Die Radio-Nuklid-Batterie

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Definition

Eine Radionuklidbatterie, auch Radioisotopengenerator, Isotopenbatterie, Atombatterie wandelt die thermische Energie oder aber die Betastrahlung bzw. Alphastrahlung des spontanen Kernzefalls eines Radionuklids in elektrische Energie um. Sie gewinnt ihre Energie aus radioaktivem Zerfall, nicht etwa aus einer Kernspaltung mit nachfolgender Kettenspaltung mit nachfolgender Kettenreaktion, und ist daher kein Kernreaktor.

Bei ausschließlicher Nutzung der Wärmeenergie des Zerfalls spricht man von RTG (radioisotope thermoelectric generator).

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.

Wandler

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

Thermoelektrischer Generator Ein Radionuklid erzeugt Wärme und betreibt einen thermoelektrischen Generator, ähnlich einem Peltierelement. Diese Art Isotopengeneratoren ist die gebräucherliste. Er enthält ein oder mehrere radioaktive Heizelemente, die direkt in den Radiosotopengeneratoren eingeschoben werden. Der Radioisotopengenerator besteht aus einem Metallzylinder, in dessen Wand die Thermoelemente eingelassen sind. Es besitzt an siner 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 bis 8 Prozent.

Thermionischer Generator

er nutzt die Glühemission von Elektronen aus einer durch das Radionuklid erhitzten Glühkathode. Wirkungsgrad etwa 10 bis 20 Prozent, allerdings sind hohe Temperatunren von zumindest etwa 750 °C notwendig.

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 bis 30 Prozent, sie degradieren allerdings bei Betrieb mit Radionukliden durch Strahlenschäden ziemlich schnell.

Betavoltaik-Batterien

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 Prozent liegt. Das Thema ist Gegenstand von Forschungen der USAF. Hierbei spielt die Zerfallswärme keine Rolle.

Alphavoltaik-Batterien

sie wandeln Alphastrahlen in elektrische Energie um. Die Zerfallswärme wird ebenfalls nicht genutzt.

Alkalimetall-thermisch-elektrischer Wandler

Er nutzt Komponenten der Natrium-Schwefel-Batterie. Der Aufbau ähnelt einer Brennstoffzellen: 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 Eltron und werden an einem Kodensator verflüssigt. Das flüssige Natrium wird mit Hilfe einer magnetohydrodymischen Pumpe zum Verdampfer transportiert, der Kreislauf beginnt von vorne. Der Wirkungsgrad liegt bei 15 bis 25 Prozent, in Zukunft werden bis zu 40 Prozent für möglich gehalten.

Stirlingmotor

Die von den Radioisotopen erzeugte Wärme treibt einen Stirlingmotor an. Sein Wirkungsgrad (20 bis 30 Prozent) ist höher als bei thermoelektrischen Elementen, im Gegensatz zu thermoelektrischen oder AMTEC-Wandlern benutzt allerdings bewegte Teile. Die inzwishchen entwickelten ,,Advanced Stirling,, RadioisotopeGenerators 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.

Verwendung

Weltall: Bei der Raumfahrt werden zwei verschiedene Generatoren verwendet, einmal RTGs welche als einzige alles mit Strom versorgen, weil sie gut integrierbar in die Sonde sind und für genügend Energie sorgen, dann gibt es noch RHUs, diese heizen die Sonde. Durch die Zuverlässigkeit wurden bis 2010 alle Sonden, die losgeschickt wurden von RTGs betrieben, bis 2011 die erste Sonde(Juno) Solar betrieben losgeschickt wurde, aber das funktionierte nur unter perfekten Bedingungen. Nach dieser Sonde wurden viele Solar betriebene Sonden losgeschickt: Rosetta, Jupiter Icy Moons etc., trotz dieser Erfolge wurden auch RTG betriebene Sonden losgeschickt. Nicht nur Sonden werden mit RTGs betrieben, sondern auch Messstation, welche in den 1970er Jahren aufgestellt wurde.

Erde: - Als die kleine, langlebige Batterien, wie wir sie kennen noch nicht erfunden waren, wurde Dinge wie Herzschrittmacher mit RTGs betrieben. - Dazu hat die UdSSR RTGs genutzt um Leuchttürme und Waffen zu betreiben.

