Radioisotopengenerator
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Ein Radioisotopengenerator, auch Isotopenbatterie oder Atombatterie genannt, engl. radioisotope thermoelectric generator (RTG), gewinnt Elektrizität aus Wärme, die beim natürlichem Zerfall von radioaktiven Isotopen entsteht. Es besteht aus dem radioaktiven Heizelement (engl. radioisotope heating unit (RHU) oder general purpose heat source (GPHS)), und dem thermoelektrischen Generator.
In Isotopen-Generatoren findet keine Kernspaltungs-Kettenreaktion statt, sie sind daher von Kernreaktoren zu unterscheiden.
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[Bearbeiten] Prinzip
Durch den spontanen radioaktiven Zerfall einer bestimmten Menge eines künstlich hergestellten Radioisotops entsteht Wärme, die durch einen thermoelektrischen Generator direkt, d. h. ohne bewegte Teile, in Elektrizität umgewandelt wird.
RTGs, die Plutonium 238Pu als Radionuklid verwenden, besitzen eine hohe Energiedichte, die mehr als 100 Mal so groß ist wie die von Benzin. Die durch Spontanzerfall entstehende Wärmeleistung beträgt etwa 450 Watt pro Kilogramm Plutonium-238 (Alphastrahler, Halbwertszeit ca. 87 Jahre, d.h. nach 87 Jahren sind es 225 W, nach 174 Jahren noch ca. 112 W usw.). Eine Menge von 300 g Plutonium-238 liefert nach thermoelektrischer Wandlung mit ca. 8 % Wirkungsgrad z.B. etwa 11 Watt elektrische Leistung und innerhalb von 10 Jahren somit etwa 933 Kilowattstunden elektrische Energie. Andere für Isotopenbatterien geeignete Radionuklide sind Strontium-90, Promethium-147 oder Actinium-227. Aktinium-227 ist wegen seiner schwierigen Herstellung (durch Bestrahlung von Radium im Kernreaktor) kaum in Mengen über 10 Gramm zu erhalten, obwohl es eine sehr hohe Leistungsdichte besitzt. Strontium-90 und Promethium-147 benötigen, da sie Betastrahlung emittieren, eine aufwendigere Abschirmung für die Strahlung.
Für RTGs die nicht nur wenige Jahrzehnte sondern Jahrhunderte lang elektrische Energie liefern können, würde sich das Radioisotop Americium 241Am am besten eignen, das eine Halbwertszeit von 432 Jahren besitzt, aber nur 1/4 der Energiemenge von Plutonium 238Pu liefert. Jedoch erzeugen die Zerfallsprodukte von 241Am etwas mehr durchdringende Strahlung als die Zerfallsproduckte von 238Pu. Deshalb benötigen diese RTGs eine etwas dickere Abschirmung. Jedoch wäre Abschirmung mit 18 mm Bleidicke die zweitdünnste aller für RTGs infrage kommender Isotope (nach Plutonium 238) Siehe: [1]
[Bearbeiten] Prinzipieller Aufbau
Ein Radioisotopengenerator enthält eines oder mehrere radioaktive Heizelement(e), die entweder direkt in den Radioisotopengenerator eingeschoben werden oder bei modernen Typen zur Steigerung der Sicherheit erst hermetisch in mehrere Schichten äußerst widerstandsfähiger Materialien verpackt werden. Dabei dient jede Schicht dazu, äußere Gefahren von dem radioaktiven Material abzuhalten. Der Radioisotopengenerator besteht aus einem Metallzylinder, in dessen Wand die Thermoelemente eingelassen sind. Er besitzt an seiner Außenwand Kühlrippen, um die vom Heizelement erzeugte Wärme abzugeben und so die für den Betrieb der Thermoelemente notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Wenn die radioaktiven Heizelemente nicht einzeln gegen äußere Einflüsse verpackt werden, muss das Gehäuse des Radioisotopengenerators von innen aus den verschiedenen Schutzschichten bestehen, um die Freisetzung von radioaktivem Material auszuschließen.
[Bearbeiten] Anwendung
Aufgrund ihrer Einfachheit und langen Laufzeit finden RTGs dort Verwendung, wo kein Stromnetz vorhanden ist und wo Wartung und Nachfüllen eines Generators selten oder nie möglich ist. In der UdSSR wurden sehr leistungsstarke RTGs mit 90Sr-Füllung verwendet, um Leuchttürme und Funkfeuer am Polarkreis zu betreiben [2].
Eine heutzutage als besonders heikel angesehene Anwendung sind die Isotopenbatterien der Herzschrittmacher der ersten Generation, welche mit Pu-RTG betrieben werden [3]. Die Grundidee war, langlebige Batterien zu schaffen, um unnötige Eingriffe zum Batteriewechsel zu verhindern. Es gibt heute (2005) noch eine geschätzte Zahl von 100 lebenden Patienten weltweit, die über ein solches Implantat verfügen. Moderne Herzschrittmacher werden dagegen mit Lithium-Batterien betrieben. Diese haben eine Lebensdauer von vielen Jahren.
