Energie in de ruimte

Printvriendelijke versie

Regelmatig loopt de ruimtevaart op tegen de beperkingen van apparatuur. Daarom worden allerlei technieken beproefd om die beperkingen op te heffen. Ook nucleaire technologie wordt gebruikt. 

De meest voorkomende toepassing van nucleaire techniek in de ruimtevaart is de benutting van warmte die vrijkomt bij het radioactief verval van isotopen. De vervalwarmte wordt gebruikt om kwetsbare instrumenten op temperatuur te houden. Die houden het anders in de koude ruimte (-230 °C) niet lang uit. De meeste elektronica functioneert namelijk betrouwbaar tot slechts -55 °C.

Radio-istope Heater Units (RHUs) genereren warmte door het natuurlijke radioactief verval van een radio-isotoop. RHUs zijn zeer betrouwbare warmte producenten, onafhankelijk van de afstand tot de zon (i.t.t. zonnecellen). Bovendien hebben ze geen bewegende delen die stuk zouden kunnen gaan. En ze zijn compact (3.2 cm hoog, diameter 2.6 cm) en bestand tegen inwerking van straling en inslagen van meteorieten. Meestal wordt plutonium-238 gebruikt. Het plutonium is meestal aanwezig als een tablet van plutoniumdioxide. De tablet zit veilig ingepakt in twee omhullingen. De ontwerper van ruimtevoertuigen kan zich dankzij de RHUs concentreren op de benutting van het schaars beschikbare elektrisch vermogen voor diverse systemen en meetinstrumenten aan boord. Er hoeft geen kostbaar elektrisch vermogen verspild te worden aan verwarmingselementen.

RTG
Er is ook apparatuur die elektriciteit uit de vervalwarmte van isotopen kan opwekken, de Radioiosotope Thermoelectric Generators (RTGs). Dit is een uitkomst voor op grote afstand van de zon, zoals missies in de buurt van Saturnus. Op dat soort afstanden zijn zonnepanelen niet meer efficiënt, er is te weinig zonlicht. Heel veel accu's meenemen is geen optie, ze functioneren niet lang genoeg en de massa van een groot aantal accu's bemoeilijkt de lancering.

Het principe van RTGs wordt al sinds de Apollo programma's gebruikt. In een RTG worden twee verschillende soorten halfgeleider-materialen verbonden in een elektrisch circuit. Eén deel van het systeem wordt warm gemaakt (door de vervalwarmte van bijvoorbeeld plutonium-238) en het andere deel wordt gekoeld door de lage temperatuur in de ruimte. In die situatie ontstaat een stroombron, die ook wel een thermokoppel wordt genoemd.

Een RTG is een zeer betrouwbare continue producent van elektriciteit zonder bewegende delen die stuk zouden kunnen gaan. Ook de RTG is compacte en onafhankelijk van de afstand tot de zon. Bij vrijwel alle missies op grote afstand van de zon worden RTGs toegepast. Vaak worden RTGs met zonnecellen gecombineerd op ruimtevaartuigen.

Nucleaire voortstuwing in de ruimtevaart

Al in de vijftiger jaren van de vorige eeuw werd nagedacht en gewerkt aan nucleaire voortstuwing in de ruimtevaart. Visionaire ingenieurs wilden in de jaren 60 van de twintigste eeuw nucleaire warmte te gebruiken om raketmotoren aan te drijven. De energiedichtheid van een splijtstof als uranium is veel hoger dan dat van 'chemische' brandstoffen. Gevolg: meer 'power' in een kleiner volume.
Echt gerealiseerde toepassingen zijn echter bescheiden van opzet. Nucleair verhitte raketmotoren zijn in het verleden getest en leken bepaalde voordelen te bieden. Tijdens de missies naar de Maan werd gewerkt aan nucleaire aandrijving. Projecten op dat gebied werden verlaten toen de belangstelling voor de Maan-missies verdween. Begin deze eeuw leek er weer een opleving te zijn van de belangstelling voor nucleaire voortstuwing. Bij de plannen voor bemande missies naar Mars nam de belangstelling voor nucleaire aandrijving weer toe. Nadat de budgetten van NASA werden gereduceerd, gingen de plannen weer in de koelkast.