Endlagerung in der Sonne

Sollte man radioaktiven Abfall auf die Sonne schießen?

In privaten Diskussionen hört man von diesem Vorschlag relativ häufig. Das klingt in der Regel so: „Was soll die ganze gefährliche Endlagerung auf der Erde, in Salzstöcken oder Granitfelsen, lasst uns doch den ganzen Schiet auf die Sonne schießen, dann ist er für immer weg, ungefährlicher und billiger ist das Verfahren auch noch“.

Aber selten trifft man auf eine Idee, die  auf den ersten Blick so elegant und intelligent erscheint, und sich bei genauerem Hinsehen als derart unsinnig, gerade zu als bullshit erweist. Dieser  Schuss in die Sonne wäre ein Schuss in den Ofen und ich werde versuchen, dies mit drei Argumenten zu belegen.   


1. Das Verfahren ist extrem unwirtschaftlich

Die Erde umkreist die Sonne mit einer Geschwindigkeit von 29.8 km/sec, mal etwas schneller, mal langsamer, denn es ist ja gar keine echte Kreisbahn, sondern eine Ellipse. Bei dieser Geschwindigkeit heben sich (in einer Entfernung von ca. 145 Millionen Kilometern von der Sonne) Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft gerade auf.

Um die Sonne genau zu treffen, muss deshalb die Geschwindigkeit von  29.8 km/sec durch Abbremsung vollständig vernichtet werden. Man kann nicht einfach in Richtung Sonne „losfliegen“, wie viele ganz naiv glauben. So kommt man nie an. Bremst man jedoch nur ein wenig ab, erreicht man nur eine mehr oder weniger gestreckte Ellipsenbahn um die Sonne.  Nun sind in der Raumfahrt physikalisch gesehen, Bremsung und Beschleunigung absolut gleichwertig, nur die Vorzeichen ändern sich. Eine Geschindigkeitsänderung Delta v von + 5 km/sec verbraucht genausoviel Treibstoff wie eine von - 5 km/sec.   

Wir müssen also eine ungeheuerliche Menge an Energie aufwenden, um eine Tonne „Atommüll“ in die Sonne zu befördern. Und das Zeug muss ja zunächst mal in den Orbit und von dort aus die Fluchtgeschwindigkeit der Erde erreichen. Dann muss nach einigen komplizierten Bahnmanövern gegen die Flugrichtung der Erde beschleunigt werden.

Die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde beträgt 11.2 km/sec und ist zu den 29.8 km/sec zu addieren. Bezogen auf die Erdoberfläche sind also mindestens 41 km/sec Geschwindigkeitsänderung zu erzielen. Das ist unglaublich viel. Um die 8 km/sec für den unteren Orbit (LEO in 200 km Höhe) zu erreichen, muss der Treibstoffanteil, bezogen auf das Startgewicht, schon mehr als 92 % betragen. Da die Rakete ja auch was wiegt, verbleibt ein Nutzlastanteil von 2-4 %, je nach Treibstoffkombination und Stufenzahl.

Wie sieht es aber aus,  wenn man auf 41 km/sec beschleunigen muss? Bei Einstufigkeit und einer Düsenaustrittsgeschwindigkeit w von 4200 m/sec (H2 / LOX) beträgt nach der Raketengrundgleichung

Vb = w x ln ma/mb.

der Treibstoffanteil mehr als 99.99 %.

Das bedeutet, daß für Rakete und Nutzlast weit weniger als ein Zehntausendstel des Startgewichtes zur Verfügung steht. Nun, das gilt nur für Einstufigkeit. Bei drei oder vier Stufen sieht es ein wenig günstiger aus, aber über 99.9 % Treibstoffanteil sind es dann immer noch.  Daraus folgt, daß eine Rakete mit 10 Tonnen Nutzlast, voll betankt, weit mehr als 10 000 Tonnen wiegen müsste, gut dreimal mehr als die Mondrakete Saturn V. Ein Start würde viele Milliarden kosten, einige Millionen pro Kilogramm Fracht. Mehr als tausend Flüge RIchtung Sonne wären erforderlich, um die bisher angefallenen hochradioaktiven Abfälle allein Europas weg zubringen.

Verringern lässt sich dieser unbezahlbare Aufwand natürlich durch die Entwicklung wieder verwendbarer Großraketen, z.B Typ Neptun, oder durch den Bau eines Weltraumfahrstuhles, aber auch dadurch, daß der Abfall in Granatenähnliche Behälter verpackt und mit elektromagnetischen Beschleunigern (coil guns), oder mit gigantischen Lufthochdruckgeschützen oder Gaskanonen (SHARP) oder mit Gerald Bulls 200 Tonnen schwerer Monsterkanone (HARP) in den unteren Orbit geschossen wird. Dort müssten die Projektile aber eingesammelt und mit, einer noch zu entwickelnden, im Raum gefertigten und betankten, Oberstufe zur Sonne geschickt werden.  

