Solarzellen oder nukleare Stromversorgung?

Diese Frage scheint auf den ersten Blick recht einfach zu sein. Lange Zeit wurden Solarzellen zur Stromversorgung von Raumsonden eingesetzt, so weit es bis zum Mars ging und nukleare Stromversorgung, genauer gesagt Radioisotopen Thermoelemente Generatoren (RTG) ab Jupiter.

Diese Einteilung ist in den letzten Jahren ins Wanken gekommen. Dafür gibt es mehrere Gründe. Den Anfang machte Rosetta. Die Kometensonde setzt nur Solarzellen ein, sie entfernt sich bis zu Jupiter von der Sonne – allerdings betreibt sie in dieser Entfernung keine Forschung. Es muss nur eine minimale Stromversorgung zum Aufrechterhalten der wichtigsten Bordsysteme verfügbar sein, das ist normalerweise nur etwa die Hälfte des Maximalbedarfs. Rosetta setzte erstmals spezielle Solarzellen ein, die für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen entwickelt wurden.

Nun folgt Juno, der erste Jupitersatellit mit solarer Stromversorgung und eine ESA Studie für eine kombiniete Europa-Orbiter/Jupiter Magnetosphärenmission setzt natürlich auch Solarzellen ein.

Warum dieser Wandel?

Zum einen ist der Wirkungsgrad von Solarzellen immer besser geworden. Vor 25 Jahren waren 16 % ein guter Wert, heute sind 24 % bei Gallium-Arsenit Zellen üblich und die Kombination verschiedener Halbleiter (Triple Junction Solarzellen) erreicht 29-30 %. RTG haben dagegen heute noch den gleichen Wirkungsgrad wie vor 30 Jahren. Allerdings gibt es eine neue Entwicklung, die Sterling Motoren einsetzt, mit erheblich höherem Wirkungsgrad. Diese machen zwar die RTG nicht leichter, aber sie reduzieren vor die benötigte Plutonium Menge drastisch.

Zum anderen ist diese Art der Energieversorgung teurer geworden, während Solarzellen preiswerter wurden. Das Plutonium 238 in den RTG ist ein Isotop, welches in normalen Kernreaktoren kaum anfällt. Um es zu erzeugen muss man Uranbrennstäbe kurz einsetzen, dann das bei dem Kernzerfall entstandene Neptunium extrahieren und dieses wiederum in einen Brutreaktor durch Neutronenstrahlung zu dem Plutonium umwandeln. Lässt man die Brennstäbe längere Zeit im Reaktor so zerfällt das Neptunium, weil es weitere Teilchen einfängt und sich dann zu kurzlebigen Isotopen umwandelt. Dieselben Schritte fallen auch nur mit Plutonium-239 als Material bei der Erzeugung von waffenfähigem Plutonium an. Kurz gesagt: Die Abrüstung bei den Vereinigten Staaten, die weniger Atombomben notwendig machte, hat die RTG verteuert. Ein neuer RTG der GPHS Baureihe, wie ihn Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons einsetzen, kostet neu 90 Millionen Dollar.

Es gibt Techniken den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern. Das wichtigste ist dabei die Steigerung der Ausbeute pro Kilogramm Gewicht. Neben extrem dünnen Solarzellen, sind dies Techniken wie Linsen auf den Zellen um das Licht zu bündeln oder plane Spiegel neben den Arrays, welche das Licht auf die Solarzellen werden und die viel leichter als die Panels sind. (Sogenannte Solarkonzentratoren).

Es gibt zwei Kriterien für eine Raumsonde, welche Technologie die bessere ist. Das erste ist die Effizienz in Bezug auf emittierte Leistung. Die ESA Studie für den kombinierten Jupiter-Magnetosphären-Europa Orbiter geht davon aus, dass man mit Solarkonzentratoren eine Effizienz von 4.7 W/kg Masse zum Ende der Betriebszeit erreicht. Das ist immer noch schlechter als bei RTG. Die derzeit eingesetzten GPHS haben eine Masse von 56.7 kg und liefern 285 Watt Leistung. das sind 5.0 W/kg, also nur unwesentlich besser. Allerdings sind diese Werte nicht konstant. Bei RTG entfällt der Großteil des Gewichts auf die Abschirmung. Der Anteil wird kleiner wenn das RTG größer wird. Bei Solarzellen nimmt die Leistung quadratisch mit der Entfernung ab. Bei Saturn ist die Leistung mehr als dreimal kleiner als bei Jupiter. Die modernen Stirling RTG haben dieselbe Leistungsdichte wie die GPHS, allerdings sind diese auch für eine 3 mal niedrigere Leistung konzipiert worden.

Betrachtet man nur die Leistung/Gewicht Relation so können Solarzellen bei Jupitermissionen eine Alternative sein, nicht jedoch bei Missionen weiter von der Sonne entfernt.

