Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ORNL.

Mit der Herstellung der Plutonium-238-Probe entstand zum ersten Mal seit rund 30 Jahren in den USA wieder derartiges für den Einsatz in Radioisotopengeneratoren (Radioisotope Thermoelectric Generators, RTGs) geeignetes Material.

Das Plutonium-Isotop Plutonium-238 mit einer Halbwertszeit von rund 87,7 Jahren kann in RTGs an Bord von Raumsonden und Landern zur Erzeugung von Wärme verwendet werden. Die von Plutonium-238 abgestrahlte Wärme aus dem spontanen Zerfall von Plutoniumkernen sorgt für den nötigen hohen Temperaturunterschied, mit dem Thermoelemente Strom erzeugen können.

Die jetzt in den USA im ORNL in Oak Ridge im US-Bundesstaat Tennessee hergestellte Probe besteht aus genau dem Oxid, das in den USA auch bei der Konstruktion der Wärmequellen für RTGs bisher benutzt wurde. Zuletzt gewannen die USA derartiges Material in einem Anlagen-Komplex am Fluss Savannah, der sogenannten Savannah River Site (SRS), im Bundesstaat South Carolina, wo in den 1980er Jahren die Produktion eingestellt wurde. 1984 endete der Betrieb der Plutonium Fuel Form Facility (PuFF), einer Anlage zur Formung von Plutonium-Pellets. Der dort benötigte Reaktor K war schließlich zu Beginn der 1990er nicht mehr verfügbar.

Das Material aus der neuen Probe wollen Wissenschaftler nun auf seine chemische Reinheit hin untersuchen. Im Anschluss steht die Wirksamkeit des Herstellungsprozesses auf dem Prüfstand. Gegebenenfalls müssen Anpassungen vorgenommen werden, wenn der Prozess zur Herstellung größerer Mengen des Produkts skaliert wird.

Bob Wham, Projektleiter der Nuclear Security and Isotope Technology Division des ORNL, ist davon überzeugt, dass man zu einer langfristigen Fähigkeit zur Produktion von Plutonium-238 für Energieversorgungssysteme, wie sie die NASA zum Beispiel an Bord von Tiefraumsonden nutzt, kommt, wenn der Herstellungsprozess automatisiert und hochskaliert wird.

Die gelungene Herstellung der Probe ist Ergebnis eines vor etwa zwei Jahren begonnenen Programms, bei dem die NASA das Büro für Atomenergie des Energieministeriums der Vereinigten Staaten (United States Department of Energy, DOE) mit rund 15 Millionen US-Dollar pro Jahr unterstützt.

Der Produktionsprozess, wie man ihn jetzt vorsieht, beginnt im Idaho National Laboratory (INL), das derzeit über eine gewisse Menge von eingelagertem Neptunium-237 verfügt. Das INL besorgt die bedarfsgerechte Versorgung des ORNL mit einem Neptunium-237-Oxid.

Im ORNL wird das erhaltene Oxid mit Aluminium vermischt und unter hohem Druck zu Pellets – Tabletten – mit hoher Dichte gepresst. Typischerweise 52 solcher Tabletten füllen Aluminiumrohre, auch Targets (Ziele) genannt, die nach ihrer Versiegelung der Bestrahlung zugeführt werden.

Im High Flux Isotope Reactor (HFIR) des ORNL werden die Tabletten bestrahlt, wobei nach Aufnahme eines Neutrons das Isotop Neptunium-238 entsteht. Letzteres zerfällt unter Abgabe von Betastrahlung schnell zu Plutonium-238.

Die bestrahlten, plutoniumhaltigen Aluminiumrohre werden dann im ORNL zunächst mit Natronlauge aufgelöst und ein weiterer chemischer Prozess ermöglicht es, das Plutonium aus den Pellets unter Verwendung von Salpetersäure vom verbliebenen Neptunium – welches im Prozess wieder verwendet werden kann – und anderem Material zu trennen. Das gewonnene Plutonium wird anschließend in Oxidform überführt.

