Hinter den Kulissen , barrierefrei , Jugendliche / junge Erwachsene , Workshop
von Matthias Knopp
Am 18. Februar 2021 landete der etwa PKW große Mars-Rover Perseverance der NASA im Jezero-Krater auf dem Mars – ein großer Erfolg für die amerikanische Raumfahrt. Das komplizierte Lande-Manöver mit Abbremsschild, Fallschirm, Bremsraketen und Seilsystemen funktionierte vollautomatisch und reibungslos.
Rund 11 Minuten brauchten die Funksignale vom Mars zur Erde, keine Chance die Landung aktiv von der Erde aus zu steuern. Es dauerte nur wenige Minuten, bis der gelandete Mars-Rover erste kleine Fotos übertrug, die letzten eindeutigen Beweise für die geglückte Landung.
Mars-Rover Perseverance (Grafik) auf dem Mars. Ganz rechts ist die leicht nach oben abstehende Radionuklidbatterie zu erkennen. Bild: NASA
Oft herrscht die allgemeine Meinung, dass Raumfahrtgeräte wie Satelliten und Raumsonden ihre Energie ausschließlich von Solarzellen beziehen. Gerade bei Raumsonden und auch bei Mars-Fahrzeugen garantieren Solarzellen aber keine ausreichende Energieversorgung. Der erfolgreiche amerikanische Mars-Rover Opportunity gab 2018 seinen Geist auf, weil seine Solarzellen von einem Staubsturm außer Funktion gesetzt wurden und nicht mehr funktionierten. Raumsonden zu den fernen Planeten Jupiter und Saturn können auch keine Solarzellen mehr verwenden, weil die Sonne schon zu weit weg ist.
Radionuklidbatterie des Mars-Rovers Perseverance. Die einzelnen Teile sind zur besseren Verständlichkeit auseinandergezogen. Die Kühlbleche strahlen die überschüssige Wärme ab und vermeiden so eine Überhitzung der Batterie. Bild: NASA
Hier kommt die Radioaktivität als Energiequelle ins Spiel. Die Energielieferanten der Raumsonden sind Radioisotopengeneratoren, auf englisch „Radioisotope Thermoelectric Generator, abgekürzt RTG. Hier wird die beim radioaktiven Zerfall entstehende Wärme über den Seebeck-Effekt direkt in elektrische Energie umgewandelt.
Der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte 1821 den thermoelektrischen Effekt, der später nach ihm benannt wurde. Es ist ein Phänomen, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Substanzen erzeugt.
Radionuklidbatterien sind also eine Kombination von radioaktiven Isotopen, die über ihre Zerfallswärme eine Temperaturdifferenz in geeigneten Materialien erzeugen. Sie sind klein, kompakt und kommen ohne bewegliche Teile aus. Sie sind autonom, wartungsfrei und können über Jahre bis Jahrzehnte hinweg elektrische Energie liefern.
Glühendes 238Plutoniumdioxid Pellet. Der Alpha-Zerfall erzeugt soviel Wärme, dass das Plutonium anfängt zu glühen. Bild: US Department of Energy
Der Mars-Rover Perseverance, wie auch verschiedene seiner Vorgänger, verwenden das Plutonium-Isotop 238Pu mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren. Das radioaktive 238Pu zerfällt über Alpha-Strahlung. Die im Material abgebremsten Alpha-Teilchen deponieren dabei ihre kinetische Energie in Form von Wärme. Ein Alpha-Strahler lässt sich außerdem leicht abschirmen, man will schließlich die empfindlichen Instrumente des Rovers nicht durch radioaktive Strahlung verfälschen. 238Pu entsteht nicht als Abfall im Kernreaktor sondern wird durch Neutronen-Bestrahlung des bei der Kernwaffenproduktion entstehenden Isotops 237Neptunium erzeugt.
Der Einsatz von Radionuklidbatterien und die Gefahr einer Kontamination bei einem missglückten Start hat immer wieder zu Umweltprotesten geführt. Das radioaktive 238Pu liegt als Plutoniumdioxid in keramischer hitzebeständiger Form vor und ist stark gekapselt, um einen Ritt durch die Atmosphäre im Fall eines Unfalls zu überstehen. Trotzdem sind die Sorgen von Umweltschützern bezüglich einer Verbreitung des hochgefährlichen Plutioniums bei einem Unfall berechtigt.
Perseverance verwendet 4,8 kg Plutonium. Die Radionuklidbatterie erzeugt ca. 100W konstante elektrische Leistung, die nur langsam über die Jahre abnimmt. Sie speist damit 2 Lithium-Ionen-Batterien, die für energieaufwändige Experimente kurzzeitig höhere Leistungen liefern können.
Erstes Foto vom gerade gelandeten Mars-Rover Perseverance vom 18.Februar 2021. Bild: NASA
Die am längsten im Weltraum verwendeten Radionuklidbatterien befinden sich übrigens auf den Pioneer- und Voyager-Raumsonden, die längst das Sonnensystem verlassen haben. Nach 43 Jahren ist allerdings die elektrische Leistung der Voyager-Sonden von ursprünglich 470W auf 249W abgefallen. Sie belegen eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit dieser Energiequelle für Raumfahrtzeuge. Geräte wie der Mars-Rover Perseverance werden mit nur allen erdenklichen Mitteln möglichst steril gemacht, um keine organischen oder gar lebende Materialien auf den Mars einzuschleppen. Trotzdem müssen wir uns eingestehen, dass wir auf dem Mond und dem Mars schon radioaktiven Müll hinterlassen haben, wie z. B. die Radionuklidbatterien des Apollo-Projekts oder der Viking-Sonden aus den siebziger Jahren. Hoffen wir, dass die wissenschaftlichen Ergebnisse den Einsatz des gefährlichen Plutoniums auf dem Mars rechtfertigen werden.
Für den Hausgebrauch ist eine Radionuklidbatterie übrigens nicht zu empfehlen. Die Kosten für 1 kg 238Plutonium dürften so um die 10 Mio. US$ liegen. Viele Jahre verwendete man auf Halde liegendes Material aus der Ära der Kernwaffenproduktion aus Russland und den USA. Jetzt versucht man wieder vermehrt 238Plutonium zu produzieren, weil der Bedarf für Raumfahrtmissionen steigt. Im Moment dürfte die US-Produktion allerdings nur in der Größenordnung von 1 kg pro Jahr liegen.
Dr. Matthias Knopp ist ehemaliger Leiter der Hauptabteilung Luft-, Raum-, Schifffahrt und ehemaliger Kurator für die Ausstellung Raumfahrt. Er hat die nachweislich erste E-Mail aus dem Deutschen Museum verschickt und 1995 das Museum mit einer eigenen Webseite ins Internet gebracht.
