicht aus Kernspaltung mit Kettenreaktion, und ist daher von Kernreaktoren zu unterscheiden.

Radionuklidbatterien sind im Allgemeinen klein, kompakt und kommen ohne bewegliche Teile aus. Sie sind autonom, wartungsfrei und können über Jahre bis Jahrzehnte hinweg elektrische Energie liefern.

Medizinische Geräte, die nicht elektrische Energie liefern, sondern in denen für therapeutische Zwecke kurzlebige Radionuklide als Zerfallsprodukt eines langlebigen Mutternuklids erzeugt werden (z. B. Gallium-68-Generator), werden Radionuklidgenerator genannt.

Prinzip

Schnittbild durch ein RHU-Heizelement

Durch den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids entsteht Wärmeenergie. Diese Wärme kann entweder direkt zum Erwärmen verwendet (Radioisotope Heating Unit, RHU) oder mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Energie umgesetzt werden. Die verschiedenen verwendbaren Radionuklide sind unten aufgelistet, ebenso die Möglichkeiten, aus der Zerfallswärme elektrische Energie zu gewinnen.

Radionuklidheizelement

Der Einsatz als Heizelement geschieht heute an Bord von Raumsonden und Rovern, um die elektronischen Einrichtungen vor der Kälte im Sonnenschatten oder im äußeren Sonnensystem zu schützen. Sie kamen zum Beispiel an Bord des Lunochod (Polonium) und Cassini-Huygens (PuO2) zum Einsatz. Eine RHU, wie sie vom U.S. Department of Energy für amerikanische Raumfahrtmissionen bereitgestellt wird, enthält 2,7 g „Brennstoff“ (PuO2). Dieses Plutoniumdioxidpellet ist von einer Hülle aus einer Platin-Rhodiumlegierung umgeben, die sich in einer Isolierung aus Graphit und diese wiederum in einer Wärmedämmung aus demselben Material befindet. Die gesamte RHU ist eine 3,2 cm × 2,6 cm große Kapsel, die bei einer Gesamtmasse von ungefähr 40 g eine thermische Leistung von ca. 1 W liefert.[1] Ein Radionuklid-Heizelement ist also keine Radionuklidbatterie zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Radionuklidbatterie

Beim Einsatz zur Erzeugung von elektrischer Energie werden bis heute nur thermoelektrische Generatoren (siehe auch unten im Kapitel Wandler) eingesetzt. Sie arbeiten ohne bewegte Teile und sind daher verschleißfrei und gut für ihr Einsatzgebiet (sonnenferne, langlebige Raumsonden) geeignet. Der Wirkungsgrad beträgt nur 3 bis 8 Prozent. Die darin zur Energiewandlung eingesetzten Peltierelemente benötigen zur Stromerzeugung einen möglichst großen Temperaturunterschied. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große Fläche mit hohem Emissionsgrad Wärmeleistung in die Umgebung ab und wird so gekühlt.

Alternativen sind im Entwicklungsstadium. Die vielversprechendste davon ist der AMTEC-Generator (Alkalimetall-thermisch-elektrischer Wandler, siehe unten). Er sollte ursprünglich auf der New-Horizons-Raumsonde eingesetzt werden, aus finanziellen Gründen wurde aber ein thermoelektrischer Generator (Typ GPHS-RTG) gewählt.

Gegenüber Kernreaktoren besitzen Radionuklidbatterien auch ein schlechteres Masse-Leistungs-Verhältnis. Der Brennstoffverbrauch ist unabhängig davon, ob elektrische Leistung entnommen wird oder nicht. Bei Radioisotopen mit kurzer Halbwertszeit fällt die Energieabgabe schnell ab. Deshalb muss immer „zu viel“ Brennstoff mitgenommen werden, was höhere Kosten und eine schwerere Abschirmung erfordert.

Teilschnitt-Darstellung eines ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator)

Stirlinggenerator

Bei einem „Advanced Stirling Radioisotope Generator“ (ASRG) wird mit der Wärme des Radioisotops ein Stirlingmotor betrieben, der wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der Wirkungsgrad des Stirlingsmotors ist mit ca. 28 Prozent wesentlich größer als der von Thermoelementen, wodurch mit derselben Menge des Radionuklids wesentlich mehr elektrische Energie erzeugt werden kann.

Nachteil des ASRG ist die Verwendung von beweglichen Teilen, die zum Ausfall führen können.

Bisher ist noch kein ASRG im Einsatz.

Brennstoffe

Damit ein RTG während der Einsatzdauer nicht zu stark an Leistung einbüßt, sollte das verwendete Radionuklid eine Halbwertszeit besitzen, die um den Faktor 2 bis 5 größer als die maximale Betriebszeit ist, für übliche Missionen sind das einige Jahrzehnte. In der Raumfahrt muss das Radionuklid hinreichend viel Energie abgeben, um eine in Relation zu seiner Masse und seinem Volumen große Wärmeabgabe zu erreichen. Andererseits muss eine dünne Abschirmung genügen, damit der RTG nicht zu schwer wird. Deshalb sind Betastrahler wegen der Freisetzung von Bremsstrahlung, Gammastrahler und Nuklide mit hoher Spontanspaltungsrate wegen der Freisetzung von Gammastrahlen und Neutronen nicht gut geeignet.[2] Für eine hinreichend große spezifische Wärmeabgabe sollte die Halbwertszeit nicht unnötig lang sein. Sonst wäre zu viel des Radionuklids nötig, wodurch die RTGs für eine vertretbare Startmasse zu schwer würden,[3] denn jede Vergrößerung der Nutzlast führt zu einer niedrigeren Startgeschwindigkeit der Rakete.[4] Bei angedachten interstellaren Sonden würden Alphastrahler mit bis zu 10.000 Jahren Halbwertszeit verwendet.[5]

Das Radionuklid im RTG ist so angeordnet oder in so geringer Menge vorhanden, dass auch bei Isotopen von Transuranen die kritische Masse nicht erreicht wird. Eine Kernspaltungs-Kettenreaktion ist also ausgeschlossen.