Aber auch dann, wenn die Fracht relativ kostengünstig, für einige Hundert oder für tausend Dollar pro Kilogramm in den unteren Orbit geschossen wird, bleibt noch eine Geschwindigkeitsdifferenz Delta v von mehr als 30 km/sec zu überbrücken. Dafür wäre immer noch ein Treibstoffanteil von weit über 99 % erforderlich (Treibstoff LOX/LH2).

Es bleibt außerdem noch ein Sicherheitsproblem beim Start von der Erde. Beim Abfeuern von Projektilen mag sehr selten etwas schief gehen. Aber bei Raketen besteht nunmal eine Versagenswahrscheinlichkeit von 1 % bis 2 %. Das ist völlig untragbar, es sei denn, man entwickelt Hochsicherheitsbehälter, die auch die schlimmsten Detonationen oder Abstürze aus 50 Kilometer Höhen überstehen können (ist aber wiederum kostentreibend).  

 

2. Die Sonnenoberfläche ist praktisch nicht erreichbar

Der Container mit dem hochradioaktiven Abfall hat nach verschiedenen Bahnkorrekturen den exakten Kurs Richtung Sonnenschwerpunkt gefunden und fliegt (genauer er fällt) auf die Sonne zu, quasi in einen unvorstellbaren „Gravitationsschacht“. Theoretisch schlägt der Container, bzw. das Projektil mit 618 km/sec auf der Sonnenoberfläche auf. Aber eben nur theoretisch.

Viele stellen sich einen Einschlag auf der Sonne ungefähr so vor, als ob der Hobbit den Ring in den Lavasee von Mordor wirft.

Die Sonne ist aber kein Lavasee, sondern ein 6000 Grad heißer Gasball ohne feste oder flüssige Oberfläche, mit einer extrem turbulenten Atmosphäre. Deren Temperatur beträgt im äußeren Teil, der Korona,  bis zu 1 Million Grad. Natürlich ist die Gasdichte dort wirklich sehr gering, so das sich ein Behälter nicht in kurzer Zeit auf 1 Million Grad erhitzen kann. Aber er wird spätestens in der unteren Korona oder der oberen Übergangsschicht zur  Chromosphäre bei 100 000 Grad zerstört, falls er nicht schon vorher von einer Protuberanz erwischt wurde. Es ist also mit Sicherheit anzunehmen, daß jeder Frachtcontainer lange vor dem „Aufschlag“ zerschmolzen ist. Der radioaktive Inhalt wird zerstäubt und von Protuberanzen,  Lichtdruck und Sonnenwind abgebremst und dann wieder zurückgeschleudert.

kein freundlicher Empfang für einen Frachtcontainer

Sicher hängt die Rückschleuderung auch von der Fallgeschwindigkeit ab, welche zum Zeitpunkt der Zerstörung erreicht ist. Diese beträgt zB. in 10 Millionen Kilometer Entfernung schon 180 km/sec. In einer Million Kilometer Distanz, sind es schon über 400 Kilometer pro Sekunde. Dort wird der (hochreflektierend beschichtete) Container allein durch die reine Sonneneinstrahlung schon auf 1800 K aufgeheizt, was ihn nach kurzer Zeit zerstört. Tatsächlich wird er dort aber durch die Sonnenatmosphäre noch stärker aufgeheizt.  

Zum nachrechnen:

 Teff = (S (1-A)/4 sigma)¼              kleiner Hinweis: die 2. Wurzel nehmen
 S = Sonneneinstrahlung ca. 25 Millionen Watt /m2
 A = Albedo des verspiegelten Containers 0.9
 sigma = Boltzmannkonstante 5.67 x 10 –8 W / m2 / K4

Je länger der Container der enormen thermischen Belastung standhält, desto schneller ist er also zum Zeitpunkt der Zerstörung. Aber bei einer Aufschmelzung und anschließenden Zerstäubung des Inhaltes werden ja Partikel von so geringer Größe (und damit so großer relativer Oberfläche ) erzeugt, daß sie extrem schnell abgebremst werden können. Der „Rückflug“ erfolgt zwar nicht gezielt in Richtung Erde, aber eben allgemein in Richtung Erdbahn.

Nun, das ist ja eine ganz tolle Form von Endlagerung.
Vom Prinzip her völlig unbefriedigend (höflich ausgedrückt).