Das Plutoniumoxid lagert man dann im Los Alamos National Laboratory (LANL), bis es für die Konstruktion einer Wärmequelle für eine Raumfahrtmission benötigt wird.

Nach aktuellen Angaben des ORNL verfügen die USA derzeit noch über ein Inventar von 35 Kilogramm Plutonium-238 für Missionen der NASA. Davon entspricht nur noch etwa die Hälfte Spezifikationen hinsichtlich der Energieabgabe. Das aktuelle verfügbare Plutonium reicht vermutlich noch bis in die Mitte der 2020er für zwei oder drei von der NASA vorgeschlagene Missionen.

Mit neu zu produzierendem Material hofft man dasjenige, das nicht mehr den Spezifikationen entspricht, strecken zu können. Auf diese Weise will man das nutzbare Inventar zügig vergrößern, ist die Produktion erst einmal angelaufen.

Besteht die Finanzierung des Programms wie bisher fort, könnten ORNL und INL den Bedarf der NASA befriedigen, teilte das ORNL mit. Zunächst würden zwischen 300 und 400 Gramm des benötigten Materials pro Jahr entstehen. Mit einem höheren Automatisierungsrad könnte später ein Ausstoß von durchschnittlich 1,5 Kilogramm pro Jahr erreicht werden.

Bob Wham freut sich darüber, dass man nachgewiesen habe, dass der ausgewählte Herstellungsprozess funktioniere und ist sich sicher, dass man bereit ist für die nächsten Schritte im Programm.

Die nächste NASA-Mission, bei der auf einen RTG zurückgegriffen werden soll, ist die des Mars-2020-Rovers. Dieser Rover soll unter anderem die Suche nach Leben auf dem Mars fortsetzen, Technologien erproben, die bei künftigen bemannten Mars-Missionen eine Rolle spielen könnten, sowie Boden- und Gesteinsproben sammeln, die später vielleicht einmal zur Erde gebracht werden.

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• Plutonium für RTG

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA, DOE, SRS.

Seit den 1970er Jahren verwendet die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtorganisation (NASA) das Plutonium-Isotop Pu 238 mit einer Halbwertszeit von rund 87,7 Jahren in Radioisotopengeneratoren (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) an Bord von Raumsonden und Landern zur Erzeugung von Wärme. Die von Pu 238 abgestrahlte Wärme aus dem spontanen Zerfall von Plutoniumkernen sorgt für den nötigen hohen Temperaturunterschied, mit dem Thermoelemente schließlich Strom erzeugen können.

Die beiden ersten US-amerikanischen Marslander beispielsweise, Viking 1 und Viking 2, nutzten je zwei RTGs zur Stromversorgung. Jeweils vier RTGs vom Typ SNAP-19 ermöglichten Pioneer 10 und Pioneer 11 die ersten Forschungsflüge in das äußere Sonnensystem. Die beiden Voyager-Sonden, die unser Sonnensystem gerade verlassen, können dank je drei MHW-RTGs an Bord noch heute Daten aus größter Entfernung zur Erde senden (MHW steht für Multihundred-Watt – mit vielen hundert Watt).

Galileo flog mit zwei GPHS-RTGs zum Jupiter und Cassini meldet sich noch heute regelmäßig aus einer Umlaufbahn um Saturn dank Strom aus drei GPHS-RTGs (GPHS steht für General Purpose Heat Source – Wärmequelle für universelle Nutzung). NASAs jüngstes außerhalb der Erde im Einsatz befindliches RTG-System ist die auch als MMRTG für Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator bezeichnete Anlage, die dem kleinwagengroßen Marsrover Curiosity gerade den Beginn ausgedehnter Exkursionsfahrten ermöglichte.

Bis Ende der 1980er betrieben die USA eine eigene Herstellung von Pu 238. Die zur Bestrahlung von Ausgangsmaterial, Targets aus Neptunium 237, erforderlichen Reaktoren, deren Hauptzweck die Bereitstellung von sogenanntem waffenfähigen Plutonium (Pu 239) waren, wurden aus Gründen der Sicherheit und des Umweltschutzes Ende der 1980er abgeschaltet. Der K-Reaktor der sogenannten Savannah River Site (SRS) im Bundesstaat South Carolina, in dem der größte Teil des von der NASA verbrauchten Pu 238 entstand, wurde Anfang der 1990er heruntergefahren.

