Esa: Sonnensystemforschung ohne Plutonium

Forscher der Esa arbeiten an Radioisotopenbatterien, die ohne das knappe und aufwendig herzustellende Plutonium-238 auskommen. Stattdessen soll Americium-241 aus abgebrannten Brennstäben von Kernkraftwerken zum Einsatz kommen. Ein erster Prototyp ist bereits fertig.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 6. Juli 2018, 12:03 Uhr

Die Esa will mit Raumsonden wie Voyager das äußere Sonnensystem erkunden. Dafür benötigt sie eigene Radioisotopenbatterien. (Bild: Nasa)

Radioisotopenbatterien sind unverzichtbar, um auf Missionen zu den äußeren Regionen des Sonnensystems vorzudringen - wie Cassini oder New Horizons. Für eine Stromversorgung mit Solarzellen ist die Sonne dort zu weit weg. Stattdessen kommen Radioisotopenbatterien zum Einsatz. Sie enthalten einen radioaktiven Stoff, der konstant Wärme abgibt. Aus dieser Wärme kann dann elektrischer Strom erzeugt werden. Bisher kam dafür fast ausschließlich Plutonium-238 zum Einsatz, das aufwendig in Forschungsreaktoren hergestellt werden muss.

An der Universität Leicester haben britische Wissenschaftler in Kooperation mit der Esa eine neue Art Radioisotopenbatterie entwickelt. Die Esa hofft, so eigene Forschungsmissionen im tiefen Weltraum durchführen zu können, ohne dabei auf amerikanische oder russische Agenturen angewiesen zu sein. Dabei verwenden die Forscher Americium-241.

Americium-241 hat mit 432 Jahren eine deutlich längere Halbwertszeit als die 88 Jahre von Plutonium-238. Das bedeutet, dass Missionen mit diesen Batterien viel langsamer an Leistung verlieren würden. Allerdings ist es auch weniger radioaktiv. Mit nur rund 100 Watt Wärme pro Kilogramm wird somit für die gleiche Leistung etwa die vierfache Menge Americium benötigt.

Nachdem in den 1990er Jahren die Finanzierung der Nuklearforschung in den USA weitgehend gestrichen wurde, gingen die Vorräte von Plutonium-238 zur Neige. Die Nasa musste Russland um Hilfe bitten, damit neue Missionen wie der Mars Rover Curiosity überhaupt starten konnten. Inzwischen wird wieder neues Plutonium-238 erzeugt, aber nur wenige hundert Gramm pro Jahr. In Leicester wurden bereits erste Prototypen hergestellt, darunter ein kleines 3-Watt-Heizelement, das wichtige elektronische Komponenten auf Betriebstemperatur halten kann. Die Forscher bauten auch eine erste Radioisotopenbatterie, mit einer elektrischen Leistung von 10 Watt. Die Herstellung einer weiteren Batterie mit 50 Watt Leistung ist bereits geplant. Der Prozess ist so attraktiv, weil die Gewinnung von Americium-241 deutlich einfacher ist und der sogenannte Amprex-Prozess von Anfang an für eine Kapazität von 8 bis 10 Kilogramm pro Jahr ausgelegt wurde.

Americium entsteht in Brennstäben von Kernkraftwerken

Die Grundlage für die Gewinnung von Americium bildet die Aufarbeitung ausgebrannter Brennstäbe aus Kernreaktoren. Dort entstehen aus dem Uran-238 nacheinander durch Einfang von Neutronen die Plutoniumisotope 239, 240, 241 und 242. Außerhalb des Reaktors wandelt sich der Plutonium-241-Anteil anschließend langsam um zu Americium-241 mit einer Halbwertszeit von rund 15 Jahren.

Dabei zerfällt eines der Neutronen im Atomkern des Plutoniums durch Beta-Zerfall in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron wird ausgestoßen, aber das Proton verbleibt im Kern, wo anschließend 95 Protonen sind, statt zuvor 94. Das verändert die chemischen Eigenschaften des Atoms, weshalb es nicht mehr Plutonium, sondern Americium heißt. Zusätzliche Neutronen erzeugen dagegen nur Isotope mit höherer Massezahl, aber keine neuen Elemente mit anderem Namen. So wird aus Plutonium-240 durch ein weiteres Neutron lediglich Plutonium-241.

Bei der Aufarbeitung von Brennstäben wird alles Plutonium chemisch abgetrennt. In dem abgetrennten Plutonium zerfällt das Plutonium-241 zu Americium-241 und hat nach rund 30 Jahren einen Americium-241-Anteil von rund 3,5 Prozent. Einige der Bestände sind bereits so alt. Dank der durch das zusätzliche Proton veränderten chemischen Eigenschaften kann nun das Americium in einem chemischen Verfahren vom Plutonium abgetrennt werden. Dabei wird mit relativ wenig Aufwand sehr reines Americium-241 gewonnen, weil nur das Plutonium-241 zu Americium zerfällt. Die anderen Plutoniumisotope verlieren dagegen durch Alpha-Zerfall zwei Protonen und werden zu Uran.