Bei Anwendungen auf der Erde ist die Masse der Abschirmung und die Leistungsdichte oft weniger wichtig, dafür jedoch der Preis des Radionuklids. Deshalb werden auf der Erde auch Betastrahler in RTGs verwendet. Die Zerfallsprodukte (in der ganzen Zerfallsreihe) des gewählten Nuklids dürfen jedoch ebenfalls keine allzu durchdringende Strahlung abgeben. Einige Isotope aus dem atomaren Abfall von Kernkraftwerken können verwendet werden, wie zum Beispiel 90Sr, 137Cs, 144Ce, 106Ru oder 241Am. Zu deren Gewinnung ist allerdings eine Wiederaufarbeitungsanlage nötig. Andere Brennstoffe müssen erst aufwändig erbrütet werden, wozu teilweise sogar mehrere Durchgänge durch eine Wiederaufarbeitungsanlage nötig sind, zum Beispiel 210Po, 238Pu oder 244Cm. 244Cm kostet ungefähr 160.000 US$/g.

Im Folgenden eine Liste möglicher Radionuklide:

  • Cobalt 60Co wird durch Neutronenbeschuss von 59Co erzeugt und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren unter Betazerfall zunächst in einen angeregten Zustand von 60Ni* und anschließend unter Aussendung von energiereicher Gammastrahlung in den Grundzustand dieses Nuklids. 60Co wird unter anderem zur Sterilisierung oder Konservierung von Lebensmitteln, zur Materialuntersuchung (Durchstrahlungsprüfung) und in der Krebstherapie („Kobaltkanone“) verwendet. Bei der Verwendung in einer Radioisotopenbatterie wäre deshalb eine sehr dicke Abschirmung nötig.
  • Strontium 90Sr fällt als Abfallprodukt in Kernreaktoren an und ist ein Betastrahler mit 28,78 Jahren Halbwertszeit. Die Zerfallsenergie beträgt 0,546 MeV. Diese Betastrahlung setzt bei der Abbremsung in dem umgebenden Material Bremsstrahlung frei. Das Zerfallsprodukt Yttrium 90Y setzt mit 2,282 MeV noch härtere Betastrahlung frei, die zu noch stärkerer Bremsstrahlung führt. Deshalb benötigt 90Sr eine viel dickere Abschirmung als ein Alpha-Strahler.
Als Vorteil kann gelten, dass es nur über die erwähnte Zwischenstufe (90Y mit 64,10 Stunden Halbwertszeit) zu stabilem Zirkonium 90Zr zerfällt und die Strahlung des Brennstoffes eines RTG nach etwa 900 Jahren auf einen ungefährlichen Wert gesunken ist (anstatt in Hunderttausenden bis Millionen Jahren über eine lange Zerfallskette wie bei Transuranen).[6] 90Sr kann in großen Mengen bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden und wird in RTGs auf der Erde verwendet, wo die Masse der Abschirmung nicht so entscheidend ist wie in der Raumfahrt.
  • Ruthenium 106Ru fällt als Abfallprodukt in Kernreaktoren an und ist ein Betastrahler, der mit einer Halbwertszeit von einem 373,6 Tagen zu Rhodium 106Rh zerfällt, was zu einem schnellen Leistungsverlust der Isotopenbatterie führt. Es besitzt eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Schmelzpunkt von 2310 °C. Da die emittierte Betastrahlung wiederum Bremsstrahlung freisetzt, wird eine dicke Abschirmung benötigt. Das Zerfallsprodukt 106Rh ist ebenfalls ein Betastrahler und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 29,80 Sekunden unter Abgabe von harter Betastrahlung, die zu intensiver Bremsstrahlung führt, zu stabilem Palladium 106Pd.
  • Caesium 137Cs fällt als Abfallprodukt in Kernreaktoren an und hat 30,17 Jahre Halbwertszeit. Es benötigt eine aufwändigere Abschirmung für die Strahlung als ein Alpha-Strahler, da es Betastrahlung emittiert und das Zerfallsprodukt Barium 137mBa ein starker Gammastrahler ist. Als Vorteil kann gelten, dass es nur über die erwähnte Zwischenstufe (137mBa mit 2,55 Minuten Halbwertszeit) zu stabilem 137Ba zerfällt und nicht über eine lange Zerfallskette wie bei den Transuranen. 137Cs kann in großen Mengen bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden.
  • Cer 144Ce fällt ebenfalls als Abfallprodukt in Kernreaktoren an und besitzt eine gute Leistungsdichte. Jedoch ist die Halbwertszeit mit 284,9 Tagen für Anwendungen in der Regel zu kurz. Zudem ist es ein Betastrahler und setzt daher Bremsstrahlung frei. Das Zerfallsprodukt Praseodym 144Pr zerfällt mit 17,28 Minuten Halbwertszeit durch Betazerfall weiter zu Neodym 144Nd, wobei es noch härtere Bremsstrahlung freisetzt. Das 144Nd zerfällt durch Alphazerfall mit einer extrem langen Halbwertszeit von 2,29 Billiarden Jahren zum stabilen Cer 140Ce.
