Artikel aus dem Bereich Elektronik- und Elektrotechnik-Design

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Kernenergie – Gegenwart und Zukunft des Mars Rovers

Gepostet am 11. Oktober 2015

Im November 2011 startete ein Raumschiff von der Cape Canaveral Air Force Station in Florida. Aufgrund des verringerten Budgets für die Entwicklung von Raumfahrprogrammen gibt es nur selten Neuigkeiten über bedeutende Ereignisse in der US-Weltraumforschung. Als sich jedoch dieses Raumschiff auf seinen Weg in das Weltall begab, seine Spur aus verbranntem Treibstoff hinter sich herziehend, brach ein neues Zeitalter der Weltraumforschung an – denn dieses Raumschiff transportierte den Rover Curiosity. Curiosity war auf dem Weg zum Mars, um dort unter Verwendung modernster Technologie den roten Planeten zu untersuchen. Laut NASA handelt es sich bei Curiosity um den komplexesten Forschungsroboter, der je zum roten Planeten geschickt wurde; mit fortschrittlichen Messgeräten werden die verschiedenen Bestandteile und Chemikalien im Boden wie auch der Atmosphäre des Planeten gemessen, um Erkenntnisse im Bereich der Entstehung von Leben auf dem Mars zu sammeln. Aufbauend auf den Ergebnissen und Erfahrungen dieser Mission, sollen 2020 weiterentwickelte Untersuchungen des Mars folgen.

Die Energieversorgung von Curiosity

Mit Blick auf die neu entwickelten Technologien, die erst im Jahr 2020 benötigt werden, ist es ehr untypisch, dass nicht sämtliche Technologie, die im Rover verbaut wurde, neu ist. Um die benötigte Energie zu erzeugen, nutzt Curiosity einen Radioisotopengenerator (RTG). Diese Technologie wurde in den 1950er Jahren entwickelt und in den frühen 60ern erstmals als Energiequelle für die Raumfahrt genutzt. Es handelt sich hierbei um eine endliche Energiequelle mit skalierbarer Energieproduktion. Der zugrundeliegende Prozess des RTG basiert auf dem Zerfall von Plutonium, womit auf nukleare Art Energie erzeugt wird. Hierbei produzierte Wärmeenergie wird anschließend mittels Thermoelementen in elektrische Energie umgewandelt. Der von Curiosity verwendete RTG wurde von Boeing und dem Idaho National Laboratory entwickelt und wird als „Multi Mission Radioisotope Thermoelectric Generator“, kurz MMRTG, bezeichnet. Bei dem im MMRTG verwendeten Thermoelement handelt es sich um ein PbTE/TAGS Thermoelement, entwickelt von Teledyne Energy Systems. Die Konstruktion ist auf dem Foto zu sehen.
Der MMRTG weist ein paar kleine Unterschiede zum RTG auf, da er mit dem Ziel entwickelt wurde, leichter, viel sicherer und langlebiger zu sein. Die Änderungen führten im Fall von Curiosity zu einer Verlängerung der minimalen Lebensdauer auf 14 Jahre. Mit der Menge an Treibstoff, die Curiosity zum Zeitpunkt des Starts innehatte, wurde eine Laufzeit von zwei Jahren angestrebt. Alle Ziele, die Curiosity erreichen sollte, müssen daher innerhalb dieser Zeit abgeschlossen werden, da es unter Betrachtung der Ressourcen und Kosten unrealistisch war, mehr Kapazitäten für Treibstoff in dem Rover einzubauen.
Wie jedoch bereits die Mars Rover Viking 1 und Opportunity zeigten, stellen diese Energiegewinnungssysteme genug Energie bereit, um die angestrebte Zeitspanne bei weitem zu überschreiten. Viking 1 nutzte lediglich einen RTG und wanderte zur Datenerhebung für ganze 6 Jahre über den Mars. Opportunity landete Anfang 2004 auf dem Mars und sammelt bis zum heutigen Tag Daten auf dem Planeten; die anfänglich geplante Missionsdauer von etwa 90 Tagen wurde somit weit überschritten.
Für eine Mission von Curiositys Kaliber war die Wahl einer RTG basierten Kraftstoffanlage somit die folgerichtige Entscheidung.
Das Verfahren, in dem ein RTG Energie produziert, ist ein eindrucksvoller Prozess und ein Beleg dafür, wie weit wir die kontinuierliche Energiegewinnung entwickelt haben.
Um Energie zu produzieren, macht sich der RTG den Verfall radioaktiver Isotope zu nutze – bei Curiosity wird Plutonium-238 verwendet.
Das Plutonium-238 findet Verwendung, da es, im Vergleich zu anderen radioaktiven Isotopen keine schädliche Strahlung erzeugt, welche sonst einen Großteil der restlichen Gerätschaften beschädigen könnte.
Plutonium erzeugt Hitze, wenn es zerfällt; diese wird durch die Verwendung von Thermoelementen in Elektrizität umgewandelt. Die Thermoelemente, welche sich an bestimmten Punkten zwischen zwei unterschiedlichen Leitern berühren, spüren Temperaturunterschiede und erzeugen, sobald zwei Berührpunkte unterschiedliche Temperaturen aufweisen, Spannung. Diese Spannung wird in zwei aufladbaren Lithium-Ion-Batterien gespeichert. Dieser Prozess erzeugt genug Elektrizität, um den Curiosity beständig mit Energie zu versorgen. Das bedeutet, dass der Rover solange kontinuierlich – Tag und Nacht, durch alle Jahreszeiten hindurch – mit Energie versorgt wird, bis das Plutonium zu Ende geht.
Doch wie viel Treibstoff wird benötigt, um eine solch fortschrittliche Technologie mit Energie zu versorgen?