Sicherheit

Weltall: In den Anfangstagen der Raumfahrt wurden RTGs nur mit geringer Abschirmung gebaut. Die Abschirmung war dazu gedacht, die Instrumente des Satellieten ausreichend vor der Strahlung des Radioisotops zu schützen. Da sowieso Schutzmaßnahmen gegen die kosmische Strahlung vorhanden waren, war das eher einfach zu realisieren. Für einen atmospährischen Wiedereintritt waren die RTGs der damalingen Zeit nicht ausgelegt, sie waren vielmehr so gebaut, dass sie im Falle eines Unfalles in der Atmsosphäre verglühen sollten. Die Brennstoffe hätten sich somit als Staub und dann Fall-Out über ein großes Gebiet verteilt. Die darausresultiertende radioaktive Belastung durch eine RTG-Einheit (max. 8kg Brennstoff) wurde angesichts der weltweit stattfindenden Kernwaffentest und der dadurch freigesetzten und produzierten Menge radioaktiven Materiaks (mehrere 100 Tonnen) für venachlässig gehalten. Unfälle von Satelliten mit Kernreaktoren statt Radionuklidbatterien als Energiequelle, wie die sowjetische Kosmos 954, führten allerdings zu einer weit größeren radioaktiven Belastung.

Im Oktober 1963 trat der Vertrag über das Verbot von Kernwaffenversuchen in der Atmospähre, im Weltraum und unter Wasser in Kraft. Die ionisierende Strahlung ging weltweit schnell zurück.

Am 21. April 1964 versagte die Able-Star-Oberstufe einer Thor-DSV2A Able-Star Trägerraketem die die Satelliten Transit 5BN-3 und Transit 5E-3 in den Weltraum bringen sollte. Die Satelliten traten wieder in due Erdatmosphäre ein, wobei in etwa 50 km Höhe die SNAP-9A-Radionuklidbatterie von Transit 5BN-3 verglühte und das Pu mit einer Aktivität von 629 TBq (17.000 Curie) freigesetzt wurde. Es ist bis heute weltweit messbar.

Durch die Wandelung des Bildes der Kerntechnik in den 1960er und 70er Jahren 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 Pupose Heat Source - Radioisotope Thermoelectric Generator) zur Illustration der Sicherheitsmaßnahmen, sie wurden bei Cassini-Huygens, New Horizons, Galileo und Ulysses eingesetzt:

1. Der Brennstoff (Plutoniumdioxid) wird zum Schutz vor Korrosion in Iridiumklötzchen gefüllt. 2. Zwei Brennstoffklötzchen werden in einen kleinen Zylinder aus Graphit gefüllt, mit einer Membran voneinander getrennt und zugeschraubt (Graphite Impact Shell). 3. Zwei dieser Graphitzylinder werden parlell in einen größeren Graphitblock gesteckt, dieser wird zugeschraubt und gegen Herausdrehen gesichert (Aeroshell). 4. Neun deiser Blöcke werden übereinandergestapelt zbd 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.

Das Funtionieren dieser Sicherheitsmaßnahmen wurde bei Nimbus B und Apollo 13 unter Beweis gestellt. Die Thorad-SLV2G Agena-D Rakete von Ninmbus B und der Sekundärnutzlast SECOR 10 musste kurz nach dem Start gesprengt werden. Die Brennstoffkapseln der beiden SNAP 19 RTG von Nibus B hielten trotz der Raketenexplosion dicht und konnten vor der Vandenberg Air Force Base aus dem Meer geborgen werden. Das Pu wurde bei Nimbus 3 wiederverwendet. 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 Pu festgestellt werden: Der Behälter hielt dem Aufprall offentsichtlich stand.

Auch beim Marslander Perseverance wurde ein Mulit-Mission Radioisotope Termoelectric Generator MMRTG zur sicheren Energieversorgung eingesetzt.

Erde: Die Verwendung von radioaktivem Material zur Stromversorgung stieg in den letzten 50 Jahren rasant an, vor allem in der UdSSR wir es kritisch gesehen, von 1976 bis zu den 1990er wurden in der UdSSR 1007 RTG Generatoren gebaut und benutzt. Diese aufgebrachte Strahlung ist in der Menge ist nicht gesund für den Menschen und die weitverbreitete Falschentsorgung hat dies auch nicht gefördert. Die übergebliebenen RTG Generatoren wurden bis 2012 von Frankreich, Norwegen, Kanada und den USA eingesammelt, diese eingesammelten Generatoren wurden dann bei der RosRAO sicher verstaut. Bis 2025 sollen alle Radioisotop Generatoren in Russland eingesammelt sein

Quellen

Textquellen

https://de.wikipedia.org/wiki/Radionuklidbatterie

Bildquellen

Radioisotop Generator: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/72/MHW-RTGs.gif