Radionuklidbatterie

Eine Radionuklidbatterie, auch Radioisotopengenerator, 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 Vorrichtungen, mit denen für therapeutische Zwecke kurzlebige Radionuklide als Zerfallsprodukt eines langlebigen Mutternuklids erzeugt werden (z. B. Gallium-68-Generator), werden Radionuklidgenerator genannt.

Aktivitätsmessungen am Radioisotopengenerator von Cassini-Huygens im Kennedy Space Center.

Inhaltsverzeichnis

Prinzip

Schnittbild durch ein RHU-Heizelement

Durch den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids entsteht Wärmeenergie. Diese Wärme kann entweder direkt zum Erwärmen eines Raumfahrzeugs 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.

Radionuklid-Heizelement

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 einem Hitzeschild aus dem selben 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]

Radionuklidbatterie

Beim Einsatz zur Erzeugung von elektrischer Energie werden bis heute nur thermoelektrische Generatoren eingesetzt, die ohne bewegte Teile arbeiten. Der Wirkungsgrad beträgt dabei nur 3 bis 8 %. Die Thermoelemente benötigen einen möglichst großen Temperaturunterschied zur Stromerzeugung. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große, dunkle Fläche Wärmeenergie in die Umgebung ab und wird so gekühlt. Alle stromerzeugenden RTG-Einheiten auf der Erde und im All setzen diese ineffiziente Methode ein, obwohl an Alternativen geforscht wird. Die vielversprechendste von diesen ist der AMTEC-Generator. Er sollte ursprünglich auf der New Horizons-Raumsonde eingesetzt werden, aus finanziellen Gründen wurde aber ein thermoelektrischer Generator (Typ GPHS-RTG) gewählt. Ein Vorteil der thermoelektrischen Generatoren ist, dass ihre Lebensdauer praktisch nur durch das gewählte Nuklid beschränkt wird, da es keine mechanische Abnutzung von Teilen gibt und sie deshalb wartungsfrei sind.

Nachteil der Radionuklidbatterie ist das gegenüber Kernreaktoren schlechtere Masse-Leistungs-Verhältnis und die Tatsache, dass die Energieabgabe nicht beeinflusst werden kann. Bei Radioisotopen mit kurzer Halbwertszeit fällt die Energieabgabe schnell ab. Deshalb muss am Anfang immer „zu viel“ Brennstoff mitgenommen werden, was höhere Kosten und eine schwerere Abschirmung erfordert.

Brennstoffe

Damit der RTG während der Einsatzdauer nicht zu stark an Leistung einbüßt, sollte das verwendete Radionuklid eine Halbwertszeit besitzen, die wesentlich größer ist als die geplante Betriebszeit, in der Praxis also meistens einige Jahrzehnte Halbwertszeit. In der Raumfahrt muss das Radionuklid eine energiereiche Strahlung 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 Isotope mit hoher Spontanspaltungsrate wegen der Freisetzung von Gammastrahlen und Neutronen nicht gut geeignet.[2]

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 jedoch 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. Es können einige Isotope aus dem atomaren Abfall 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 USD/Gramm.