Um wie viel Energie handelt es sich?

Um alle Ziele der Mission abschließen zu können, müssen alle Apparaturen von Curiosity für eine Mindestdauer von zwei Jahren mit Energie aus Kraftstoff versorgt werden.
Die verwendeten, hochmodernen Mikrosysteme wurden äußerst effizient gestaltet; Sensoren, Kameras, Kommunikationstechnik und weitere Gerätschaften haben eine äußerst niedrige Leistungsaufnahme.
Um den Energieverbrauch noch weiter zu senken, wurden in der Design-Spezifikation von Curiosity Rohrleitungen vorgesehen, die überschüssige Hitze zu anderen Teilen des Systems leiten und so für eine konstante Temperatur in allen Komponenten sorgen.
Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie viel Energie benötigt wird, um die einzelnen Bestandteile des Curiosity Rovers über den gesamten Missionszeitraum effizient mit Energie versorgen zu können, ist es notwendig, die zusammen mit Curiosity auf den Mars gesendete Menge des Plutonium-238 Vorrates zu betrachten: Der Mars Rover nahm 4,8 Kilogramm Plutonium-238 auf, welches in 32 Würfel komprimiert wurde. Mit dem Wissen, dass mit einem Gramm Plutonium-238 0,5 Watt Leistung erzeugt werden können, ist es möglich, einen realistischen Wert zu berechnen, wie viel Energie Curiosity pro Tag nutzen kann.
Bei einem Kilogramm Plutonium-238 liegt die ausgegebene Energie bei 500 Watt – bei der Gesamtmenge von 4,8 Kilogramm, welche der Rover mit sich führt, hat das System eine Gesamtenergie von 2,4 kW an thermischer Energie. Von diesem Wert an Energie ausgehend, wurde das PbTe/TAGS Thermoelement so konzipiert, dass es während der ersten 14 Jahre um die 125 Watt elektrische Energie erzeugt. Nach 14 Jahren soll die elektrische Energieausgabe laut Konzeption auf 100 Watt reduziert werden.
Die Nutzung von 125 Watt pro Tag kann in etwa 2,5 kWh pro Tag umgerechnet werden.
Im Vergleich zu einem handelsüblichen, komplett geladenen Laptop, der um die 65-75Watt verbraucht, dürfen alle 11 spezialisierten und hoch-technologisierten Geräte des Curiosity weit weniger Energie verbrauchen, um die 125 Watt pro Tag nicht zu überschreiten.
Es ist erstaunlich, wozu die Menschheit mit den Technologien, die uns heute zur Verfügung stehen, fähig ist. Den neusten Stand der Energieerzeugung nutzend, kann ein Mars Rover zum Mars geschickt werden, um dort 10 Jahre und länger Daten zu erfassen.
In Anbetracht der Tatsache, dass sich mehrere Rover auf dem Mars befinden, die kontinuierlich damit beschäftigt sind, Daten zu erheben, gilt die Energieerzeugung aus fernen Quellen auf außerweltlichen Planeten enorm erfolgreich.

Obwohl die Herstellung von Plutonium teuer und sehr zeitintensiv ist, wird die Technologie zur Energieversorgung, die zur Zeit bei Curiosity und mehreren älteren Rovern verwendet wird, auch in zukünftigen Mars-Erkundungs-Missionen genutzt werden.
Für die Mars Rover Mission 2020 wird bereits auf die exakt selbe Energiequelle gesetzt; dies ist möglich, da für Curiosity eine Sicherungs-MMRTG entwickelt wurde, welche jedoch nicht in die finale Konstruktion übernommen wurde.
So wird auch 2020 noch eine Energiequellentechnologie, die bereits in den 1950er Jahren entwickelt wurde, ausreichen, dem Rover das Sammeln und Erfassen verschiedenster Daten zu ermöglichen.

Artikel Quellen: Original Artikel

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