Schon 1984 war der Betrieb der Plutonium Fuel Form Facility (PuFF), einer Anlage zur Formung von Plutonium-Pellets, sie arbeitete seit 1979 im in den 1950ern errichteten Gebäude 235-F der SRS, eingestellt worden. Bis 2010 konnte die USA das benötigte Material für die umgangssprachlich gelegentlich Atombatterien genannten Stromerzeuger aus Russland beziehen, doch dann versiegte auch diese Bezugsquelle.

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten (United States Department of Energy, DOE) und die NASA bemühen sich angesichts der zur Neige gegangenen Vorräte von Pu 238 für Raumfahrtanwendungen um die Wiedereinrichtung einer US-amerikanischen Herstellung des Materials. Jetzt vorliegende Ergebnisse von Tests mit kleinsten Mengen Ausgangsmaterial sollen vielversprechend sein.

Nach Angaben von Jim Green, dem Leiter der Sparte Planetenwissenschaft der NASA, habe das DOE durch die rund einen Monat dauernden Bestrahlung des Ausgangsmaterials Neptunium in einem Reaktor des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee erfolgreich Plutonium erzeugen können, was einen entscheidenden Schritt darstelle. Die Bestrahlung erfolgte in einem Reaktor namens High Flux Isotope Reactor (HFIR), der einen hohen Neutronenfluss bereitstellt.

Laut Green erwarte man bei der NASA im Verlauf des Jahres 2013 Berichte des DOE hinsichtlich einer konkreten Produktionsplanung, die die künftige Bereitstellung von jeweils rund 1,5 Kilogramm neu generierten Plutoniums pro Jahr vorsehe.

Eine Nutzung lange gelagerten alten Materials soll die Mischung mit neu erzeugtem Pu 238 ermöglichen. Bei einer Mischung aus einem Teil neuen Materials mit zwei Teilen alten Materials ergebe sich, so Green, eine für die vorgesehenen Anwendungen ausreichende Energiedichte.

Unter den Raumfahrtmissionen der NASA, bei welchen künftig Plutonium zum Einsatz kommen könnte, ist auch der nächste große Marsrover, der Nachfolger von Curiosity. Aktuell ist der Start dieses Gefährts für das Jahr 2020 vorgesehen.

Auch wenn man an einem Stromerzeuger mit einem deutlich höheren Wirkungsrad, dem sogenannten Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) arbeitet, bei dem die Zerfallswärme zum Betrieb eines Stirlingmotors genutzt wird, und der vielleicht verfügbar ist, wenn Curiositys Nachfolger entsteht, wird man möglicherweise auf die ältere, bereits erprobte Technik zurückgreifen. Dafür spreche laut Green, dass ein arbeitender ASRG weniger nützliche, der Heizung des Inneren des Rovers dienliche Abwärme verursache als ein herkömmlicher RTG.

Pro Kilogramm Pu 238 wird ein ASRG rund die vierfache Menge elektrische Energie erzeugen können, wie ein herkömmlicher Radioisotopengenerator ohne bewegliche Teile, schätzt man heute.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: NASA/JPL.

Am Montag wurden die beiden Inertialsensoren (IMUs) in der Abstiegsstufe des Mars Science Laboratory konfiguriert, gemeinsam mit anderen Kontrollparametern für Atmosphäreneintritt, Abstieg und Landung. Bei den IMUs handelt es sich um elektronische Geräte, die die Abstiegsstufe des Raumfahrzeugs steuern und dabei ihre Geschwindigkeit, Ausrichtung und Gravitationskräfte messen. Die Abstiegsstufe leistet ihre Hauptarbeit während der letzten Minuten vor der Landung auf dem Mars, wobei sie die Sinkgeschwindigkeit nach Abtrennung des Landefallschirms mit Raketentriebwerken reduziert und die Telekommunikation in zwei verschiedenen Frequenzbändern während der finalen Phase der Ankunft auf dem Mars sicherstellt. Weiterhin wurden verschiedene Updates der Kommunikationsparameter für die Oberflächenoperation von Curiosity in den Hauptcomputer des Rovers geladen.

