Was treibt Raumfahrzeuge zu äußeren Planeten und darüber hinaus an?

Die meisten Raumfahrzeuge, einschließlich Satelliten und einige Mars-Lander, sind auf Sonnenkollektoren angewiesen, jedoch für raue und komplexe Ausflüge wie den Mars Neugier Rover-Mission und extrem lange Flüge wie der, der gerade stattfand Neue Horizonte von Pluto und seinen Monden, nur aus radioaktiven Quellen gewonnener Strom kann genug Wumms liefern.

Eine künstlerische Darstellung des Raumfahrzeugs, das gerade an Pluto vorbeigezogen ist.

Die NASA verwendet thermoelektrische Radioisotopengeneratoren (RTGs), eine clevere Kombination aus Material, das einst aus den Nebenprodukten von Atomwaffen gewonnen wurde, und einer 200 Jahre alten Technik zur Umwandlung von Temperaturunterschieden in Elektrizität. RTGs begannen 1969 mit der Stromversorgung von NASA-Missionen.

Wie es funktioniert

Ein RTG nutzt die Wärme, die durch den radioaktiven Zerfall von Plutonium-238-Dioxid entsteht, das aus den Nebenprodukten des Anreicherungsprozesses raffiniert werden kann, der zur Herstellung eines schwereren, spaltbareren Isotops, Plutonium-239, für Atomwaffen erforderlich ist. Das leichtere Isotop erzeugt sehr wenig Gammastrahlung, was bedeutet, dass es in einem Raumfahrzeug relativ wenig Abschirmung benötigt.

Während das Pu-238 über seine fast 88-jährige Halbwertszeit zerfällt – nach 88 Jahren bleibt etwa die Hälfte der ursprünglichen Masse übrig, dann wieder die Hälfte in jedem aufeinanderfolgenden Zeitraum von 88 Jahren – wird seine Wärme durch thermoelektrische Paare (oder Thermoelemente) in Elektrizität umgewandelt ), die auf dem Seebeck-Effekt beruhen. Dies wurde erstmals 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck beschrieben, obwohl er nicht ganz wusste, was er sah: dass ein elektrischer Strom zwischen zwei Metallen fließt, die auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden.

In der Art von RTG, die in verwendet wird Neue Horizonte und mehreren früheren Missionen beträgt die heiße Seite der Verbindung beim Start durchschnittlich 1.308 Kelvin (1.894 ° F) und die kalte Seite etwa 566 Kelvin (559 ° F). Die maximale Temperatur nimmt mit der Zeit ab, wenn der Kraftstoff zerfällt, was zu einer allmählichen Verringerung der elektrischen Leistung beiträgt. Aber nach Jahren im Weltraum bleibt noch genug Energie, um mehrere wissenschaftliche Instrumente mit Energie zu versorgen, Computer zu betreiben und Datenkommunikation über große Entfernungen abzuwickeln.

Schrumpfender Vorrat

Das US-Energieministerium produzierte früher Pu-238 an seinem Standort Savannah River in South Carolina, stellte jedoch Ende der 1980er Jahre die Herstellung von waffenfähigem Plutonium ein. Die Regierung ergänzte ihre schwindenden Vorräte durch den Kauf von Plutonium aus Russland, aber Russland stoppte die Lieferungen im Jahr 2009 und hat möglicherweise nur noch wenig oder gar nichts in brauchbarer Form übrig. (Russland verwendet keine RTGs für die Raumfahrt, und die Europäische Weltraumorganisation auch nicht.)

Die Vereinigten Staaten haben schätzungsweise etwa 37 Kilogramm alternden Pu-238, aber Jim Green, Direktor der Abteilung für Planetenwissenschaften der NASA, sagt, dass nur etwa 17 Kilogramm in einer Form sind, die für RTGs verwendet werden könnten. Um die Figur ins rechte Licht zu rücken, bedenken Sie das Neue Horizonte begann seine Mission mit 11 Kilogramm. Neugier trägt nur knapp 4,8 Kilogramm, hat aber auch Lithiumbatterien, die das RTG in inaktiven Zeiten auflädt, was dem Marsrover während seiner Tagesbewegungen und Experimente eine große Gesamtenergieversorgung ermöglicht.

Die NASA finanziert eine Initiative des Energieministeriums zur Entwicklung eines neuen Produktionszyklus, an dem drei nationale Labors beteiligt sind – Los Alamos, Oak Ridge und Idaho. Bis 2021 will der Betrieb 1,5 Kilogramm Plutonium-238-Dioxid pro Jahr produzieren.

Angesichts des knappen Angebots und der Tatsache, dass aktuelle RTGs extrem ineffizient sind – sie wandeln etwas mehr als 6 Prozent der Wärmeabgabe in Strom um – wird erwartet, dass die bevorstehende Mission der NASA zur Sondierung von Europa, einem Eismond des Jupiter, solarbetrieben sein wird. Bis vor kurzem galt es als unmöglich, Solarenergie in dieser Entfernung zu nutzen, aber Verbesserungen in der terrestrischen Technologie haben geholfen. Die Europäische Weltraumorganisation hat auch eine solarbetriebene Jupiter-Mission, JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE), die 2022 starten soll.

Es werden mehrere Anstrengungen unternommen, um die Effizienz von Thermoelementen zu verbessern, indem neue Materialien oder vollständig überarbeitete RTG-Designs verwendet werden. Ein kurzfristiges Upgrade des verwendeten Modulstils in Neugier könnte den gewonnenen Strom auf 8 Prozent steigern – also ein Drittel mehr Strom aus dem gleichen Brennstoff –, während längerfristige Projekte bis zu 15 Prozent Wirkungsgrad erreichen könnten.

Alternativer Ansatz

Eine weitere sehr alte Idee für den Antrieb von Raumfahrzeugen ist jetzt im Regal, aber sie könnte abgestaubt werden. Jahrelang finanzierte die NASA die Entwicklung des Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG), der wie der Seebeck-Effekt auf einer 200 Jahre alten Idee beruht. Ein Stirlingmotor erzeugt Strom aus einem Kolben, der durch ein Wärmedifferential angetrieben wird, genau wie ein Thermoelement, aber mit einigen mechanischen Teilen. Der Kolben in dieser Konstruktion schwimmt in Helium, um physischen Verschleiß zu vermeiden.

Die ASRG könnte die vierfache Effizienz aktueller RTGs haben, oder etwa 26 Prozent. Dies würde das knappe Pu-238 viel weiter strecken. Es ist auch nicht nur theoretisch: Ein Prototyp des ASRG läuft seit einem Jahrzehnt ohne Fehler in einem Labor. Das einzige Problem ist, dass das Budget der ASRG im Jahr 2013 gekürzt wurde. Green, der Chef der Planetenwissenschaften der NASA, ist bestrebt, die Arbeit wieder aufzunehmen.

Das wegnehmen:

Solar wird in der Zukunft der Planetenerkundung eine größere Rolle spielen. Aber es bleiben viele Punkte, die Handwerker nur mit Sonnenkollektoren nicht erreichen können, und viele wissenschaftliche Instrumente benötigen mehr Energie, als es möglich oder wirtschaftlich wäre, sie über Sonnenkollektoren zu betreiben. RTGs sind erforderlich, um den Saturn und darüber hinaus zu erreichen, Mondkrater zu erkunden und die dunkle Seite von Merkur zu besuchen und eine ehrgeizige, expansive Wissenschaft im Ausmaß der zu ermöglichen Reisende .

Das nächste Pluto-Raumschiff wird Plutonium an Bord haben. Es geht darum sicherzustellen, dass es genug gibt und dass es gut genutzt wird.

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