  • Promethium 147Pm ist ein Betastrahler und hat eine relativ kurze Halbwertszeit von 2,62 Jahren. Er wird unter anderem als anregender Betastrahler in Leuchtziffern von Uhren und in Kaltlichtquellen von Signalanlagen verwendet. Es fällt als Abfallprodukt in Kernreaktoren an und kann bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden. Promethium 147Pm zerfällt zu Samarium 147Sm, das wiederum durch Alphazerfall mit der sehr langen Halbwertszeit von 106 Milliarden Jahren zu stabilem Neodym 143Nd zerfällt.
  • Polonium 210Po wird durch Neutronenbeschuss von 209Bi erzeugt. Es besitzt mit 141 W/g die höchste Leistungsdichte und benötigt als Alphastrahler nur eine geringe Abschirmung. Da die Halbwertzeit mit 138,376 Tagen gering ist, wurde es nur im RHU des Lunochod eingesetzt, da dort die Missionsdauer ausreichend kurz war. Es zerfällt zum stabilen Bleiisotop 206Pb.
Durch Zerfallsenergie glühendes Pellet aus Plutoniumdioxid – das Pellet im Foto gibt 62 W in Form von Wärme ab.
  • Plutonium 238Pu wird für die Verwendung in Radionuklidbatterien gezielt hergestellt. Es wird in den meisten RTGs der Raumfahrt verwendet. Typische Generatoren für Raumsonden sind mit keramischem Plutoniumdioxid (PuO2) in Form fester Blöcke befüllt. Es ist chemisch stabil, wasserunlöslich, zerstäubt nicht und hat einen höheren Schmelzpunkt als metallisches Plutonium. Die durch radioaktiven Zerfall entstehende Wärmeleistung des Brennstoffs beträgt etwa 500 W/kg.
238Pu ist ein Alphastrahler mit niedriger Spontanspaltungsrate und dadurch geringer Neutronen- und Gammaemission mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren. Die relativ lange Halbwertszeit (= mehrere Jahrzehnte Einsatzzeit des RTG) und geringe Emission schwer abschirmbarer Strahlung führen dazu, dass es nur die dünnste Strahlenabschirmung der hier genannten Nuklide benötigt. Eine Menge von 300 g 238Pu liefert nach thermoelektrischer Wandlung mit etwa 8 % Wirkungsgrad zum Beispiel etwa 11 W elektrische Leistung, innerhalb von 10 Jahren somit etwa 933 kWh elektrische Energie.[7]
  • Curium 242Cm besitzt die zweithöchste Energiedichte und mit 162,8 Tagen eine sehr kurze Halbwertszeit. Seine Herstellung ist aufwändig und sehr teuer. Es zerfällt direkt zu 238Pu und wird hier nur der Vollständigkeit wegen erwähnt.
  • Curium 244Cm muss in Kernreaktoren erbrütet werden und hat 18,1 Jahre Halbwertszeit. Es ist ein Alphastrahler, jedoch ist seine Spontanspaltungsrate und damit die Neutronen- und Gammastrahlung höher als die von 238Pu, so dass die Abschirmung dicker sein muss. Auch seine Halbwertszeit ist viel geringer, so dass ein RTG mit ihm eine viel kürzere Einsatzdauer hätte.
  • Americium 241Am entsteht beim Betazerfall des in Kernreaktoren in kleinen Mengen erbrüteten 241Pu. Es wäre mit 432,2 Jahren Halbwertszeit für RTGs geeignet, die nicht nur Jahrzehnte, sondern Jahrhunderte lang elektrische Energie liefern müssen. Jedoch ist Americium kein reiner Alphastrahler, sondern gibt beim Zerfall große Mengen relativ weicher Gammastrahlung ab, weil nur zirka 0,35 % aller 241Am-Atome die gesamte Zerfallsenergie dem Alphateilchen mitgeben. Auch die Neutronenabgabe ist höher als bei 238Pu[8]. Deshalb würden RTGs mit diesem Isotop eine etwas dickere Abschirmung als die mit 238Pu-Füllung benötigen.[9]
  • Americium 243Am entsteht beim Betazerfall des von Kernreaktoren in sehr kleinen Mengen erbrüteten Plutonium 243Pu. Es wäre mit 7370 Jahren Halbwertszeit für RTGs mit etwa 5000 Jahren Einsatzdauer geeignet.
Liste von Radionukliden[9]
Radio-
nuklid		 Halbwertszeit
(Jahre)		 Zerfall Brennstoff Spezifische
Leistunga (W/g)		 Abschirmung Schmelzpunkt des
Brennstoffs (°C)
060Co 0005,27 β,γ Metall 018,9 schwer 1480
090Sr 0028,78 β,β SrTiO3 002,31 schwer 1910
106Ru 0001,02 β,β Metall 070,0 schwer 2310
137Cs 0030,17 β,γ CsCl oder Glas[10] 000,60 schwer 646 / –b[10]
144Ce 0000,78 β,β,γ CeO2 062,6 schwer 2190
147Pm 0002,62 β Pm2O3 001,23 mittel 2130
210Po 0000,38 α GdPo 141 einfach 1630[10]
238Pu 0087,7 α PuO2 000,568 einfach 2250
242Cm 0000,45 α Cm2O3 122 mittel 1950
244Cm 0018,1 α Cm2O3 002,84 mittel 1950
241Am 0432,2 α AmO2 000,112 mittel 2000
243Am[7] 7513c α,β,α AmO2 000,010c ≥ mittel 2000
a Leistung bezogen auf die Masse des Nuklids, die auf die Masse des Brennstoffs bezogene ist entsprechend niedriger
b Temperatur für Glas nicht angegeben
c Effektive Halbwertzeit und Zerfallswärme der Zerfallsreihe 243Am → 239Np → 239Pu → 235U

