Neu-Delhi experimentiert mit Radioisotopen, um seine Robotermissionen zum Mond, zum Mars und darüber hinaus durchzuführen
Die Inder sind begeistert von der Erfolgsserie ihres Raumfahrtprogramms in den letzten Monaten. Die Indian Space Research Organization (ISRO) hütet ein paar gut gehütete Technologiegeheimnisse – eines davon ist nuklear –, die künftige Reisen in den Kosmos vorantreiben werden.
Im Hollywood-Science-Fiction-Film „Der Marsianer“ gilt der Astronaut Mark Watney, gespielt von Matt Damon, als tot und findet Wege, auf dem Roten Planeten am Leben zu bleiben, vor allem dank einer großen Kiste Plutonium, bekannt als Radioisotope Thermoelectric Generator ( RTG).
Im Film reist Watney damit in seinem Rover zum „Pathfinder“, einem vor Jahrzehnten gestarteten Roboter-Raumschiff, um über dessen Antenne mit seinen NASA-Kollegen zu kommunizieren und ihnen mitzuteilen, dass er noch am Leben ist. Zusätzlich taucht der Astronaut diese Kiste in einen Behälter mit Wasser, um sie aufzutauen.
Im wirklichen Leben erzeugt das RTG Strom aus der Hitze einer zerfallenden radioaktiven Substanz, in diesem Fall Plutonium-238. Dieses einzigartige Material gibt aufgrund seines natürlichen radioaktiven Zerfalls stetig Wärme ab. Seine kontinuierliche, oft jahrzehntelange Wärmestrahlung machte es zum Material der Wahl für die Stromerzeugung an Bord mehrerer Weltraummissionen der ehemaligen UdSSR und der USA.
Für Kurzzeitreisen nutzten sowjetische Missionen andere Isotope, beispielsweise eine Polonium-210-Wärmequelle in den Lunokhod-Mondfahrzeugen, von denen 1970 und 1973 zwei davon auf dem Mond landeten.
Die NASA hat Plutonium-238 zur Stromerzeugung für eine Vielzahl von Raumfahrzeugen und Hardware eingesetzt, von den wissenschaftlichen Experimenten der Apollo-Astronauten auf dem Mond bis hin zu langlebigen Roboterforschern wie dem Marsrover Curiosity und den Raumsonden Voyager 1 und 2 befinden sich jetzt am Rande des Sonnensystems.
Während einer erfolgreichen Mondmission, Chandrayaan-3, nutzte die ISRO erstmals Kernbrennstoff, um die Instrumente und Sensoren unter kalten Bedingungen am Laufen zu halten. Ein oder zwei Pellets Plutonium-238 in einer verkleinerten Version des RTG, bekannt als Radioisotope Heating Unit (RHU), gelangten an Bord der Rakete in den Weltraum. Es wurde von Indiens Atomenergieexperten bereitgestellt.
RHUs ähneln RTGs, sind jedoch kleiner. Sie wiegen 40 Gramm und liefern jeweils etwa ein Watt Wärme. Ihre Fähigkeit dazu beruht auf dem Zerfall einiger Gramm Plutonium-238. Heutige Weltraumforscher könnten jedoch auch andere radioaktive Isotope nutzen. RHUs und RTGs verfügen über robuste, hitzebeständige Gehäuse, um das Radioisotop im Falle eines Ausfalls eines Start- oder Wiedereintrittsfahrzeugs sicher aufzubewahren.
Das von ISRO eingesetzte RHU wird laut Palanivel Veeramuthuvel, Projektleiter von Indiens jüngster Mondmission Chandrayaan-3, eine Schlüsseltechnologie in der Zukunft sein, da die Raumfahrtbehörde nicht nur weitere Erkundungsreisen zum Mond und zum Mars, sondern auch zur Venus und zum Mars plant Exoplaneten, also Planeten außerhalb des Sonnensystems.
Die in Raumfahrzeugen installierten RHUs halten Komponenten auf Betriebstemperaturen, die innerhalb eines Raumfahrzeugs erheblich variieren können. Im Vakuum des Weltraums kühlt jeder Teil des Raumfahrzeugs, der nicht direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist, so stark ab, dass elektronische Geräte oder empfindliche wissenschaftliche Instrumente kaputt gehen. RHUs sind einfacher und zuverlässiger als andere Möglichkeiten, Komponenten warm zu halten, wie zum Beispiel Elektroheizungen.
Wie Miniaturkamine erzeugen RHUs die geringe Wärmemenge, die für den Betrieb der Instrumente und Sensoren an Orten erforderlich ist, an denen Sonnenlicht und Sonnenenergie knapp werden könnten. „Wenn sich eine (Sonde) weiter von der Sonne entfernt oder in Mondnächten (wenn die Temperatur auf dem Mondboden unter minus 170 Grad sinkt), halten die RHUs alles warm, indem sie eine kleine Menge Wärme erzeugen. Sie werden dazu beitragen, die Abhängigkeit von Solarenergie (Sonnenlicht zur Stromerzeugung aus Solarpaneelen) zu verringern“, sagte Palanivel gegenüber RT.