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 starker 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 nach etwa 900 Jahren (anstatt in Hunderttausenden bis Millionen Jahren über eine lange Zerfallskette wie bei Transuranen) die Strahlung des Brennstoffes eines RTGs auf einen ungefährlichen Wert gesunken ist.[3] Strontium-90 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 Jahr 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 der 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, da es Betastrahlung emittiert und das Zerfallsprodukt Barium 137mBa ein starker Gammastrahler ist, eine aufwändigere Abschirmung für die Strahlung als ein Alpha-Strahler. 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. Caesium-137 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 284,893 Tagen für Anwendungen in der Regel zu kurz und als Betastrahler setzt es 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 Halbwertszeit von relativ kurzen 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.
  • Thulium 170Tm wird durch Neutronenbeschuss von 169Tm künstlich erzeugt. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 128,6 Tagen durch Betazerfall zu Ytterbium 170Yb. Seine Lebensdauer ist zu gering, um es für technische Verwendungen einzusetzen.
  • Polonium 210Po wird durch Neutronenbeschuss von 209Bi erzeugt. Es besitzt mit 141 Watt pro Gramm die höchste Energiedichte und benötigt als Alphastrahler nur eine geringe Abschirmung. Da die Halbwertzeit mit 138,376 Tagen gering ist, wurde es nur als RHU im 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 Watt in Form von Hitze ab.
  • Plutonium 238Pu wird für die Verwendung in Radionuklidbatterien gezielt hergestellt. Es wird als Radionuklid in den meisten RTGs in 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 450 Watt pro Kilogramm. 238Pu ist ein Alphastrahler mit niedriger Spontanspaltungsrate und dadurch geringer Neutronen- und Gammaemission mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren, d. h. nach 87,7 Jahren sind es 225 W, nach 175,4 Jahren noch zirka 112 W usw. 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 Plutonium-238 liefert nach thermoelektrischer Wandlung mit zirka 8 % Wirkungsgrad zum Beispiel etwa 11 Watt elektrische Leistung und innerhalb von 10 Jahren somit etwa 933 Kilowattstunden elektrische Energie.
  • Curium 242Cm besitzt die zweithöchste Energiedichte und mit 162,8 Tagen eine sehr kurze Halbwertszeit. Seine Herstellung ist aufwendig und sehr teuer. Wird nur der Vollständigkeit wegen erwähnt.
  • Curium 244Cm muss in Kernreaktoren erbrütet werden und hat 18,1 Jahre Halbwertszeit. Als Alphastrahler benötigt es eine dünnere Abschirmung als die Betastrahler, jedoch ist seine Spontanspaltungsrate und damit die Neutronen- und Gammastrahlung höher als die von 238Pu, so dass die Abschirmung dicker sein muss. Auch ist seine Halbwertszeit viel geringer, so dass ein RTG mit ihm eine viel kürzere Einsatzdauer hätte.
  • Americium 241Am entsteht beim Zerfall 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 können. Durch die längere Halbwertszeit verteilt sich die Energieabgabe auf eine längere Zeit als bei 238Pu, so dass zu Anfang die Strahlungsleistung nur bei zirka 1/4 liegt. 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.[4] Auch die Neutronenabgabe ist höher als bei Plutonium 238Pu[5]. Deshalb würden RTGs mit diesem Isotop eine etwas dickere Abschirmung als die mit 238Pu-Füllung benötigen.[6]
Liste von Radioisotopen [7]
Radioisotop Halbwertszeit
(Jahre)
Zerfall Brennstoff Leistungsdichte*
(W/g)
Abschirmung Schmelzpunkt des
Brennstoffs (°C)
60Co 5,27 β,γ Metall 17,4 schwer 1480
90Sr 28,78 β SrTiO3 0,96 schwer 1910
106Ru 1 β Metall 33,1 schwer 2310
137Cs 30,17 β,γ CsCl 0,42 schwer 646
144Ce 0,78 β,γ CeO2 25,6 schwer 2190
147Pm 2,62 β Tm 0,35 β Po 0,38 α GdPo 141 einfach 255
238Pu 86 α PuO2 0,56 einfach 2250
242Cm 0,45 α Cm2O3 120 einfach 1950
244Cm 18,1 α Cm2O3 2,65 einfach 1950
241Am 432,2 α AmO2 0,139 einfach 2000

* Leistungsdichte bezogen auf das Isotop, die des Brennstoffes ist zirka 10–20 % niedriger

Wandler

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

Schema eines Thermoelektrischen Wandlers
  • Thermoelektrischer Generator (engl. Radioisotope thermoelectric generator, abk. 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 3–8 %.
  • 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 zirka 10-20 %, 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 20–30 %, allerdings ist die Lebensdauer sehr kurz, das heißt sie degradieren schneller.
  • Sogenannte 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 % liegt. Das Thema ist Gegenstand von Forschungen der USAF.[8]
  • 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 15–25 %, in Zukunft sind bis zu 40 % geplant.
  • Stirlingmotor (SRG, engl. stirling radioisotope generator). Die von den Radioisotopen erzeugte Wärme treibt einen Stirlingmotor an. Sein Wirkungsgrad (20–30 %) 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[9].