Wandler

Zur Energiewandlung kommen mehrere Prinzipien in Frage bzw. wurden erprobt:

Schema eines Thermoelektrischen Wandlers
Thermoelektrischer Generator
(engl. radioisotope thermoelectric generator, kurz RTG) ein Radionuklid erzeugt Wärme und betreibt einen thermoelektrischen Generator, ähnlich einem Peltierelement (Seebeckeffekt bzw. inverser Peltiereffekt). Diese Art Isotopengeneratoren ist die gebräuchlichste. Er enthält ein oder mehrere radioaktive Heizelemente, die direkt in den Radioisotopengenerator eingeschoben werden. Der Radioisotopengenerator besteht aus einem Metallzylinder, in dessen Wand die Thermoelemente eingelassen sind. Er besitzt an seiner Außenwand Kühlrippen, um die von den Heizelementen erzeugte Wärme abzugeben und so die für den Betrieb der Thermoelemente notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Der Wirkungsgrad liegt bei 3 bis 8 Prozent.
Thermoionischer Generator
er nutzt die Glühemission von Elektronen aus einer durch das Radionuklid erhitzten Glühkathode; als thermionischer Generator oder thermionischer Umwandler unabhängig von der Quelle der Wärme. Wirkungsgrad etwa 10 bis 20 Prozent, allerdings sind hohe Temperaturen notwendig, weswegen diese Art der Wandlung meist von Kernreaktoren im All eingesetzt wurde.
Thermophotovoltaischer Generator
er nutzt die Infrarotstrahlung des sich bis zur Glut erhitzenden Radionuklides und wandelt sie mit Photodioden ähnlich wie Solarzellen in Strom um. Der Wirkungsgrad liegt bei 20 bis 30 Prozent, allerdings ist die Lebensdauer sehr kurz, das heißt, sie degradieren schneller.
Betavoltaics
sie wandeln Betastrahlung in einem Halbleiter ähnlich einer Photodiode direkt in elektrischen Strom um. Das Problem ist hier der schlechte Wirkungsgrad, der bei rund 7 Prozent liegt. Das Thema ist Gegenstand von Forschungen der USAF.[11]
Alkalimetall-thermisch-elektrischer Wandler
(engl. alkali-metal thermal to electric converter, kurz AMTEC). Er nutzt Komponenten der Natrium-Schwefel-Batterie. Der Aufbau ähnelt einer Brennstoffzelle: Durch die Wärme des Radionuklides verdampftes Natrium wird durch einen Festelektrolyt aus Aluminiumoxid-Keramik gedrückt. Da die Keramik nur Na+ Ionen leitet, muss das Elektron über einen Verbraucher zum anderen Ende der Keramik fließen. Dort vereinigen sich Natriumion und Elektron und werden an einem Kondensator verflüssigt. Das flüssige Natrium wird mit Hilfe einer magnetohydrodynamischen Pumpe zum Verdampfer transportiert, der Kreislauf beginnt von vorne. Der Wirkungsgrad liegt bei 15 bis 25 Prozent, in Zukunft sind bis zu 40 Prozent geplant.
Stirlingmotor
(engl. stirling radioisotope generator, kurz SRG). Die von den Radioisotopen erzeugte Wärme treibt einen Stirlingmotor an. Sein Wirkungsgrad (20 bis 30 Prozent) ist höher als bei thermoelektrischen Elementen, im Gegensatz zu thermoelektrischen oder AMTEC-Wandlern benutzt er allerdings bewegte Teile. Die inzwischen entwickelten Advanced Stirling Radioisotope Generators sind bisher noch nicht eingesetzt worden. Wegen des Risikos durch die beweglichen Teile der Generatoren plant die NASA, sie zuerst bei einer preiswerten Mission zu testen, bevor sie bei einer teuren Mission verwendet werden.[12]