Sie sorgen nicht nur für eine zuverlässige Stromversorgung, sondern tragen auch dazu bei, das Gewicht und die Masse solcher Sonden zu reduzieren, indem sie auf große Solarpaneele verzichten. Beispielsweise wiegen die Solarpaneele der Internationalen Raumstation (ISS) satte 2.400 Pfund und sind 115 Fuß lang und 39 Fuß breit. Die ISRO-Satelliten aus der Mehrzweck-INSAT-Serie verfügen über Solarpaneele mit einer Gesamtfläche von 230 Quadratfuß, wenn sie im Weltraum eingesetzt werden. Die Fernerkundungssatelliten (Indian Remote Sensing oder IRS) nehmen eine Fläche von 290 Quadratfuß ein.
Da die Kosten für den Start einer Nutzlast von einem Kilogramm ins All bei 10.000 US-Dollar liegen und Solarpaneele bei Weltraummissionen wirkungslos werden (was einen Rückgang der Verfügbarkeit von Sonnenlicht zur Stromversorgung von Instrumenten und elektronischen Komponenten widerspiegelt), ist die Rolle von RHUs (die jeweils nur 40 Gramm wiegen) groß Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn ISRO plant, einen Lander auf den Mars zu bringen oder die Venus zu erkunden.
Russland habe Radioisotopen-Heizeinheiten für Chandrayaan-2 angeboten, die 2019 gestartete Sonde, die ursprünglich als gemeinsamer Ausflug zweier Nationen zum Mond geplant war, sagte Dr. Mylswamy Annadurai, ehemaliger Direktor des UR Rao Satellite Center in Bengaluru. Er fügte hinzu, dass ein solcher Transfer nicht stattgefunden habe, da sich die ISRO aufgrund von Differenzen über das Design der Lander-Rover-Mission für einen Alleingang entschieden habe. Er sagte, seine Kollegen bei ISRO hätten das Gefühl gehabt, dass das Gewicht erheblich zunehmen könnte, wenn sie dem von russischen Weltraumwissenschaftlern vorgeschlagenen Design zustimmten.
„Die Wahl zwischen Solar- und Atomenergie für eine Weltraummission hat alles damit zu tun, wo ein Raumschiff operieren muss und was die Mission leisten muss, wenn sie dort ankommt“, sagte er. „Radioisotopenenergie ermöglicht oder verbessert die Fähigkeit einer Mission, ihre wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, nur erheblich.“
Ungeachtet der Meinungsverschiedenheiten bezüglich der Chandrayaan-Mission arbeiten Weltraumwissenschaftler beider Länder weiterhin zusammen, unter anderem am bemannten Raumfahrtprogramm „Gaganyaan“, das darauf abzielt, voraussichtlich im Jahr 2025 einen indischen Astronauten mit einer in Indien hergestellten Rakete ins All zu schicken. Viertens Spitzentestpiloten der indischen Luftwaffe (IAF) wurden im Jahr 2020 zur Ausbildung in Einrichtungen geschickt, die für die geplanten Reisen ins Weltall eingerichtet wurden.
Unterdessen hat die indische Raumfahrtbehörde auch zwei wichtige Technologien geheim gehalten, die von Bellatrix Aerospace, einem in Bengaluru ansässigen Raumfahrttechnologie-Startup, für zukünftige Missionen entwickelt wurden.
Diese einzigartigen Antriebssysteme – Motoren, die Elektrizität anstelle herkömmlicher chemischer Treibstoffe an Bord von Satelliten nutzen – wurden im Weltraum an Bord von POEM-3 (PSLV Orbital Experimental Module-3) getestet, das am 1. Januar 2024 von PSLV gestartet wurde. Die Besatzung versuchte auch, sie auszutauschen gefährliches Hydrazin mit einem ungiftigen und umweltfreundlichen, leistungsstarken proprietären Treibmittel.
Hydrazin, eine anorganische Verbindung, die als langfristig lagerfähiger Treibstoff verwendet wird, wurde in der Vergangenheit von verschiedenen Raumfahrtbehörden eingesetzt; sogar für Triebwerke an Bord der Space Shuttles der NASA. Es birgt jedoch eine Vielzahl von Gesundheitsrisiken; Ingenieure tragen Raumanzüge, um sich beim Beladen vor dem Start eines Satelliten oder einer Weltraumsonde zu schützen.
Im Jahr 2017 empfahl die Europäische Union, seine Verwendung als Satellitentreibstoff zu verbieten, was die Europäische Weltraumorganisation (ESA) dazu veranlasste, nach Alternativen zu Hydrazin zu suchen. Die US-Regierung hat ein Verbot der Verwendung von Hydrazin zum Antrieb von Satelliten im Weltraum bis 2025 vorgeschlagen.
ISRO-Quellen sagten, die Triebwerke müssten im Weltraum getestet werden; Dies würde als Vorstufe für solche Antriebssysteme dienen und sie für Satelliten der nächsten Generation weltweit verfügbar machen. Die potenziellen Kunden könnten aus Ländern stammen, die ein Verbot von Hydrazin erwägen, oder sogar aus ISRO für die nächste Satellitengeneration.
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