Das zweite sind die Kosten und dieser Faktor ist nicht so leicht zu beziffern. Die GPHS RTG sind recht teuer, vor allem durch das Plutonium, das sie enthalten.9.7 kg pro Stück. Ein neuer RTG kostet heute 90 Millionen Dollar – für eine Energiequelle die 285 Watt Leistung liefert – da ist Atomström durchaus nicht die billigste Möglichkeit ;-). Ein Solargenerator ist  trotz der großen Fläche die er braucht erheblich preiswerter. Eine Abschätzung für Jupiter wäre ungefähr ein Zehntel der Kosten eines GPHS. Die Stirling RTG werden dieses Missverhältnis verbessern, denn sie liefern 3.3 mal mehr Strom pro Kilo Plutonium und senken so die Kosten entsprechend, das ein RTG nur noch 3 mal so teuer ist.

Das ganze ist eine grobe Abschätzung, da es leider sehr schwer ist die Kosten für einen Solargenerator zu finden. Ich denke sie liegen eher noch darunter. Doch bedeutet dass, dass man mit Solarzellen nun bis Saturn kommt ? Nicht unbedingt. Der schwerere Solargenerator hat natürlich Folgen: Andere Systeme werden auch schwerer, so muss die Struktur die Last aufnehmen. Reaktionsschwungräder müssen größer sein, um Drehungen durchzuführen – dazu brauchen sie auch mehr Strom. Nicht zuletzt braucht man mehr Treibstoff, weil man ja in einen Orbit einschwenken kann. Das alles frisst natürlich die Vorteile teilweise auf. Saturn ist derzeit noch ein echter Grenzfall. Bei Saturn kommt man auf eine Leistungsdichte von 1.4 W/kg Das erfordert bei einem moderaten Leistungsbedarf von 500 Watt schon ein Gewicht von 357 kg für den Solargenerator. RTG’s wögen vielleicht 100 kg. Das macht dann die Raumsonde mit Änderungen an der Struktur und mehr benötigtem Treibstoff etwa 650 kg schwerer – das ist schon eine ganze Menge, wenn diese Masse zu Saturn befördert werden soll.

Aber….

In Erdnähe würde dieser Solargenerator 45 kW erzeugen (wahrscheinlich weniger, weil man ja mit Solarkonzentratoren arbeitet und die kann man wegen der Überhitzungsgefahr nicht in Erdnähe entfalten). Das ist eine Menge Strom, den man gut für ein Ionentriebwerk nutzen kann. Nimmt man die Daten der Triebwerke der Raumsonde Dawn, so kann man bei 25 kW Leistung 10 dieser Triebwerke bei vollem Schub betreiben. In einem Jahr kann man eine Raumsonde von 2800 kg Startgewicht damit von Fluchtgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit für einen Saturn Transfer Orbit beschleunigen. Das erspart einem eine teure Trägerrakete, da 2800 kg auf Fluchtgeschwindigkeit auch eine kleinere Delta 4 oder die kleinste Atlas V Trägerrakete bringen kann. Wenn man es optimiert, schickt man die Sonde zuerst zur Venus, holt dort Schwung (3 km/s sind bei einem nahen Vorbeiflug drin) und beschleunigt danach mit den Ionentriebwerken, solange man noch näher an der Sonne ist.

Juno soll ja mit Solarzellen zu Jupiter starten, erstaunlicherweise nutzt man diese aber nicht für Antriebszwecke. Dabei hätte diese Mission es wirklich nötig, den obgleich sie mit der Atlas 551 einen der leistungsfähigsten Träger einsetzt, muss sie mit einem Erdvorbeiflug Schwung holen. Die NASA lässt sich Zeit neue Technologien wirklich konsequent einzusetzen. Es ist jetzt bald 10 Jahre her, dass Deep-Space 1 erstmals Ionentriebwerke nutzte um ihre Bahn gravierend zu ändern. Ich dachte Dawn wäre so was wie ein Neubeginn, weg von dem Start von Raumsonden auf riesigen Trägerraketen um die hohen Geschwindigkeiten zu erreichen die man im äußeren Sonnensystem braucht und hin zu schlaueren Lösungen. Der Flug über die Venus, oder zumindest auf Venus Entfernung wäre durchaus eine intelligente Lösung. Man braucht nur wenig mehr als die Fluchtgeschwindigkeit und erhält dabei 3-4 Monate, in denen das Raumschiff bis zu 90 % mehr Sonnenenergie erhält und in dieser Zeit rapide beschleunigen kann. Natürlich nimmt die Leistung dann ab, aber auch die Sonnenentfernung nimmt nur langsam zu, weil das Raumschiff sich nur langsam hochspielt. Mindestens bis Jupiterentfernung könnte man so RTG und leistungsstarke Trägerraketen durch Solargeneratoren und Ionenantriebe ersetzen. Neben Jupiter ermöglicht dies auch den Besuch aller Asteroiden im Asteroidengürtel, insbesondere wären da die Trojaner interessant die in Jupiterentfernung sich befinden – sind es Stein Asteroiden oder welche aus Eis, oder eine Mischform?