Stirlingmotor maakt vier keer zo lange ruimtereizen mogelijk

Ruimtesondes naar de ijskoude uithoeken van het zonnestelsel kunnen geen gebruik meer maken van zonnepanelen. NASA gebruikt daarom een brok radioactief plutonium-238, dat langzaam uit elkaar valt. Helaas is dit goedje zeer schaars, maar NASA kan een goede oplossing ontwikkelen, blijkt uit een rapport.

Wat is plutonium-238?
Plutonium-238 (niet te verwarren met Pu-239, de stabielere isotoop die in atoombommen wordt gebruikt) is een plutoniumisotoop met een halfwaardetijd van 87,7 jaar (d.w.z. na die tijd is de helft uiteengevallen). Pu-238 is extreem radioactief: een gram produceert een watt en een grotere hoeveelheid van het goedje wordt roodgloeiend door de interne radioactiviteit. Pu-238 zendt alfadeeltjes uit: heliumkernen dus. Deze zijn buiten het lichaam niet erg gevaarlijk, ze kunnen tegengehouden worden door een blad papier. Om deze reden is het goedje erg geschikt als radioactieve energiebron.

Vervelend is dat de Amerikaanse voorraad Pu-238 afkomstig is van de Koude Oorlog – mede gekocht van de Russen – en aan het opraken is. Ook is Pu-238 heel lastig te bereiden en dus extreem duur: uit afgewerkte kernbrandstof moet neptunium worden gezuiverd, wat vervolgens moet worden bestraald om Pu-238 te produceren. Kortom: de beperkte voorraad moet over meer missies verdeeld worden. NASA heeft hiervoor een techniek ontwikkeld: de Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG). Deze verbeterde generator kan vier keer zoveel energie uit dezelfde hoeveelheid plutonium persen als een RTG. Dit zou NASA door de jaren heen kunnen helpen  tot 2020, als er weer een nieuwe voorraad plutonium is bereid. Dit maakt de techniek volgens de Amerikaanse Nationale Wetenschapsraad een speerpunt voor NASA.

Stirlingmotor
De Stirlingmotor is al meer dan tweehonderd jaar oud. De Stirlingmotor kent in theorie een rendement van maximaal 100%, het thermodynamische maximum. In de praktijk is dat minder, omdat de warmteoverdracht nooit optimaal is. De motor werkt door een warmteverschil af te tappen en is begin 19e eeuw door de Schotse predikant en uitvinder Robert Stirling, die iets wilde doen aan de vele ongelukken met stoommachines toen. Inderdaad is de Stirlingmotor veel zuiniger en veiliger dan een standaard stoommachine, maar is het vermogen erg laag. De reden dat de Stirlingmotor niet doorbreekt in bijvoorbeeld auto’s.

Gebruik in nieuwe ruimtemissies
RTG’s werken met een thermokoppel, een veel minder efficiënte elektriciteitsbron. In een thermokoppel ontstaat er een spanningsverschil tussen het koude en  het hete einde. Als NASA doorgaat met de ASRG’s die tot nu toe alleen getest zijn op aarde, kunnen ze worden gebruikt in bijvoorbeeld een onbemand vliegtuigje dat maandenlang rondvliegt in de atmosfeer van Titan, een van de door NASA geplande missies. In het rapport staan ook andere ideeën, zoals rond de aarde of andere hemellichamen draaiende brandstofdepots.

Bron:
NASA rapport