USA produzieren wieder Plutonium für Raumfahrt

Wissenschafter des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) im Bundesstaat Tennessee gaben im Dezember 2015 die Herstellung einer 50-Gramm-Probe Plutonium-238 (Pu-238) bekannt. Damit hat die zum DOE gehörende Einrichtung zum ersten Mal seit rund 30 Jahren in der Raumfahrt einsetzbares Plutonium hergestellt. Das Programm wurde vor rund zwei Jahren wiederbelebt und umfasst Zahlungen der NASA an das DOE im Umfang von rund USD 15 Mio. pro Jahr.

NASA braucht neuen Brennstoff

In den späten 1980er-Jahren war die Pu-Produktion in Savannah River eingestellt worden. Aktuell sind rund 35 kg Pu-238 für die NASA reserviert, was laut der Weltraumbehörde für zwei oder drei Missionen bis 2020 reicht. Es ist geplant, dass in den Laboratorien von Oak Ridge und Idaho vorerst jährlich 300–400 g des Materials hergestellt werden – finanziert von der NASA. Automatisierung und Vergrösserung der Anlagen soll diese Menge auf rund 1,5 kg pro Jahr erhöhen. Ausserdem könnte laut ORNL das neu produzierte Material mit bestehenden Beständen, die heute die Spezifikationen nicht erfüllen, vermischt und so nutzbar gemacht werden.

Die Produktion beginnt im Idaho National Laboratory, das die bestehenden Bestände an Neptunium-237 lagert und bei Bedarf ins ORNL schickt. Dort wird das Neptuniumoxid mit Aluminium vermischt und zu stark verdichteten Pellets gepresst. Im High Flux Isotope Reactor werden die Pellets anschliessend bestrahlt. Dadurch entsteht Neptunium-238, das schnell zu Pu-238 zerfällt. Die bestrahlten Pellets werden dann mit chemischen Verfahren aufgelöst, um das Pu von verbleibendem Neptunium zu trennen. Als Pu-Oxid gelangt das Material schliesslich ins Los Alamos National Laboratory, wo es bis zu seiner Verwendung für eine Weltraummission gelagert wird. Das übrig bleibende Neptunium wird wiederaufgearbeitet und für die Herstellung von weiterem Pu-238 verwendet.

«Nuklearbatterien» für die Raumfahrt

Das nicht waffenfähige Pu-238 wird in der Raumfahrt seit über 50 Jahren genutzt. In Radioisotope Thermoelectric Generators (RTG), kurz «Nuklearbatterien» genannt, wird seine Zerfallswärme mittels thermoelektrischer Elemente direkt in elektrischen Strom umgewandelt. So liefern RTG mit einer elektrischen Leistung von 100–200 W Energie für Instrumente an Bord von Raumsonden oder Satelliten. Zugleich beheizt die Zerfallswärme die meist hoch empfindlichen Geräte und schützt sie vor den extrem tiefen Temperaturen im Weltall.

RTG waren in den 1960er-Jahren ebenso an Bord militärischer Navigationssatelliten wie später auch ziviler Wettersatelliten. Sie lieferten Strom und Wärme für die Pioneer-, Viking- und Voyager-Sonden. Die jüngsten, mit solchen Systemen ausgestatteten Weltraummissionen sind der Mars-Rover Curiosity und die Sonde New Horizons, die 2015 den Pluto passiert hat. Die NASA plant, im Juli 2020 einen weiteren mit RTG ausgerüsteten Rover auf den Mars zu schicken.