Am Dienstag wurden die beiden Lithium Ionen-Akkus des Rovers in Vorbereitung der Landung auf 100 Prozent ihrer Kapazität geladen. Die hierfür notwendige Energie lieferten die Solarzellen des Flugmoduls (engl. „Cruise Stage“). Während des bisherigen Flugs lag der Ladezustand der Akkus konstant bei 70 Prozent. Die beiden Akkus mit einer Kapazität von jeweils 42 Amperestunden werden während der Curiosity-Mission auf dem Mars dazu dienen, kurzzeitige Verbrauchsspitzen abzudecken, die die Leistung des Radioisotopengenerators (engl. Abk. „MMRTG“) in Höhe von 115 Watt übersteigen. Den Planungen der NASA zufolge wird dies relativ häufig eintreten, so dass die Leistung der beiden Akkus mehrmals pro Marstag in Anspruch genommen werden wird.

Ein anderer wichtiger Meilenstein an diesem Tag war die erfolgreiche Anpassung der Umlaufbahn des Orbiters Mars Odyssey, der bereits seit über zehn Jahren um den Roten Planeten kreist. Dadurch wird Mars Odyssey als einziger der drei aktiven Mars-Orbiter während der Landung von Curiosity in der Lage sein, Funksignale in Echtzeit zur Erde zu übermitteln.

Der Mittwoch stand ganz im Zeichen einer Überprüfung des Landeradars von Curiosity. Während Curiositys Landung wird dieses in der Abstiegsstufe montierte Radar ab einer Höhe von etwa acht Kilometern über Grund kontinuierlich wichtige Daten zur Höhe und Abstiegsgeschwindigkeit liefern.

Nachdem am Donnerstag und Freitag außer der routinemäßigen Bahnverfolgung von Curiosity durch das Deep Space Network der NASA keine weiteren Aktivitäten auf dem Programm standen – und damit dem Flight-Team vor den anstrengenden Tagen der „heißen Landephase“ eine wohlverdiente Pause ermöglicht wurde – stand am Samstag erneut eine minimale Kurskorrektur an. Mit zwei zusammen nur sieben Sekunden andauernden Zündungen der Manövriertriebwerke des Flugmoduls von Curiosity wurde die Fluggeschwindigkeit dabei um gerade einmal einen Zentimeter pro Sekunde verändert – genug, um den Eintrittspunkt des Mars Science Laboratory in die Marsatmosphäre am 6. August um rund 21 Kilometer in die gewünschte Richtung zu verschieben.

In den letzten 48 Stunden vor der Landung existieren noch zwei weitere Möglichkeiten zur Kurskorrektur, falls sich dies als notwendig erweisen sollte. Nicht zuletzt können geringfügige Abweichungen des Eintrittspunkts in die Marsatmosphäre dann auch noch während des Flugs durch die Lufthülle des Roten Planeten korrigiert werden.

Die am Samstag erfolgreich durchgeführte Kurskorrektur markiert gleichzeitig den Beginn der finalen Anflugphase.

In den kommenden Tagen bis zur Landung werden wir Sie auf unserer Curiosity-Sonderseite weiterhin mit den neuesten Statusmeldungen des Jet Propulsion Laboratory der NASA auf dem Laufenden halten.

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• MSL-Rover Curiosity (Einstieg 23.08.2012)

Der Beitrag Curiosity: Status Reports der 30. Kalenderwoche erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA, raumfahrer.net, space.com.

Seit Ende der achtziger Jahre steht die Plutonium-238-Herstellung in den Vereinigten Staaten von Amerika, und vorhandene Vorräte haben aus Sicht von Planetenwissenschaftlern, die das radioaktive Isotop seit fünf Jahrzehnten zur Energieerzeugung an Bord von Sonden, Landern und Rovern einsetzen, besorgniserregend abgenommen.

