atw International Journal for Nuclear Power | 04.2020

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atw Vol. 65 (2020) | Issue 4 ı April Der Weltraum: unendliche Weiten – und Kernenergie überall 184 Liebe Leserin, lieber Leser, in diesen Tagen, in denen unsere Gesellschaft global mit den Herausforderungen und der Bewältigung der Corona-Pandemie konfrontiert wird, soll der Blick des Editorials nicht auf strittige irdische Themen fallen, sondern darüber hinaus in die Weiten des Weltalls blicken. EDITORIAL Christopher Weßelmann – Chefredakteur – Begibt sich der Mensch auf eine Reise in den Weltraum oder schickt er Raumsonden auf ihren Weg in den Kosmos, stellt sich auch hier die Frage nach einer geeigneten Energieversorgung – der Aufwand zum Antrieb und zum Verlassen des Erdgravitationsfeldes sei hier außen vor gelassen – , die eine Raummission erst möglich macht. Sind Raumfahrerinnen und Raumfahrer mit von der Partie, muss unter anderem für ausreichend Wärme, Kühlung und Atemluft gesorgt werden, sind es unbemannte Flugkörper, ist wesentlich nur für die Energieversorgung der technischen, also elektrischen, Systeme zu sorgen. Grundsätzlich bieten sich heute drei Formen der Kernenergie an: Als erstes die indirekte Nutzung. Der Kernfusionsreaktor Sonne liefert die Strahlungsenergie – Licht, die in Photovoltaikzellen in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Grundlagen der Photovoltaik waren dabei schon sehr lange bekannt. Die Grundlage, der Photoelektrische Effekt wurde 1839 entdeckt. Der technische Durchbruch gelangt allerdings erst mehr als 100 Jahre später, als 1958 der U.S. Satellit Vanguard I neben einer Brennstoffzelle mit Photovoltaikzellen ausgerüstet wurde. Unter anderem diese ermöglichten einen Betrieb des Satelliten für fast sechs Jahre. Als zweites der Einbau eines Kernreaktors: Der erste Kernreaktor zur Energieversorgung wurde am 4. April 1965 von der U.S. Air Force mit einer Atlas Trägerrakete und dem Snapshot Technologiesatellit in eine Erdumlaufbahn gestartet. Ziel der Mission war einerseits die Erprobung eines Kernreaktors in einem Satelliten und zum anderen die Funktion eines Ionentriebwerks. Der Reaktor entstammte dem SNAP – System for Auxiliary Power Program der U.S. Atomic Energy Commission. Der eigentliche Reaktorkern hatte ein Gewicht von 290 kg, ein Volumen von etwa 16 l und gab im Betrieb eine thermische Leistung von ca. 30 kW ab. Die Regelung der Kettenreaktion erfolgte über vier außen angeordnete, halbzylinderförmige Neutronenreflektoren aus Beryllium. Die Wärme wurde von einer Legierung aus Natrium- Kalium (NaK) aus dem Reaktor abgeführt und in Thermoelementen mit einer maximalen Ausgangleistung von 0,5 Kilowatt (kW) in elektrischen Strom umgewandelt. Die Temperaturdifferenz zwischen NaK-Kühlmittel und dem umgebenden Weltraum war dabei treibende Kraft. Aufgrund einer Fehlfunktion in der Satellitenelektronik wurde die Mission nach 43 Tagen abgebrochen und der Reaktor abgeschaltet. Während für die USA die Energieversorgung mit Kernreaktoren im Weltraum in späteren Jahren keine Rolle mehr spielte, hatte die Sowjetunion fast 40 Radar Ocean Reconnaissance Satellites in den Orbit geschossen, die mit Uran-Reaktoren der Bezeichnung BES-5 und Topas ausgerüstet waren. Die auch als Kosmos bekannten Militärsatteliten konnten Schiffsbewegungen mit aktivem Radar aus niedriger Umlaufbahn überwachen und mussten von daher aufgrund ihres hohen Energiebedarfs mit einer leistungsfähigen Energie quelle versorgt werden, also einem Kernreaktor. Anfang März 2020 gab es eine überraschende Erfolgsmeldung