26.06.2012 / Autor: Ralph-Mirko Richter

Curiositys Energieversorgung

Im Gegensatz zu den bisherigen Rovermissionen auf dem Mars wird Curiosity nicht mit Solarenergie betrieben. Vielmehr erfolgt die Energieversorgung durch eine Radioisotopenbatterie, welche die bei dem natürlichen Zerfall von radioaktiven Nukliden freigesetzte Wärme in elektrische Energie umwandelt.

Der MMRTG

Batterien-Testanlage
(Quelle: INL)
Im Gegensatz zu seinen drei Vorgängermissionen auf dem Mars, den ausschließlich mittels Sonnenenergie betriebenen Rovern Sojourner, Spirit und Opportunity, verfügt der Marsrover Curiosity als Energiequelle über einen Radioisotopengenerator der neuesten Generation, einen sogenannten "Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator" (kurz MMRTG). Dieser MMRTG wandelt die bei dem natürlichen Zerfall von radioaktiven Nukliden freigesetzte Wärmeenergie in elektrische Energie um.

Durch diese Art der Energieversorgung, so die Argumentation der NASA, kann Curiosity während seiner gesamten Operationszeit von mindestens 23 Monaten auf der Marsoberfläche rund um die Uhr und zu jeder Jahreszeit kontinuierlich mit Energie versorgt werden und ist dabei zugleich von dem Wettergeschehen auf dem Planeten unabhängig. Somit ergibt sich theoretisch die Möglichkeit, dass sich die Curiosity-Mission als die am längsten aktive, am weitesten auf der Marsoberfläche gefahrene und von ihrem wissenschaftlichen Output her ergiebigste bisherige Forschungsmission auf der Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten erweisen könnte.

NASA, JPL

Bild vergrößern Eine künstlerische Darstellung des Marsrovers Curiosity. Dessen Energiequelle, der MMRTG, befindet sich an der Rückseite des Rovers (hier rechts im Bild erkennbar).
(Bild: NASA, JPL)
Speziell bedeutet dies, dass ein MMRTG den Vorteil bietet, dass Curiosity auch während des Marswinters (der damit verbundene niedrige Sonnenstand minimiert die Energieaufnahme durch Solarpaneele) oder bei relativ schlechten atmosphärischen Bedingungen (eventuell auftretende Staubstürme verringern die Menge der auf die Planetenoberfläche einfallenden Sonnenstrahlung, so dass weniger Licht die Solarzellen erreicht und in Energie umgewandelt werden kann) aktiv sein wird. Außerdem entfällt bei dieser Art der Energiequelle das während der letzten Jahre bei den Rovern Spirit und Opportunity immer wieder aufgetretene Problem, dass die Solarzellen der Rover im Laufe der Zeit immer mehr mit Staub bedeckt werden, wodurch die täglich generierte Energiemenge auch unabhängig von den gegebenen atmosphärischen oder jahreszeitlichen Bedingungen immer weiter abfällt. Zudem ist ein MMRTG von seinem Gewicht her in seiner Gesamtheit leichter als eine Solarpaneel-Konstruktion, welche eine vergleichbare Energiemenge erzeugen könnte.

Der für die Curiosity-Mission von den Firmen Boeing und Teledyne Technologies Incorporated (TESI) entworfene und gebaute MMRTG basiert in seinem Prinzip auf den Radioisotopengeneratoren, mit denen in der Vergangenheit bereits verschiedenen andere Raummissionen der NASA erfolgreich betrieben wurden beziehungsweise auch gegenwärtig immer noch aktiv sind (unter anderem Pioneer 10/ 11, Viking 1/ 2, Cassini oder New Horizons).

Curiositys Isotopengenerator verfügt über eine Länge von 67 Zentimetern und über einen Durchmesser von 64 Zentimetern. Sein Gesamtgewicht beläuft sich dabei auf 43 Kilogramm. In seinem Inneren befinden sich acht sogenannte "General Purpose Heat Source"-Kapseln (kurz GPHS), welche insgesamt rund 4,8 Kilogramm Plutoniumdioxid enthalten. Durch den natürlichen Zerfall des darin enthaltenen Radionuklids Plutonium-238 - dieses verfügt über eine Halbwertzeit von 87,7 Jahren - werden in der Anfangsphase der Mission kontinuierlich etwa 2.000 Watt Wärmeenergie freigesetzt. Diese Wärme wird anschließend mittels verschiedener Thermoelemente in 115 Watt elektrische Energie umgewandelt, was einer Effizienz des Systems von etwa sechs Prozent entspricht.

Die Mindestlebensdauer des MMRTG wird von den Herstellern mit einem Zeitraum von 14 Jahren veranschlagt. Bis dahin, so die Berechnungen der an der Mission beteiligten Ingenieure, wird der Ausstoß an gelieferter elektrischer Energie auf einen Wert von dann noch etwa 100 Watt pro Tag absinken. Die dabei erzeugte Gleichspannung liegt bei 28 Volt, was zugleich auch der elektrischen Spannung des Bordnetzes von Curiosity entspricht.