Das US-amerikanische Energieministerium (Department of Energy, DOE) als Plutonium-Lieferant der NASA arbeitet an eine Wiederaufnahme der Produktion. Im März 2012 teilte Wade Carroll, stellvertretender DOE-Direktor des Bereichs für Energieversorgungsysteme für Militär und Raumfahrt, anlässlich einer Konferenz im texanischen The Woodlands mit, man habe mit den Vorbereitungen zur Realisierungen einer eigenen neuen Plutonium-Herstellung begonnen.

Nach Angaben von Carroll wird es fünf oder sechs Jahre dauern, bis neu produziertes Plutonium 238 zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu Plutonium 239 wird es üblicherweise nicht zum Bau von Waffen eingesetzt. Die von Plutonium 238 abgestrahlte Wärme aus dem spontanen Zerfall von Plutoniumkernen kann in Radioisotopengeneratoren (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden.

Radioisotopengeneratoren besorgten und besorgen die Stromversorgung zahlreicher NASA-Missionen in den Tiefen des Alls. Jüngste Beispiele sind die Sonde New Horizons, die im Jahr 2008 zum Pluto aufbrach, um ihn im Jahr 2015 während eines Vorbeiflugs intensiv zu untersuchen, und der Rover Curiosity, der seit 2011 Richtung Mars fliegt und dort ab Herbst 2012 der Erforschung des roten Planeten eine neue Qualität geben soll.

Das DOE gab bezüglich der derzeitigen Menge an vorrätigem Plutonium 238 bisher keine öffentlichen Erklärungen heraus, doch glauben einige Planetenforscher, dass die Bestände seit der Ausrüstung von Curiosity mit 4,8 Kilogramm Plutoniumdioxid mehr oder weniger erschöpft sind.

Laut Alan Stern, leitender Wissenschaftler bei New Horizons, reicht das aktuell verbliebene Plutonium 238 für höchstens eine weitere Mission. Stern hält es für unverantwortlich, dass eine derartige Knappheit zugelassen wurde. Offizielle Verlautbarungen der NASA sagen, dass man über ausreichend Plutonium 238 für die Ausrüstung aller geplanten Missionen bis etwa 2020 verfüge.

Weil die Erzeugung von Plutonium 238 einen gewissen Aufwand bedeutet und recht langwierig ist, setzt sich Stern mit Kollegen intensiv für eine baldige Produktionsaufnahme ein. Dabei gilt es, zunächst in Kernreaktoren aus Uran 235 Neptunium 237 herzustellen, dass sich nach der Trennung vom Reaktorbrennstoff durch anschließende Bestrahlung verpackt in speziellen Brennstäben in einem Kernreaktor in Plutonium 238 umwandeln lässt.

In den vergangenen Jahren haben DOE und NASA um die erforderlichen finanziellen Mittel für eine neuerliche Plutonium-238-Produktion gebeten. Die Institutionen vermuten Kosten zwischen 75 und 90 Millionen US-Dollar in einem Zeitraum von fünf Jahren. Die Kosten wollen DOE und NASA unter sich aufteilen. Der NASA wurden vom US-Kongress für 2012 und 2013 jeweils 10 Millionen US-Dollar genehmigt, Mittelanfragen des DOE für die Plutonium-238-Produktion wurden in den letzten drei Jahren regelmäßig abschlägig beschieden.

Trotz fehlender Finanzierungszusagen hat das DOE laut Wade Carroll bereits einige Planungs- und Entwicklungsarbeiten vornehmen können. Die insgesamt 20 Millionen US-Dollar der NASA plant man dem DOE zur Verfügung zu stellen, berichtete Leonard Dudzinski, der sich bei der NASA als Programmmanager mit Radioisotopengeneratoren beschäftigt, auf der Konferenz in Texas. Dudzinski ist zuversichtlich, dass es schließlich wieder möglich sein wird, jährlich einige Kilogramm Plutonium 238 zu erzeugen. Vorgenommen habe man sich, pro Jahr zwischen 1,5 und 2 Kilogramm zu gewinnen, was ausreichend für die Versorgung der anstehenden Planetenmissionen der NASA sein sollte.