Anwendungen

Weltall

Einer von Cassini-Huygens' Radioisotopengeneratoren

In der Raumfahrt dienen RTGs zur Stromversorgung und RHUs zur Heizung. Jenseits der Mars-Umlaufbahn reichte bis vor kurzem (jetzt jenseits von Jupiter[10]) die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus, um 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. Dies ist jedoch nur möglich, weil der geplante polare Orbit der Sonde zum größten Teil außerhalb des Strahlungsgürtels liegt. Der geplante „Jupiter Ganymede Orbiter“ der Europa Jupiter System Mission soll ebenfalls Solarzellen verwenden, da sich der Mond Ganymed außerhalb von Jupiters starken Strahlungsgürteln befindet[11]. Der „Jupiter Europa Orbiter“ der Europa Jupiter System Mission soll dagegen RTGs verwenden, da sich der Mond Europa dichter beim Jupiter innerhalb der Strahlungsgürtel befindet[12]. Die 2004 gestartete Raumsonde Rosetta verwendet auch Solarzellen, allerdings muss hier berücksichtigt werden, dass die ESA bisher keine RTGs entwickelt hat. Außerdem wird die Sonde beim Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko bleiben, wenn dieser auf dem Weg in Richtung Sonne ist (zum Perihel seines Orbits), somit wird während der eigentlichen Mission am Kometen genügend Energie zur Verfügung stehen.

Die ESA erwägt nun ebenfalls die Entwicklung und den Bau von RTGs, die in den 2020er Jahren bereitstehen sollen. Als Radionuklid soll voraussichtlich Americium 241Am zum Einsatz kommen[5].

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.

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 aber eher auf Kernreaktoren in der Raumfahrt (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 Radioisotop elektrische Leistung (Start)
1958 SNAP-1 1958 gestrichen Ce-144 500 W
1958 SNAP-1A 1958 Bodentest Ce-144 125 W
1961 SNAP-3 Transit 4A und Transit 4B Pu-238 2,7 W
1963 SNAP-9 Transit 5BN-1 und Transit 5BN-2 Pu-238 25 W
1965 Orion-1[13] Kosmos 84  ?  ?
1965 Orion-1[13] Kosmos 90  ?  ?
1965 SNAP-17 Kommunikationssatellit, gestrichen Sr-90 25 W
1966 SNAP-11 Surveyor (gestrichen), Bodentest Cm-242 25 W
1969 SNAP-19B3 Nimbus III Pu-238 28,2 W
1972[13] Transit-RTG Triad 1  ?  ?
1972/1973 SNAP-19 Pioneer 10 und Pioneer 11 Pu-238 40 W
1975 SNAP-19 Viking 1 und Viking 2 Pu-238 43 W
1969-1972 SNAP-27 ALSEP Pu-238 75 W
1969 SNAP-29 USAF Po-210 400 W
1976 MHW-RTG LES-8/9 (Lincoln Experimental Satellite) Pu-238 154 W
1977 MHW-RTG Voyager 1 und Voyager 2 Pu-238 158 W
1989 GPHS-RTG Galileo Pu-238 290 W
1990 GPHS-RTG Ulysses Pu-238 280 W
1996 RTG-Angel[13] Mars 96 Pu-238 N/A
1997 GPHS-RTG Cassini-Huygens Pu-238 885 W
2006 GPHS-RTG New Horizons Pu-238 240 W
2011 MMRTG Curiosity Pu-238 125 W

Erde

Bevor es kleine und langlebige Batterien gab, wurden RTGs auf der Basis von 238Pu für die Versorgung von Herzschrittmachern eingesetzt.[14] Zwischen 1971 und 1976 wurden solche Herzschrittmacher auch in Deutschland implantiert. Sie enthielten 200 mg Plutonium.[15]

In der UdSSR wurden RTGs für die Versorgung von Leuchttürmen und Befeuerungen in entlegenen Regionen eingesetzt. Am häufigsten wurden ein 90Sr-Generator vom Typ Beta-M gebaut (rund 1000 Stück). Diese sind zum Teil noch heute im Einsatz.[16]

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 dies 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 (siehe: Kosmos 954). Die daraus resultierende radioaktive Belastung einer 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.

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.[17]

Am 21. April 1964 versagte die Able-Star Oberstufe einer Thor-DSV2A Able-Star[18] 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 Kilometer Höhe die SNAP-9A Radionuklidbatterie von Transit 5BN-3 verglühte und das Plutonium-238 mit einer Strahlungsleistung von 17.000 Curie freigesetzt wurde.[19] Das Plutonium ist bis heute weltweit messbar.