NASA, DOE

Bild vergrößern Der schematische Aufbau des MMRTG von Curiosity
(Bild: NASA, DOE)
In der Anfangsphase der Mission soll der MMRTG von Curiosity auf diese Weise pro Marstag rund 2,5 Kilowattstunden Energie generieren. Die beiden Rover Spirit und Opportunity konnten dagegen mittels ihrer Solarpaneele, welche über eine Gesamtfläche von jeweils 1,3 Quadratmetern verfügen, selbst unter optimalen Bedingungen nur selten mehr als 0,9 kWh pro Sol generieren. Der in seinen Abmessungen nochmals deutlich kleinere Rover Sojourner musste während seiner Marsmission im Jahr 1997 sogar mit lediglich maximal 0,1 kWh pro Sol auskommen.

Die bei dem natürlichen Zerfall des Plutoniumdioxids freigesetzte Wärme wird zugleich auch als eine Art "natürliche" Wärmequelle genutzt, um während der erwarteten kalten Marsnächte - die Wissenschaftler der NASA gehen davon aus, dass die Außentemperaturen im Operationsgebiet von Curiosity zu bestimmten Zeitpunkten während des Marswinters auf Werte von bis zu unter minus 100 Grad Celsius absinken werden - ein Auskühlen des Roverinneren zu vermeiden. So können die im Roverchassis platzierten empfindlichen elektronischen Bauteile des Rovers permanent auf einer optimalen Betriebstemperatur gehalten werden, ohne das hierfür die zusätzlich vorhandenen, jedoch relativ energieintensiven internen Heizelemente aktiviert werden müssen.

Die Batterien des Rovers

Allerdings ist Curiosity nicht ausschließlich von der zu einem bestimmten Zeitpunkt durch das MMRTG gelieferten Energiemenge abhängig. Um auch mehrere in ihrer Einzelheit relativ energieintensive Arbeiten zeitgleich zu tätigen oder verschiedenen Systeme und Instrumente parallel betreiben zu können, ist Curiosity zusätzlich mit zwei Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, welche über eine Kapazität von jeweils 20 Amperestunden verfügen. Der Hersteller dieser Batterien, die Firma Yardney Technical Products Inc., war unter anderem bereits für die Entwicklung und den Bau der Batterien verantwortlich, welche bei den vorherigen Marsrovern Spirit und Opportunity sowie bei dem Marslander Phoenix eingesetzt wurden.

Die Sicherheit beim Start

NASA, DOE

Bild vergrößernDer schematische Aufbau der "General Purpose Heat Source"-Kapseln.
(Bild: NASA, DOE)
Da das in dem MMRTG enthaltene Plutoniumdioxid hochgradig radioaktiv und für Menschen und Umwelt giftig ist, wurde von der NASA im Vorfeld der Curiosity-Mission ein mehrschichtiges Sicherheitskonzept entwickelt und ungesetzt. Speziell ging es hierbei darum, zu verhindern, dass bei einem eventuellen Fehlstart der Trägerrakete und einem damit verbundenen unkontrollierten Absturz radioaktives Material in die Umwelt freigesetzt wird und diese kontaminiert wird.

Das Plutoniumdioxid bildet aufgrund seiner chemischen Eigenschaften eine keramische Struktur. Wären die einzelnen Plutoniumblöcke in Folge eines Fehlstarts durch die dabei auftretenden mechanischen Belastungen (unkontrollierter Aufschlag auf dem Boden) zerstört wurden, so wäre es dabei nicht zu feinem Staub zerfallen. Vielmehr wäre es in eine Vielzahl kleinerer Bruchstücke zerbrochen, welche allerdings zu groß ausgefallen wären, um anschließend von Menschen inhaliert zu werden. Zugleich hätte das Plutoniumdioxid auch den bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre auftretenden Temperaturen wiederstehen können, ohne dabei zu verdampfen. Zudem reagiert das Material auf chemischen Wege nur unwesentlich mit den in der irdischen Atmosphäre enthaltenen Stoffen oder mit Wasser.

Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme wurde das radioaktive Material in die acht "General Purpose Heat Source"-Kapseln verpackt, welche jeweils über eine eigene Abschirmung in Form eines kleinen, separaten Hitzeschildes und eines bruchsicheren Gehäuses verfügen. Zusätzlich wurde das verwendete Plutoniumdioxid dabei nochmals in jeweils vier verschiedenen Pellets aufgeteilt. Somit verringerte sich die so bereits minimale Bruchgefahr im Vergleich zu einem einzigen und somit auch größeren "Plutoniumklumpen" nochmals. Innerhalb dieser Pellets ist das Plutoniumdioxid von verschiedenen Schichten unterschiedlicher Materialien umgeben, welche durch ihre jeweils hohen Schmelzpunkte und ihre Wiederstandsfähigkeit gegenüber einer Korrosion den Austritt radioaktiven Materials verhindert hätten.

Die NASA gab im Vorfeld des Starts der Curiosity-Mission die Wahrscheinlichkeit einer Freisetzung von radioaktiv strahlendem Material im Falle eines Fehlstarts mit einem Wert von 0,4 Prozent an. Selbst in diesem unwahrscheinlichen Fall hätte die dabei auftretende radioaktive Belastung in dem potentiell kontaminierten Gebiet bei einem Wert von lediglich 0,05 bis maximal 0,10 Millisievert gelegen. Dies entspricht in etwa der Strahlendosis, welcher sich ein Patient bei einem Zahnarztbesuch im Rahmen einer Röntgenuntersuchung des Kiefers aussetzt.

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