Wollten künftige bemannte Raumfahrtmissionen auf Radioisotopengeneratoren zurückgreifen, ist eine höhere Jahresproduktion erforderlich. Derzeit liegen jedoch keinerlei verbindliche Planungen vor, die besagen, wo und wie US-amerikanische Raumfahrer noch einmal den Erdorbit verlassen werden. Auf dem Mond kamen im Rahmen des Apollo-Programms Radioisotopengeneratoren zum Einsatz, um eine Phalanx von Messgeräten und Instrumenten jeweils über einen längeren Zeitraum mit Strom zu versorgen.

Der Beitrag Endet Plutonium-Knappheit für US-Raumfahrzeuge bald? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von David Langkamp

Doch was auf der Erde gilt, gilt im Weltraum erst recht. Missionen zu anderen Planeten wären ohne Energie für die Kommunikation, die wissenschaftlichen Geräte, die Steuerung usw. absolut nicht denkbar. Der Energiebedarf ist hierbei nicht unbeträchtlich. So braucht beispielsweise die Europäische Kometensonde Rosetta, deren Start kürzlich aufgrund der Ariane 5 Probleme verschoben wurde, zur Durchführung ihrer Mission eine elektrische Leistung von 300 Watt – weit mehr als ein Akku über diese Zeit hinaus liefern könnte.
 
Im Falle von Rosetta wird die benötigte Energie durch Solarzellen bereitgestellt. Oft bietet sich diese zuverlässige und erprobte Methode an. So beziehen praktisch alle Satelliten im Erdorbit ihre Energie von der Sonne. Neben den modernen Hochleistungsphotovoltaikzellen, welche auch auf der Internationalen Raumstation (ISS) im Einsatz sind, wären auch Solargeneratoren denkbar.
 
Während wir auf der Erde die Möglichkeit haben, Strom aus der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle oder Erdöl zu beziehen, besteht diese Möglichkeit im Weltall nicht. Die Versorgung längerer Weltraummissionen mit fossilen Energieträgern wäre ein schier hoffnungsloses Unterfangen.

Schließlich bleibt als Möglichkeit neben der Sonnenenergie nur noch die nukleare Alternative. Kernreaktoren, welche im Weltall arbeiten können, befinden sich bei der NASA im Rahmen ihrer Nuklearinitative Prometheus in Entwicklung. Bei der Energieversorgung von Deep Space Missionen kommen RTGs, sogenannte Radioisotopengeneratoren, zum Einsatz.
 
RTGs sind leichte, kompakte und zuverlässige Energiequellen für Raumfahrzeuge. Sie sind aber keine Kernreaktoren im eigentlichen Sinne. Zur Stromerzeugung nutzen sie den natürlichen radioaktiven Zerfall von Plutonium 238. Die entstehende Abwärme des Zerfalls wird dann von thermoelektrischen Energiewandlern in Strom umgewandelt. Das Plutoniumisotop 238 ist nicht waffentauglich.
 
Viele Raumfahrtmissionen stützten sich schon auf RTGs als Energiequellen. So zum Beispiel die amerikanische Viking-Sonde, welche nach Leben auf dem Mars suchte. Auch Missionen wie die Voyager-Sonden und die Pioneer-Flüge zu Jupiter und Saturn wurden erst durch RTGs als Energiequellen möglich.
 
Doch die Verwendung radioaktiven Materials zur Energieversorgung von Raumsonden ist nicht unumstritten. Beim Start der Cassini-Sonde Ende der 90er liefen Umweltschützer Sturm. Auf ihrer Mission zum Saturn führte die Sonde einen Swing-By an der Erde durch um genug Schwung für ihre lange Reise zu gewinnen. Umweltschützer fürchteten im Falle eines Scheiterns eine radioaktive Verseuchung der Erde durch das Plutonium des RTGs. Jedoch hatte die NASA die Manöver sehr genau berechnet und alles verlief nach Plan.

Der Beitrag Radioisotopengeneratoren erschien zuerst auf Raumfahrer.net.