aus dem Weltraum, vom Mars. Der seit mehr als sieben Jahren auf unserm Nachbarplaneten aktive Rover Curiosity lieferte das bislang größte Panorama mit 1,8 Gigapixel Auflösung – aktuelle Digitalkameras liefern Einzelbilder mit einer Auflösung von ca. 25 Megapixeln. Das Bild wurde aus mehr als 1000 Einzelbildern zusammengesetzt und zeigt die Umgebung am Hang des Bergs Aeolis Mons. Aufgenommen wurden diese zwischen dem 24. November und 1. Dezember 2019, als weitere Experimente bzw. Aktivitäten für Curiosity nicht anstanden. Curiosity war 2012 auf dem Mars gelandet. Die Suche nach Spuren früheren Lebens und grundlegenden Umgebungsbedingungen auf dem Mars sind unter anderem Gegenstand der Mission. Die Energieversorgung des Rovers wird von Radionuklidbatterien sicher gestellt, die, anders als bei früheren Missionen, wetterunabhängig sind und zudem konstante, stabile thermische Bedingungen für die Systeme des Rovers gewährleisten. Radio nuklidbatterien sind die dritte Option zur Energieversorgung im Weltraum. Die Curiosity-Mission geht zurück auf erste Überlegungen im Jahr 2003 und ein Dokument der National Academie unter dem Titel „New Frontiers in the Solar System: An Integrated Exploration Strategy“. Am 26. November 2011 startete die Mission an Bord einer Atlas-V-Trägerrakete. Neun Monate später landete der Rover im August 2012 auf dem Mars und begann mit seinen Experimenten. Wichtig für den Rover ist auch seine Beweglichkeit. Das heißt, er ist für die Durchführung von Experimenten nicht an seinen Landepunkt gebunden, sondern kann zu Punkten fahren, die für Untersuchungen als besonders geeignet erscheinen. Bis Anfang 2020 konnte Curiosity so rund 22 km zurück legen und insbesondere mit beeindrucken Fotos der Marsoberfläche begeistern. Die Curiosity- Mission ist zudem technologisch ein Erfolg. Denn ursprünglich war die Mission für zwei Jahre vorgesehen, wurde aber aufgrund der Verlässlichkeit der Technik des Rovers, inklusive Energieversorgung, sowie der wissenschaftlichen Ergebnisse bis heute verlängert – siebeneinhalb Jahre auf dem Mars. Radionuklidbatterien, kurz RTG (radioisotope thermoelectric generators) sind eine sehr zuverlässige und kompakte Option für die Energieversorgung. Grundlage ist die Umwandlung thermischer Energie aus dem Zerfall radioaktiver Isotope in einem thermoelektrischen Element in elektrische Energie. Da über die Halbwertzeit die zeitliche Verfügbarkeit der Wärmequelle eingestellt werden kann und RTGs keine beweglichen Teile benötigen, sind diese sehr zuverlässig. Das Masse-Leistungs-Verhältnis im Vergleich zu Kernreaktoren ist zwar schlechter, bei Missionen ohne die Möglichkeit eines Eingriffs Vor-Ort spricht dann aber ihr einfacher Aufbau für sie. Die ersten bekannten RTGs für Raumfahrtmissionen wurden im Rahmen des NASA SNAP-Programms 1958 getestet. 1961 erfolgte mit SNAP-3 die erste Anwendung im Weltraum. Von der NASA sind 27 Missionen mit RTGs dokumentiert, davon auch eine im Rahmen des Apollo-Programms, die die Energieversorgung mit Kernenergie eines Messgerätes auf dem Mond sicher stellte. Weiterhin ist der Einsatz in Weltraummissionen der ESA, Chinas und Russlands bzw. der früheren Sowjetunion bekannt, aber nicht im Detail dokumentiert. Zwei weitere Missionen, die Voyager 1 und 2 Sonden haben zudem die terrestrische Kernenergietechnologie außerhalb des Sonnensystems gebracht. 2012 beziehungsweise 2018 verließen die 1977 gestarteten Raumflugkörper unsere nähere Raumumgebung. Diese Missionen waren ursprünglich für vier Jahre projektiert; die Stromversorgung war von vornherein auf Basis von RTGs konzipiert, da die Leistung von Photovoltaikzellen jenseits der Umlaufbahn des Mars nicht mehr ausreicht und diese zudem im dann folgenden Strahlungs gürtel zu schnell degradieren würden. Es bleibt interessant mit der Kernenergie im Weltraum – beobachten wir dies mit Verstand von der Erde aus und bleiben Sie gesund, Ihr Editorial Space: Final Frontier – Always Nuclear