Unserer Biosphäre droht davon jedoch keine große Gefahr. Jährlich einige hundert Tonnen radioaktiver Staub, verteilt über die ganze Erdbahn, dies ist für uns nicht mehr messbar. Aber um den ganzen Aufwand, der getrieben wurde, ist es schade. Wesentlich zielführender scheint doch eine Verbringung des „Atommülls“ in den Sonnenwindschatten der Erde zu sein, also nach außen. Dazu ist (bezogen auf die unbedingt zu erreichende Fluchtgeschwindigkeit von 11.2 km/sec) eine nur geringe Beschleunigungsarbeit von einigen hundert Meter pro Sekunde zu leisten.

Man bremst das Transportraumschiff leicht ab, es bleibt deshalb hinter der Erde zurück, driftet auch etwas in Richtung Sonne ab. Wenn der Abstand zur Erde einige Millionen Kilometer beträgt, wird erneut gezündet. Das Frachtraumschiff schneidet die Erdbahn wieder und schwenkt nach außen, in Richtung Marsbahn ab. Und dann wird die Detonation gezündet. Natürlich nicht nuklear, sondern mit z.B. 10 oder 20 Tonnen TNT. Die Fracht wird pulverisiert und als feiner radioaktiver Staub verteilt. Die Beschleunigung der Partikel erfolgt zwar radial in alle Richtungen, also auch in Richtung Erde, aber eben nur mit etwa 1000 Meter pro Sekunde. Der Sonnenwind fegt jedoch alles nach draußen, denn bei genügender Explosionskraft sind die Partikel ja nur einige Mikrometer groß.  

Und weg ist der Müll. Er verlässt sogar das Sonnensystem, da die Fluchtgeschwindigkeit von 16 km/sec vom Sonnenwind weit übertroffen wird. Der Lichtdruck beschleunigt noch zusätzlich.
Der interstellare und letztendlich der intergalaktische Raum sind von Natur aus so unfassbar strahlungsintensiv, daß der Mensch mit seinen paar lausigen Trilliarden Becqerel keinerlei messbare Wirkung erzeugt.  

 

3. Eine Endlagerung ist gar nicht nötig

Ich, als Geologe, glaube, daß es Orte für eine sichere Endlagerung (über die erforderlichen ca. 240 000 Jahre für Plutonium 239) auf der Erde gibt, daß aber der Salzstock von Gorleben wahrlich nicht dazu gehört, Salzstöcke eigentlich grundsätzlich nicht. Große Granitdome sind da schon besser geeignet. Aber auf die Frage, wo auf der Erde man denn am besten endlagern sollte, lautet meine Antwort: NIRGENDWO.

Und schon gar nicht sollte man die Abfälle mit den langen Halbwertszeiten NICHT RÜCKHOLBAR einlagern. So herzlos es klingt, ich plädiere, wie viele andere auch, für die Beibehaltung der Provisorien. Die langlebigen und stark strahlenden Abfälle sollten, bis auf weiteres, leicht zugänglich, bzw. rückholbar gelagert werden.

Denn seit den späten Neunziger Jahren tut sich einiges auf dem Gebiet der Transmutation, d.h. der Umwandlung von langlebigen, hochtoxischen Spaltprodukten. Dabei wird ein Teilchenbeschleuniger mit einem Spaltreaktor kombiniert. Hochbeschleunigte Protonen treffen auf ein Zielobjekt aus flüssigem Blei, welches Neutronen emittiert. Diese können auch zur Spaltung von U 233 verwendet werden, wie im klassischen Kernrektor, aber eben auch zur Umwandlung von gefährlichen Spaltprodukten in kurzlebeige weniger toxische Produkte. Auch dabei wird Wärme frei, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Vier bis fünf Transmutatoren werden für Deutschland als ausreichend erachtet, weltweit müssten es mehr als hundert sein, Das US-Energieministerium veranschlagte 1999 etwa 280 Milliarden Dollar für die Aufarbeitung aller Abfälle. Aber davon wird ein Teil durch Energiegewinnung gedeckt. Die Transmutation ist übrigens unterkritisch, also inhärent sicher.

Wenn es bei diesem Verfahren zu weiteren technologischen Verbesserungen kommt, und die derzeit hohen Kosten auch noch ein Stück gesenkt werden, wäre es peinlich, wenn hunderttausende Tonnen langlebiger Spaltprodukte unerreichbar vergraben sind und ein potentielles Restrisiko darstellen. Die Halbwertszeiten dieser Abfälle, von z.B. 24 000 Jahren (Pu 239), auf wenige Jahre oder gar Monate zu reduzieren, und dabei auch noch etwas Energie zu gewinnen, scheint mir  die beste Lösung zu sein.  

Der Schuß in die Sonne ist wohl die schlechteste.



Autor: Michael Boden


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