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, bearbeitet von Star-Light. Quelle: NASA.

Nachdem Mitte Juni winzige Haarrisse in den Treibstoffleitungen der Raumfähren Atlantis und Discovery gefunden worden waren, wurde der für den 19. Juli geplante Start der Forschungsmission STS-107 zunächst aus Sicherheitsgründen abgesagt. In den folgenden Wochen untersuchten verschiedene Ingenieurteams der NASA sowie der Herstellerfirma die Shuttle-Triebwerksleitungen bis ins kleinste Detail, um einen möglichst genauen Überblick über Ausmaß und Gefährdungspotential der Risse zu bekommen.
 
Nun konnte die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA verlauten, dass die US-Raumfähren voraussichtlich ab 28. September wieder ihren Flugbetrieb aufnehmen werden: „Wie haben gerade eine Überprüfung der Ergebnisse und Empfehlungen, die die Untersuchungsteams zusammengestellt haben, hinter uns und ich freue mich Ihnen mitteilen zu können das wir – vorbehaltlich der erfolgreichen Beendigung der Reparaturen – planen, die Shuttle-Flüge ab Ende September wieder aufzunehmen“, sagte Ron Dittemore, Manager des Space Shuttle-Programms beim Johnson Space Center in Houston.

Als wahrscheinlichste Ursache für die entdeckten Haarrisse wurde von den Untersuchungsteams Materialermüdung aufgrund der hohen thermischen, akustischen und mechanischen Belastungen genannt. Durch Schweißen und anschließendes Polieren der schadhaften Stellen sollen die betroffenen Bauteile nun wieder dem Ursprungszustand soweit wie möglich angeglichen werden. Insgesamt sollen dadurch drei Risse im Haupttriebwerk von Atlantis und zwei bei der Raumfähre Endeavour entdeckte Risse beseitigt werden. Zusätzlich werden die geringfügig aufgerauhten Kanten der Leitungsansätze poliert, um so der Bildung neuer Haarrisse in Zukunft vorzubeugen.
 
Ursprünglich waren bis zum Ende des Jahres noch drei Shuttle-Flüge vorgesehen: Ein Forschungsflug im Juli und zwei ISS-Montageflüge im August und Oktober. Durch die erfolgten Untersuchungen und die notwendigen Reparaturen haben sich nun nicht nur die Termine, sondern auch die Reihenfolge der Flüge geändert. Die beiden ISS-Montageflüge sind vorgezogen worden, damit der vorgesehene Montageplan für die Internationale Raumstation (ISS) möglichst wenig von den Shuttle-Problemen beeinträchtigt wird.
 
Frühestens am 28. September wird nun die Raumfähre Atlantis zur ISS fliegen, um dort im Rahmen der Mission STS-112 das Trägersegment S1 an das mit dem letzten Shuttle-Flug gelieferte zentrale Element S0-Truss zu montieren und so diese für die Raumstation wesentliche Struktur zu erweitern. Derselben Aufgabe soll die voraussichtlich am 2. November beginnende Mission STS-113 dienen, dessen wichtigste Nutzlast das Trägersegment P1 sein wird. Mit der Endeavour wird gleichzeitig auch die sechste ISS-Besatzung an ihren neuen Arbeitsplatz befördert werden.
 
Als voraussichtlicher Starttermin der Raumfähre Columbia zu ihrer 16-tägigen Forschungsmission STS-107 ist der 29. November festgelegt worden. Theoretisch wäre auch ein etwas früherer Start möglich gewesen, die NASA wollte aber jede Gefährdung der Mission durch den Mitte November seinen Höhepunkt erreichenden jährlichen Leoniden-Meteoritenschauer vermeiden. Der nun genannte Termin ist allerdings noch vorläufig und kann unter Umständen in den Januar 2003 verschoben werden.

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