Anwendungen

Weltraum

Einer der Radioisotopengeneratoren für Cassini-Huygens

In der Raumfahrt dienen RTGs zur Stromversorgung und RHUs zur Heizung. Jenseits der Mars-Umlaufbahn reichte bis vor kurzem (jetzt jenseits von Jupiter[3]) die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus, mit Solarzellen in praktikabler Größe den Energiebedarf der Sonden zu decken. Hinzu kommt, dass die Gasplaneten (besonders Jupiter) von so starken Strahlungsgürteln umgeben sind, dass die Solarzellen zu schnell degradiert oder zerstört werden. RTGs sind die derzeit einzigen Generatoren, die leicht und zuverlässig genug sind, um in eine Sonde integriert zu werden und die ausreichend lange Strom liefern können. Alle Raumsonden, die bis zum Jahr 2010 zum Planeten Jupiter oder weiter geschickt wurden, wie Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons wurden deshalb mit Isotopenbatterien ausgerüstet. Die 2011 gestartete Raumsonde Juno verwendet in der Jupiter-Umlaufbahn Solarzellen. Das ist jedoch nur möglich, weil der geplante polare Orbit der Sonde zum größten Teil außerhalb des Strahlungsgürtels liegt. Der geplante „Jupiter Icy Moons Explorer“, der aus der Europa Jupiter System Mission hervorging, soll ebenfalls Solarzellen verwenden, da sich der Mond Ganymed außerhalb von Jupiters starken Strahlungsgürteln befindet.[13] Der „Jupiter Europa Orbiter“ der aufgegebenen Europa Jupiter System Mission sollte dagegen RTGs verwenden, da sich der Mond Europa dichter beim Jupiter innerhalb der Strahlungsgürtel befindet.[14] Die Raumsonde Rosetta, die den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko bis 2016 untersuchte, verwendete auch Solarzellen, obwohl sie sich zwischenzeitlich weiter als der Jupiter von der Sonne entfernte. Der Hauptteil der Mission fand jedoch statt, als der Komet sich auf seiner exzentrischen Umlaufbahn in Perihelnähe (und damit in Sonnennähe) befand. Somit stand während der eigentlichen Mission am Kometen genügend Energie zur Verfügung. Außerdem muss hier berücksichtigt werden, dass die ESA bisher keine RTGs entwickelt hat, jedoch die Entwicklung und den Bau von RTGs erwägt, die in den 2020er Jahren bereitstehen sollen. Als Radionuklid soll voraussichtlich Americium 241Am zum Einsatz kommen.[8]

Die Anfang der 1970er-Jahre von den Apollo-Astronauten auf dem Mond aufgestellten automatischen Messstationen (ALSEP) bezogen ihre Energie ebenfalls von Isotopenbatterien, um kontinuierlich arbeiten zu können.

Der Lander der Chinesischen Mondsonde Chang’e-3 hat einen RTG an Bord, um auch während der etwa 14-tägigen Mondnacht weiterarbeiten zu können.[15]

Bei Militärsatelliten spielt die geringere Größe gegenüber Solarzellen eine Rolle, sowie die größere Unempfindlichkeit gegen Strahlung. Satelliten, die in einem niedrigen Orbit (LEO) kreisen, werden durch die Hochatmosphäre abgebremst, geringe Ausmaße sind hier besonders wichtig.

Russland (bzw. die Sowjetunion) setzte ebenfalls RTGs sowohl bei zivilen als auch bei militärischen Missionen ein, konzentrierte sich in der Raumfahrt aber eher auf Kernreaktoren (RORSAT). Über sowjetische/russische Aktivitäten wurde nur sehr wenig veröffentlicht, die folgende Liste ist daher USA-dominiert. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass die UdSSR mindestens genauso häufig RTGs eingesetzt hat.

Weltraumanwendungen von RTGs
Jahr Name Mission Anzahl
[16] 		Radio-
nuklid 		elektrische Leistung
je RTG in W (Start)
1958 SNAP-1 1958 gestrichen ? 144Ce 500
1958 SNAP-1A 1958 Bodentest ? 125
1961 SNAP-3 Transit 4A 1 238Pu 002,7
1961 SNAP-3 Transit 4B 1 002,7
1963 SNAP-9 Transit 5BN-1 1 025
1963 SNAP-9 Transit 5BN-2 1 025
1965 Orion-1[16] Kosmos 84 1 ? ?
1965 Orion-1[16] Kosmos 90 1 ?
1965 SNAP-17 Kommunikationssatellit, gestrichen ? 090Sr 025
1966 SNAP-11 Surveyor (gestrichen), Bodentest ? 242Cm 025
1969 SNAP-29 USAF ? 210Po 400
1969 SNAP-19B3 Nimbus B 2 238Pu 028,2
1969 SNAP-19B3 Nimbus III 2 028,2
1969 SNAP-27 EALSEP[16] 1 075
1969 SNAP-27 ALSEP A1[16] 1 075
1970 SNAP-27 ALSEP B[16] 1 075
1971 SNAP-27 ALSEP C[16] 1 075
1971 SNAP-27 ALSEP A2[16] 1 075
1972 SNAP-19 Pioneer 10 4 040
1972 SNAP-27 ALSEP D[16] 1 075
1972[16] Transit-RTG Triad 1 1 ? ?
1972 SNAP-27 ALSEP E[16] 1 238Pu 075
1973 SNAP-19 Pioneer 11 4 040
1975 SNAP-19 Viking 1 2 043
1975 SNAP-19 Viking 2 2 043
1976 MHW-RTG LES-8 2 154
1976 MHW-RTG LES-9 2 154
1977 MHW-RTG Voyager 2 3 158
1977 MHW-RTG Voyager 1 3 158
1989 GPHS-RTG Galileo 2 290
1990 GPHS-RTG Ulysses 1 280
1996 RTG-Angel[16] Mars 96 4 N/A
1997 GPHS-RTG Cassini-Huygens 3 285[3]
2006 GPHS-RTG New Horizons 1 240
2011 MMRTG Curiosity 1 110[17]
2013 ? Chang’e-3 1 238Pu[18] ?

