30.01.2005

Cassini-Huygens - Erfolg dank nuklearer Strom- und Wärmeversorgung

Der kürzlich eingetretene Erfolg der unbemannten europäischen Erkundung des Saturnmondes Titan mit der Raumsonde Huygens wurde nur dank der eingesetzten nuklearen Strom- und Wärmeversorgung möglich.

Die Sonde landete am 14. Januar 2005 erfolgreich auf Titan und belohnte in den folgenden Stunden die beteiligten Forscher und Organisationen mit Bildern und Daten von der Oberfläche des Saturnmondes. Wie die Nasa schon 1996 dargelegt hatte, kam unter den vielen untersuchten Elektrizitätsversorgungsmöglichkeiten für Cassini-Huygens nur die nukleare Option in Frage. Die bei Raumsonden sonst übliche solare Stromversorgung hätte bei der Cassini-Mission viel zu schwere Sonnenzellen erfordert.
Huygens wurde zusammen mit ihrem Mutterschiff Cassini am 15. Oktober 1997 von Cap Canaveral mit einer Titan-IVB-Centaur-Rakete zu ihrer Mission gestartet. Nebst Messgeräten, Kommunikationseinrichtungen, Computern, Antriebstechnologie und vor allem viel Raketentreibstoff für die Bremsmanöver befanden sich auch 32 kg Plutonium-238an Bord -zur Versorgung der Sonden mit elektrischer Energie und Wärme. An Bord von Cassini sorgten drei sogenannte «Radioisotope Thermoelectric Generator» (RTG) für eine geregelte 30-Volt-Versorgung. Bis zu ihrer Abtrennung erhielt Huygens den Strom vom Mutterschiff. Nach der Abtrennung wurde Huygens von fünf chemischen Batterien (Lithium-Schwefeldioxid) versorgt. An Bord von Huygens befanden sich ausserdem 35 radioaktive Heizelemente (Radioisotope Heater Unit, RHU). Jedes davon wird mit 2,8 Gramm Plutoniumdioxid betrieben und sorgte mit jeweils einem Watt Wärmeleistung dafür, dass sich die Huygens-Sonde nach der Abtrennung von Cassini nicht unter ihre Auslegungstemperatur abkühlte.
RTGs sind vergleichsweise einfach ausgelegt. Die Hauptkomponente ist ein massiver Behälter mit dem radioaktiven Material. In den Behälterwänden sind Thermoelemente eingelassen, deren äusseres Ende mit einer Wärmesenke verbunden ist. Der radioaktive Zerfall des «Brennstoffs» erzeugt Wärme, die über die Thermoelemente zur Wärmesenke abgeleitet wird und dabei elektrischen Strom erzeugt. Bei den nach dem sogenannten «Seebeck»-Effekt funktionierenden Thermoelementen handelt es sich um die Zusammenschaltung zweier unterschiedlicher metallischer Leiter zu einem Stromkreis. Falls bei den Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen herrschen, fliesst ein elektrischer Strom. Die Halbwertszeit des verwendeten Radioisotops muss relativ kurz sein, damit der Zerfall genügend Wärmeleistung produziert. Sie darf aber auch nicht zu kurz sein, da während der ganzen Missionszeit genügend Leistung zur Verfügung stehen muss. Die Nasa hat Plutonium-238 als für RTG ideales Isotop identifiziert. Plutonium-238 ist ein Alpha-Strahler und seine Halbwertszeit beträgt 86 Jahre. Ein RTG funktioniert ohne Kettenreaktion.
Die bei vielen Raumsonden eingesetzten Solarzellen waren für Cassini-Huygens nicht geeignet: Die flächenbezogene Leistung im Abstand des Saturns von der Sonne ist gering und müsste durch grosse Zellenflächen kompensiert werden. Ein solche Lösung hätte aber ein untolerierbares Startgewicht zur Folge. Auch chemische Batterien hätten nicht genügt. Hier bot die nuklearthermische Stromversorgung eine gewichtsgünstige Alternative.
Vor dem Start am 15. Oktober 1997 meldeten sich auch Gegner des Einsatzes von Nuklearbatterien in der Cassinisonde. Hauptargument war das Risiko von radioaktiver Kontamination bei einem allfälligen Fehlstart oder einem missglückten späteren «Swingby»-Manöver. Dazu hatte die Nasa eine Sicherheitsanalyse ausgeführt. Diese ist als «Cassini Final Environmental Impact Statement» öffentlich zugänglich. Darin wurden Alternativen zu den Pu-238-Batterien geprüft und u.a der Einsatz von Strontium-90 oder Curium-244 erwogen. Beide hätten jedoch bessere Gamma- bzw. Neutronenabschirmungen benötigt. Untersucht wurde auch der Einsatz eines kleinen Kernreaktors. Ein Typ mit benötigtem Gewicht und Lebensdauer war aber nicht verfügbar.

Abtrennung der Huygens-Eintrittssonde vom Cassini-Mutterschiff.
Quelle: ESA
Quelle: 
H.K. nach http://saturn.jpl.nasa.gov/ spacecraft/index.cfm, 31. Januar 2005