atw Vol. 65 (2020) | Issue 4 ı April Did you know...? Wake Effect Constraints on the Build-up of Offshore Wind Capacity in the German North Sea The recent study “Making the Most of Offshore Wind – Re-Evaluating the Potential of Offshore Wind in the German North Sea” comissioned and published by the German think tank Agora Energiewende and issued by Technical University of Denmark, Department of Wind Energy DTU Wind Energy and Max Planck Institute for Biogeochemistry, Biospheric Theory and Modeling gives an anlysis of the wake effect on a regional scale with respect to the expansion of offshore wind energy in the German part of the north sea. Taking account of the capacity requirements of European and German decarbonization scenarios (see graphs below) the study concludes that the wake effect could have a significant impact on the capacity factor of wind turbines in the German Bight and needs to be considered for future planning. The wake effect is more important for wind energy offshore than onshore because the densiy of prospective installed capacity is much higher (10 MW/km² offshore vs below 0.5 MW/km² for German onshore in average) and because stronger air turbulence over land leads to a better recovery of energy in the air flow. In comparing the scenario of 28 GW installed capacity on 2.800 km² in the German Bight with 72 GW on 7.200 km² the study concludes that the capacity factor with 28 GW will remain about the same 41 per cent as today with 8 GW installed capacity, but that the expansion to 72 GW in the same region would reduce the over all capacity factor to some 35 per cent. The additional 44 GW capacity thus would add only 120 TWh to the 100 TWh produced by 28 GW installed capacity instead of some 160 TWh as would be expected with a constant capacity factor. The authors of the study then propose to extend the installation of additional capacity over a larger area in cooperation with Germany's neighbours. Furthermor they suggest to investigate the regional aspect of the wake effect for onshore wind turbine deployment too, as well as the possible effects of offshore expansion on the capacity factors of onshore wind turbines in general. For further details please contact: Nicolas Wendler KernD Robert-Koch-Platz 4 10115 Berlin Germany E-mail: presse@ KernD.de www.KernD.de DID YOU EDITORIAL KNOW...? 185 Offshore wind capacity assumed in EU climate target scenarios for 2050 in GW 1,000 800 500 p specifically dedicated to renewable hydrogen production 600 400 396 451 510 200 0 1.5LIFE 1.5TECH Optimized Gas EC (2018c), Navigant (2019) Ranges of necessary wind power generation by 2050 in 95% decarbonization scenarios for Germany in TWh 2019 2050 700 750 600 500 400 470 520 300 200 100 0 126 Wind Onshore + Offshore Wind Onshore + Offshore 220 Onshore 180 280 Offshore Acatech et al. (2017), Agora Energiewende (2020), BDI (2018), BMU (2015) MWV (2018); figures are rounded; Acatech et al. models a 90% GHG emission reduction by 2050 Did you know...?
Page 1 and 2: nucmag.com 2020 4 ISSN · 1431-5254
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Page 59 and 60:
Kommunikation und Training für Ker
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