  • Einzelteile einer RHU. Zum Größenvergleich eine 1¢-Münze

  • Risszeichnung eines SNAP 19-RTG (englische Beschriftung)

  • Zwei der SNAP 19-RTGs einer Pioneer-Raumsonde

  • Ein Astronaut ist dabei, den Stab mit dem Plutonium 238Pu in den SNAP 27-RTG zu stecken

  • Eine 238Pu-Kugel aus dem MHW-RTG

  • Schnitt einer Brennstoffkapsel eines MHW-RTG mit Brennstoffkugeln auf verschiedenen Ebenen

  • Schnitt durch einen MHW-RTG mit der Brennstoffkapsel im Inneren

  • Zwei MHW-RTGs für Voyager

  • Glühender Brennstoff für einen MMRTG wird verpackt

  • Risszeichnung eines MMRTG (englische Beschriftung)

  • Der MMRTG für Curiosity

  • Arbeiten am MMRTG für Curiosity

  • Testeinheit eines ASRG

Erde

Bevor es kleine und langlebige Batterien gab, wurden RTGs auf der Basis von 238Pu für die Versorgung von Herzschrittmachern eingesetzt.[19] Zwischen 1971 und 1976 wurden solche Herzschrittmacher auch in Deutschland implantiert. Sie enthielten 200 mg Plutonium.[20]

RTGs wurden zur Versorgung von Leuchttürmen und Befeuerungen in entlegenen Regionen der UdSSR eingesetzt. Mit etwa 1000 Stück wurden am häufigsten 90Sr-Generatoren vom Typ Beta-M eingesetzt. Sie sind teilweise noch heute in Betrieb.[21]

Sicherheit

Weltall

In den Anfangstagen der Raumfahrt wurden RTGs nur mit geringer Abschirmung gebaut. Die Abschirmung war dazu gedacht, die Instrumente des Satelliten ausreichend vor der Strahlung des Radioisotops zu schützen. Da sowieso Schutzmaßnahmen gegen die kosmische Strahlung vorhanden waren, war das eher einfach zu realisieren. Für einen atmosphärischen Wiedereintritt waren die RTGs der damaligen Zeit nicht ausgelegt, sie waren vielmehr so gebaut, dass sie im Falle eines Unfalles in der Atmosphäre verglühen sollten. Die Brennstoffe hätten sich somit über ein großes Gebiet verteilt. Die daraus resultierende radioaktive Belastung durch eine RTG-Einheit (maximal 8 kg Brennstoff) wurde angesichts der weltweit stattfindenden Kernwaffentests und der dadurch freigesetzten und produzierten Menge radioaktiven Materials (mehrere 1000 Tonnen) für vernachlässigbar gehalten. Unfälle von Satelliten mit Kernreaktoren statt Radionuklidbatterien als Energiequelle, wie die sowjetische Kosmos 954, führten allerdings zu einer weit größeren radioaktiven Belastung.

Im Oktober 1963 trat der Vertrag über das Verbot von Kernwaffenversuchen in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser in Kraft. Die radioaktive Strahlung ging weltweit schnell zurück.[22]

Am 21. April 1964 versagte die Able-Star-Oberstufe einer Thor-DSV2A Able-Star[23]-Trägerrakete, die die Satelliten Transit 5BN-3 und Transit 5E-3 in den Weltraum bringen sollte. Die Satelliten traten wieder in die Erdatmosphäre ein, wobei in etwa 50 km Höhe die SNAP-9A-Radionuklidbatterie von Transit 5BN-3 verglühte und das 238Pu mit einer Aktivität von 629 TBq (17.000 Curie) freigesetzt wurde.[24] Es ist bis heute weltweit messbar.

General Purpose Heat Source

Durch die Wandelung des Bildes der Kerntechnik in den 1960er und 70er Jahren und durch den oben genannten Absturz rückten auch RTGs in den Fokus von Politik und Öffentlichkeit. Von nun an stand maximale Sicherheit an vorderster Stelle. Alle RTGs werden seitdem für einen Wiedereintritt und ein Explodieren der Rakete auf der Startrampe ausgelegt, was das Masse-Leistungs-Verhältnis jedoch drastisch verschlechterte und die Kosten in die Höhe trieb. Im Folgenden nun der Aufbau eines modernen GPHS-RTG (General Purpose Heat Source – Radioisotope Thermoelectric Generator) zur Illustration der Sicherheitsmaßnahmen, sie wurden bei Cassini-Huygens, New Horizons, Galileo und Ulysses eingesetzt:

Schnittbild des fertigen GPHS-RTGs
  1. Der Brennstoff (Plutoniumdioxid) wird zum Schutz vor Korrosion in Iridiumklötzchen gefüllt.
  2. Zwei Brennstoffklötzchen werden in einen kleinen Zylinder aus Graphit gefüllt, mit einer Membran voneinander getrennt und zugeschraubt (Graphite Impact Shell).
  3. Zwei dieser Graphitzylinder werden parallel in einen größeren Graphitblock gesteckt, dieser wird zugeschraubt und gegen Herausdrehen gesichert (Aeroshell).
  4. Neun dieser Blöcke werden übereinandergestapelt und gegeneinander fixiert.
  5. Die daraus resultierende Anordnung wird in einen Zylinder gesteckt, der die Thermowandler enthält; es folgt eine Trennwand (Midspan Heat Source Support), dann ein weiterer Stapel.
  6. Die Wand, die die thermoelektrischen Wandler enthält, ist isoliert.
  7. Außen sind die Radiatoren aus Aluminium angebracht und ein Überdruckventil zum Ablassen des aus den Alphateilchen entstehenden Heliums.

