Wie RTGs Raumschiffe Milliarden Kilometer von der Sonne mit Energie versorgen

Die Nuklearbatterien, die den Kosmos erkunden

Mehr als 24 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt sendet Voyager 1 weiterhin Daten aus dem interstellaren Raum nach Hause – fast fünf Jahrzehnte nach seinem Start im Jahr 1977. Kein Solarpanel könnte so weit von der Sonne entfernt funktionieren. Stattdessen ist die Sonde auf einen Radioisotopengenerator (RTG) angewiesen, ein Gerät, das oft als „Nuklearbatterie“ bezeichnet wird und die Wärme des radioaktiven Zerfalls in Elektrizität umwandelt. RTGs haben in den letzten fünfzig Jahren mehr als zwei Dutzend US-amerikanische Weltraummissionen mit Strom versorgt und sind nach wie vor die einzige bewährte Technologie zur Erforschung des äußeren Sonnensystems.

Wie ein RTG funktioniert

Das Prinzip ist elegant einfach. Ein RTG enthält einen Kern aus Plutonium-238, einem Isotop, das durch den natürlichen Zerfall seiner Atome intensive Wärme erzeugt. Diese Wärme fließt durch eine Anordnung von Thermoelementen nach außen – Paare verschiedener Halbleitermaterialien, die an zwei Übergängen verbunden sind. Wenn ein Übergang heiß ist (in der Nähe des Plutoniums) und der andere kalt ist (dem Vakuum des Weltraums zugewandt), treibt der Temperaturunterschied einen elektrischen Strom an, ein Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist.

Es gibt keine beweglichen Teile, keine Turbinen, keine Pumpen. Nichts zu schmieren, nichts, was klemmen könnte. Diese mechanische Einfachheit ist der Grund, warum RTGs jahrzehntelang ohne Wartung funktionieren können – ein entscheidendes Merkmal, wenn die nächste Reparaturwerkstatt Milliarden von Kilometern entfernt ist.

Warum Plutonium-238?

Nicht jedes radioaktive Material ist geeignet. Plutonium-238 hat eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren, was bedeutet, dass es Wärme langsam genug abgibt, um Jahrzehnte zu halten, aber intensiv genug, um nützlich zu sein. Es emittiert hauptsächlich Alphateilchen, die leicht abzuschirmen sind und nach der Verkapselung ein minimales Strahlungsrisiko darstellen. Laut dem U.S. Department of Energy wird Pu-238 im Los Alamos National Laboratory unter strengen Sicherheitsprotokollen gereinigt und verkapselt. RTGs haben noch nie einen Raumschiffunfall verursacht.

Eine Erfolgsbilanz, die sich über das Sonnensystem erstreckt

RTGs debütierten 1961 an Bord des Navigationssatelliten Transit 4A im Weltraum. Seitdem haben sie eine außergewöhnliche Liste von Missionen mit Strom versorgt:

• Pioneer 10 und 11 – die ersten Sonden zu Jupiter und Saturn (je 40 Watt)
• Viking 1 und 2 – die ersten erfolgreichen Marslander
• Voyager 1 und 2 – die einzigen Raumschiffe im interstellaren Raum (je 158 Watt beim Start)
• Cassini – 13 Jahre im Orbit um Saturn (292 Watt)
• New Horizons – die Pluto-Vorbeiflugmission
• Curiosity und Perseverance – Mars-Rover, die den neueren Multi-Mission RTG (MMRTG) verwenden, der im frisch befüllten Zustand etwa 110 Watt liefert

Die nächste RTG-betriebene Mission der NASA ist Dragonfly, ein Rotorcraft-Lander, der zum Saturnmond Titan unterwegs ist.

Das langsame Ausbleichen

RTGs sind nicht unsterblich. Der Zerfall von Plutonium-238 reduziert stetig die Wärmeleistung, und Thermoelementmaterialien verschlechtern sich im Laufe der Zeit. Die Generatoren von Voyager 1, die beim Start etwa 470 Watt lieferten, produzieren jetzt etwa zwei Drittel davon – und verlieren etwa 4 Watt pro Jahr. Ingenieure am Jet Propulsion Laboratory der NASA haben darauf reagiert, indem sie systematisch Instrumente abschalten, um das Raumschiff am Leben zu erhalten. Nur zwei wissenschaftliche Instrumente sind noch aktiv: ein Plasmawellensensor und ein Magnetometer.

„Sie funktionieren immer noch großartig und senden Daten aus einer Region des Weltraums zurück, die noch kein anderes von Menschenhand geschaffenes Raumschiff erkundet hat“, sagte Kareem Badaruddin, Voyager-Missionsmanager am JPL.

Was als Nächstes kommt

Ingenieure entwickeln einen Plan namens „The Big Bang“ – ein gleichzeitiger Austausch mehrerer strombetriebener Komponenten gegen stromsparendere Alternativen –, der die wissenschaftliche Mission von Voyager bis in die 2030er Jahre verlängern könnte. In der Zwischenzeit entwickelt die NASA RTGs der nächsten Generation, die über 250 Watt erzeugen können, um sicherzustellen, dass zukünftige Sonden zu den Eisriesen, Ozeanmonden und darüber hinaus ihre eigene zuverlässige Stromquelle in die Dunkelheit tragen.