General Purpose Heat Source

Als sich in den sechziger und siebziger Jahren das Bild der Kerntechnik wandelte 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 in Iridiumklötzchen gefüllt, gegen Korrosion.
  2. Zwei Brennstoffklötzchen werden in einen kleinen Zylinder aus Graphit gefüllt, jeweils mit einer Membran voneinander getrennt, diese wird 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 Wärmeisolierung 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[20] musste kurz nach dem Start gesprengt werden[21]. Die Brennstoffkapseln der beiden SNAP 19 RTG von Nimbus B hielten trotz der Raketen-Explosion dicht und konnten aus dem Meer vor der Vandenberg AFB geborgen werden[22]. Das 238Pu wurde bei Nimbus 3 wiederverwendet[23]. 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 Plutonium-238 festgestellt werden: Der Behälter hielt 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[24]. 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 [3]

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.[25]

Auch aus Georgien wurde berichtet, dass Holzfäller in Wäldern die liegengelassenen Bestandteile der Isotopenbatterien ehemaliger mobiler militärischer Funkanlagen fanden.[26] 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 Strontium 90 enthaltenden RTGs sind das vor allem 137Caesium-Quellen aus militärischer und landwirtschaftlicher Nutzung.[24]

Nach Zahlen des US-Energieministeriums gab es Ende 2007 noch immer über 850 zu entsorgende Radioisotopengeneratoren in Russland.[27]

Literatur

  • Tilmann Althaus: Cassini und die Nuklearenergie, in: Sterne und Weltraum 1998, 37 (3), S. 220–223.
  • Steve Afergood: Background on Space Nuclear Power. 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

Einzelnachweise

  1. Radioisotope Heater Units. Department of Energy, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  2. http://saturn.jpl.nasa.gov/spacecraft/safety/eisss2.pdf Section 4
  3. a b Rashid Alimov: Radioisotope Thermoelectric Generators. Bellona, 1. April 2005, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  4. http://87.139.25.178:81/ger/theory.htm
  5. a b Stephen Clark: Space agencies tackle waning plutonium stockpiles. Spaceflight Now, 9. Juli 2010, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  6. Nuklide für RTGs (PDF) letzte Seite
  7. http://fti.neep.wisc.edu/neep602/SPRING00/lecture5.pdf
  8. Frank Grotelüschen: Kernkraft für die Westentasche. Deutschlandradio, 8. September 2005, abgerufen am 9. März 2011.
  9. http://www.spaceflightnow.com/news/n1105/09asrg/ Stephen Clark: NASA plans test of advanced nuclear power generator in Spaceflight Now, Datum: 9. Mai 2011, Abgerufen: 14. Mai 2011
  10. Bernd Leitenberger: Die Radioisotopenelemente an Bord von Raumsonden. Abgerufen am 9. März 2011.
  11. Gunter Krebs: JGO. In: Gunter's Space Page. 27. September 2010, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  12. Gunter Krebs: JEO. In: Gunter's Space Page. 27. September 2010, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  13. a b c d Gunter Krebs: Nuclear Powered Payloads. In: Gunter's Space Page. 22. Oktober 2010, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  14. Plutonium. periodictable.com, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  15. Atombatterie in der Brust. Spiegel Online, 22. November 2009, abgerufen am 9. März 2011.
  16. Rashid Alimov: Radioisotope Thermoelectric Generators. Bellona, 24. November 2003, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  17. viele der freigesetzten Radioisotope haben eine kurze Halbwertszeit
  18. Guenter's Space Page: Thor-DSV2A Able-Star
  19. Steven Aftergood: Background of Space Nuclear Power, Datum 1989, Abgerufen: 2. Juni 2011
  20. Skyrocket.de: Thorad-SLV2G Agena-D
  21. Skyrocket.de: Nimbus B, 3
  22. Ricard R. Furlong and Earl J. Wahlquist: U.S. space missions using radioisotope power systems Nuclear News, April 1999
  23. Skyrocket.de: Nimbus B, 3
  24. a b 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.
  25. Rashid Alimov, Vera Ponomareva: Chernobyl-like slovenliness today: RTGs are being vandalized near Norilsk. Bellona, 4. November 2006, abgerufen am 9. März 2011 (englisch).
  26. Malgorzata K. Sneve: Remote Control. In: IAEA Bulletin Volume 48, No.1. IAEA, September 2006, S. 42-47, abgerufen am 9. März 2011 (PDF, englisch).
  27. Jill Zubarev, Garry Tittemore: The Global Threat Reduction Initiative: Enhancing Radiological Security in the Russian Federation. IAEA, abgerufen am 9. März 2011 (PDF, englisch).

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