Die bekannteste (und heute fast einzige) Anwendung von RTGs ist in der Raumfahrt als Stromversorgung von Sonden zu den äußeren Planeten zu finden. Jenseits der Mars-Umlaufbahn reicht die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus, um mit Solarzellen in praktikabler Größe den Energiebedarf der Sonden zu decken. RTGs sind die derzeit einzigen Generatoren, die leicht und zuverlässig genug sind, um in eine Sonde integriert zu werden und die ausreichend lange Strom liefern können. Alle Raumsonden, die zum Planeten Jupiter oder weiter fliegen, wie Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons wurden mit Isotopenbatterien ausgerüstet.
Typische Generatoren für Raumsonden sind mit keramischem Plutoniumdioxid (PuO2) in Form fester Blöcke befüllt – es ist chemisch stabiler und hat einen höheren Schmelzpunkt als metallisches Plutonium. Die RTGs haben ein stabiles Gehäuse, welches bei einer Explosion während des Starts oder bei unkontrolliertem Wiedereintritt in die Atmosphäre eine Freisetzung der Radioisotope verhindern soll.
In der Raumfahrt dient Plutoniumoxid auch als Heizelement (RHU). 3 g PuO2, eingeschlossen in eine 3,4 cm x (5 cm)2 große Kapsel, liefern eine thermische Leistung von ca. 1 W bei einem Gesamtgewicht von ca. 40 g [4].
[Bearbeiten] Radioaktivitäts-Problematik
Die Radioisotope in einer Isotopenbatterie zerfallen nach den für das jeweilige Isotop spezifischen Halbwertszeiten und nicht durch neutroneninduzierte Kernspaltung. Daher besteht keine Gefahr einer Kettenreaktion.
Isotopenbatterien sind dennoch problematisch, da sie bei beschädigter Abschirmung, Zerstörung oder Defekten ihre Umgebung kontaminieren können. Weiterhin besteht das Risiko einer Entwendung. Die Gefahr, dass etwa Terroristen damit explosive Kernwaffen herstellen könnten, ist nicht gegeben, da hierfür durch Neutronen leicht spaltbare Isotope (z.B. Plutonium-239) benötigt werden. Jedoch können die verwendeten Radioisotope in sog. „schmutzigen Waffen“ verwendet werden, bei denen gezielt radioaktives Material verstreut wird.
Eine umfangreiche Debatte zum Thema Radioaktivität von RTGs fand 1997 statt, als die NASA-Mission Cassini-Huygens zum Saturn startete. Die an Bord befindlichen RTGs verursachten Proteste der Anwohner des Weltraumbahnhofs und von Umweltverbänden, die bei einem Fehlstart schwerwiegende Umweltprobleme befürchteten. Ein weiteres Risiko wurde hinsichtlich eines Fly-by-Manövers an der Erde empfunden, bevor Cassini-Huygens in Richtung Saturn fliegen konnte.
Die letzte Debatte zu diesem Thema fand statt, als im Januar 2006 die NASA die Raumsonde New Horizons mit einem RTG an Bord zum Zwergplaneten Pluto startete [5]. Die Isotopenbatterien sind jedoch derart robust konstruiert, dass sie eine Explosion der Trägerrakete und selbst einen Wiederintritt in die Atmosphäre überstehen sollen, ohne dass das radioaktive Material entweicht. Ein weiteres (mengenmäßig) bedeutendes und daher sehr bedenkliches Anwendungsgebiet der Isotopenbatterien findet sich in den Nachfolgestaaten der UdSSR. Dort werden/wurden mit dieser Technik einsam gelegene Leuchttürme im hohen Norden sowie militärische Funkstationen autark mit Energie versorgt. Insbesondere zum Betrieb der Leuchttürme müssen Batterien von großer Leistung mit entsprechenden Mengen aktiven Materials verwendet worden sein.
Diese Anlagen sind nicht oder nur ungenügend gesichert, bewacht und gewartet. Dadurch kann es in seltenen Fällen zu Diebstahl, Freisetzung durch Korrosion usw. kommen.
Aus Georgien sind alarmierende Fälle bekannt – Schrottsammler fanden dort in Wäldern die achtlos liegengelassenen Bestandteile der Isotopenbatterien ehemaliger, mobiler militärischer Funkanlagen. Der Diebstahl des Radionuklids bzw. Korrosion des RTG sind bei der Nutzung in der Raumfahrt - vor allem nach dem Start - so gut wie ausgeschlossen.
[Bearbeiten] Weblinks
| Commons: Radioisotopengenerator – Bilder, Videos und/oder Audiodateien |