Die fertige Einheit wiegt ca. 57 kg, davon sind 7,8 kg Brennstoff. Das Sicherheitskonzept funktioniert folgendermaßen: Beim atmosphärischen Wiedereintritt verglühen die Aluminiumradiatoren, die Wärmedämmung schützt das Innere, bis auch sie verglüht. Die Graphitblöcke (Aeroshell) überstehen den Wiedereintritt. Beim Einschlag auf der Oberfläche zerbrechen sie und geben die Graphitzylinder (Graphite Impact Shell) frei. An Land können die Überreste nun lokal geborgen werden, da die Graphitblöcke als Einheit abstürzen. Die Segmentierung soll im Falle einer Beschädigung vor dem Wiedereintritt die Sicherheit erhöhen. Bei einem Einschlag im Meer ist eine Bergung nicht vorgesehen. Die Graphitzylinder gehen unverzüglich unter. Graphit ist sehr korrosionsbeständig. Falls nach mehreren Jahrzehnten die Zylinder beschädigt werden, ist der Brennstoff noch von einer Schicht aus Iridium umgeben, dem korrosionsbeständigsten Element.

Das Funktionieren dieser Sicherheitsmaßnahmen wurde bei Nimbus B und Apollo 13 unter Beweis gestellt. Die Thorad-SLV2G Agena-D Rakete von Nimbus B und der Sekundärnutzlast SECOR 10[25] musste kurz nach dem Start gesprengt werden.[26] Die Brennstoffkapseln der beiden SNAP 19 RTG von Nimbus B hielten trotz der Raketen-Explosion dicht und konnten vor der Vandenberg Air Force Base aus dem Meer geborgen werden.[27] Das 238Pu wurde bei Nimbus 3 wiederverwendet.[26] Als die Mondfähre von Apollo 13 in der Erdatmosphäre nahe der Fidschi-Inseln verglühte, war ein SNAP-27 RTG an Bord und fiel in den Tongagraben. Bei nachträglich durchgeführten Luft- und Wassermessungen konnte kein 238Pu festgestellt werden: Der Behälter hielt dem Aufprall offensichtlich stand.

Erde

Ein RTG aus sowjetischer Produktion auf der Halbinsel Kola

Wegen der insgesamt großen Menge von radioaktivem Material wird die Anwendung in den Nachfolgestaaten der UdSSR als problematisch gesehen. Dort wurden seit 1976 1000–1500 Radioisotopengeneratoren hergestellt.[28] Sie wurden für Verwendungszwecke wie die Stromversorgung abseits gelegener Leuchttürme oder militärischer Funk-Relaisstationen konstruiert, wobei wegen des hohen Leistungsbedarfs dieser Anwendungen und des geringen Wirkungsgrades der Stromerzeugung große Mengen (bis zu über 100 kg) radioaktiven Materials, meist 90Strontium, eingesetzt wurden. Das 90Sr wurde von den RTGs in der Verbindung Strontiumtitanat oder als Bestandteil von Borsilikatglas verwendet.[6]

Alle diese Geräte stammen aus der Sowjetzeit und haben mittlerweile ihre projektierte Lebensdauer überschritten. Aufgrund der schleppenden Demontage und Entsorgung durch die zuständigen Behörden, der unvollständigen Dokumentation der Typen und Standorte und der meist unzureichenden Sicherung dieser Anlagen kam es mindestens bis 2006 zu Freisetzungen strahlenden Materials durch Korrosion und insbesondere durch Metall-Diebstähle.[29]

Aus Georgien wurde berichtet, dass zwei Holzfäller im Jahr 2001 in Wäldern die liegengelassenen Bestandteile zweier Isotopenbatterien ehemaliger mobiler militärischer Funkanlagen fanden, sich daran in der Nacht wärmten und daraufhin in einem Krankenhaus wegen massiven Merkmalen von Strahlenkrankheit behandelt werden mussten. Entsprechende Meldungen gingen bis an die IAEO. Für die darauf folgende Räumungsaktion waren starke Schutzauflagen erforderlich.[30][31] In Georgien wird von der IAEA und der georgischen Regierung aktiv nach sogenannten Orphan-Strahlern („herrenlose Strahler“) gesucht, da es bereits zu schwerwiegenden Strahlenschäden kam. Neben den 90Sr enthaltenden RTGs sind das vor allem 137Caesium-Quellen aus militärischer und landwirtschaftlicher Nutzung.[28]

Nach Zahlen des US-Energieministeriums gab es Ende 2007 in Russland noch immer über 850 zu entsorgende Radioisotopengeneratoren.[32]

Literatur

  • Tilmann Althaus: Cassini und die Nuklearenergie. In: Sterne und Weltraum. 1998, 37 (3), S. 220–223.
  • Steve Aftergood: Background on Space Nuclear Power. In: Science & Global Security. 1989, Volume I, S. 93–107, pdf @princeton.edu, abgerufen am 15. April 2011.

Weblinks

Commons: Radioisotopengenerator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Commons: Stirling Radioisotopengenerator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Radioisotope Heater Units. Department of Energy, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  2. ↑ Cassini Program Environmental Impact Statement Supporting Study. (PDF; 1,4 MB) Jet Propulsion Laboratory, , S. 45–72, abgerufen am 9. Juni 2013 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Bernd Leitenberger: Die Radioisotopenelemente an Bord von Raumsonden. Abgerufen am 12. Mai 2013.
  4. ↑ Bernd Leitenberger: Die Raketengrundgleichung. Abgerufen am 9. August 2012.
  5. ↑ Dr. Ralph L. McNutt, Jr.: Phase II Final Report, NASA Institute for Advanced Concepts, A Realistic Interstellar Explorer. (PDF; 4,2 MB) The Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory, 14. Oktober 2003, S. 39, abgerufen am 9. Juni 2013 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
  6. ↑ 6,0 6,1 Rashid Alimov: Radioisotope Thermoelectric Generators. (Memento vom 13. Oktober 2013 im Internet Archive) Belonia, April 2005, abgerufen am 9. März 2011
  7. ↑ 7,0 7,1 Ralph L. McNutt, Jr.: Phase II Final Report, NASA Institute for Advanced Concepts, A Realistic Interstellar Explorer (PDF; 4,2 MB), The Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory, 14. Oktober 2003 (englisch), Seite 21
  8. ↑ 8,0 8,1 Stephen Clark: Space agencies tackle waning plutonium stockpiles. Spaceflight Now, 9. Juli 2010, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  9. ↑ 9,0 9,1 Basic Elements of Static RTG's. (PDF; 297 kB) Rockwell International, abgerufen am 10. Juni 2013 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 Martin Nuclear Division: Feasibility of Isotopic Power for Manned Lunar Missions, Volume 2--Mission, Fuel, and Nuclear Safety and Radiation, Mai 1964, S. 49.
  11. ↑ Frank Grotelüschen: Kernkraft für die Westentasche. Deutschlandradio, 8. September 2005, abgerufen am 9. März 2011.
  12. ↑ Stephen Clark: NASA plans test of advanced nuclear power generator. Spaceflight Now, 9. Mai 2011, abgerufen am 14. Mai 2011 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
  13. ↑ Gunter Krebs: JUICE. In: Gunter’s Space Page. 3. Mai 2012, abgerufen am 12. Mai 2012 (englisch).
  14. ↑ Gunter Krebs: JEO. In: Gunter’s Space Page. 27. September 2010, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  15. ↑ Gunter Krebs: Chang’e 3 (CE 3) / Yutu, in Gunter’s Space Page, abgerufen am 3. Dezember 2013
  16. ↑ 16,00 16,01 16,02 16,03 16,04 16,05 16,06 16,07 16,08 16,09 16,10 16,11 Gunter Krebs: Nuclear Powered Payloads. In: Gunter’s Space Page. 22. Oktober 2010, abgerufen am 12. Mai 2012 (englisch).
  17. ↑ Energy Department Nuclear Systems Are Powering Mars Rover. U.S. Department of Energy Office of Public Affairs, abgerufen am 6. August 2012.
  18. ↑ Emily Lakdawalla: The Chang’e 3 lunar lander and rover, expected to launch late this year. The Planetary Society, 9. Januar 2013, abgerufen am 26. Januar 2015 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
  19. ↑ Plutonium. periodictable.com, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  20. ↑ Atombatterie in der Brust. Spiegel Online, 22. November 2009, abgerufen am 9. März 2011.
  21. ↑ Rashid Alimov: Radioisotope Thermoelectric Generators. Bellona, 24. November 2003, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  22. ↑ viele der freigesetzten Radioisotope haben eine kurze Halbwertszeit
  23. ↑ Gunter Krebs: Thor-DSV2A Able-Star. In: Gunter’s Space Page. 4. Juli 2012, abgerufen am 9. Juni 2013 (englisch).
  24. ↑ Steven Aftergood: Background of Space Nuclear Power (PDF-Datei; 1,6 MB), 1989, abgerufen am 2. Juni 2011.
  25. ↑ Gunter Krebs: Thorad-SLV2G Agena-D. In: Gunter’s Space Page. Abgerufen am 9. Juni 2013 (englisch).
  26. ↑ 26,0 26,1 Gunter Krebs: Nimbus B, 3. In: Gunter’s Space Page. 29. Januar 2013, abgerufen am 9. Juni 2013 (englisch).
  27. ↑ Ricard R. Furlong and Earl J. Wahlquist: U.S. space missions using radioisotope power systems (PDF; 930 kB) Nuclear News, April 1999.
  28. ↑ 28,0 28,1 Oberfeldarzt Dr. Bernd Schmitt: Einführung und Optimierung der Personendosimetrie mittels elektronischer Gammadosimeter bei deutschen UNOMIG-Soldaten in Georgien zur Überwachung und Risikobewertung hinsichtlich vagabundierender Strahler. In: Wehrmedizinische Monatsschrift. Vol. 53, Nr. 3, September 2009, S. 268–269.
  29. ↑ Rashid Alimov, Vera Ponomareva: Chernobyl-like slovenliness today: RTGs are being vandalized near Norilsk. Bellona, 4. November 2006, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  30. ↑ Die Tücke von Panikwaffen. ZDF, 9. Juli 2012, abgerufen am 10. Juni 2013.
  31. ↑ Malgorzata K. Sneve: Remote Control. (PDF; 279 kB) In: IAEA Bulletin Volume 48, No.1. IAEA, September 2006, S. 42–47, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  32. ↑ Jill Zubarev, Garry Tittemore: The Global Threat Reduction Initiative: Enhancing Radiological Security in the Russian Federation. (PDF; 25 kB) IAEA, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
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