Nuklearbatterie im All vor dem Härtetest

Am 7. Juli 2026 ist der Kleinsatellit Bohr an Bord der SpaceX-Mission Transporter-17 von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien gestartet. Der Name Bohr steht für „Betavoltaic Orbital High-Reliability“. Der CubeSat gehört zu einer Gruppe von 81 Nutzlasten, die eine Falcon-9-Rakete von SpaceX im Rahmen des Rideshare-Flugs in einen niedrigen Erdorbit gebracht hat.

Entwickelt wurde Bohr vom US-Unternehmen City Labs aus Florida. Im Mittelpunkt der Mission steht die Erprobung der betavoltaischen Energiequelle NanoTritium im Weltraum. Bei dieser Technologie treffen die beim radioaktiven Zerfall von Tritium entstehenden Beta-Teilchen auf eine Halbleiterstruktur und erzeugen dort elektrischen Strom. Die Leistung fällt vergleichsweise gering aus, steht dafür jedoch kontinuierlich über viele Jahre zur Verfügung.

Die Solarzellen übernehmen weiterhin die Versorgung des Satellitenbusses und damit den eigentlichen Betrieb des CubeSats. NanoTritium liefert den Strom für eine separate Testnutzlast. Im Orbit soll sich zeigen, wie zuverlässig die Nuklearbatterie unter realen Weltraumbedingungen arbeitet.

Was ist an der Bohr-Mission neu?

City Labs bezeichnet Bohr als ersten kommerziellen nuklear betriebenen Satelliten und als ersten nuklearen CubeSat. Die technische Grundidee, radioaktive Zerfallsenergie zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen zu nutzen, ist allerdings deutlich älter. Die Besonderheit bei der neuen Mission liegt vor allem im kommerziellen und regulatorischen Rahmen. Nach Angaben des Unternehmens ist Bohr die erste kommerzielle Mission mit radioaktivem Material, die den im US-amerikanischen National Security Presidential Memorandum 20 festgelegten Genehmigungsweg genutzt hat. Das Dokument regelt in den USA unter anderem die Zuständigkeiten für Starts von Raumfahrzeugen mit nuklearen Energiesystemen.

Die US-Luftfahrtbehörde FAA erteilte am 30. September 2025 die Nutzlastgenehmigung für Bohr. Die dafür erstellte Sicherheitsanalyse wurde laut City Labs mit technischer Unterstützung der Sandia National Laboratories geprüft und in das Genehmigungsverfahren eingebracht. Damit erprobt Bohr neben der Stromquelle auch einen möglichen Weg für weitere kommerzielle Weltraummissionen mit kleinen nuklearen Energiequellen. Jede künftige Nutzlast dürfte dennoch erneut bewertet werden. Die Freigabe von Bohr ist keine pauschale Zulassung für beliebige radioaktive Systeme.

Wie funktioniert die Tritium-Batterie?

Tritium ist ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs und spielt auch in der Idee der Fusionsenergie eine tragende Rolle. Sein Atomkern besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Beim Zerfall entsteht Helium-3, wobei ein Elektron als Beta-Teilchen freigesetzt wird. Die Halbwertszeit von Tritium beträgt rund 12,3 Jahre. In einer betavoltaischen Zelle werden diese Elektronen zur Stromerzeugung genutzt. Treffen sie auf das Halbleitermaterial, erzeugen sie dort bewegliche Ladungsträger. Eine elektrische Struktur führt diese Ladungen ab und stellt sie als nutzbaren Strom bereit.

Das Prinzip erinnert an eine Solarzelle. Bei der Photovoltaik lösen Photonen die Ladungsträger im Halbleiter aus, bei der Betavoltaik übernehmen Beta-Teilchen diese Aufgabe. Die Stromerzeugung erfolgt direkt aus der Zerfallsstrahlung. Eine thermische Zwischenstufe wie bei einem Radioisotopengenerator ist nicht erforderlich.

City Labs bindet das Tritium in Metallhydriden, die auch als Metalltritide bezeichnet werden. Der radioaktive Wasserstoff befindet sich dadurch in einem festen Material und muss nicht als komprimiertes Gas gespeichert werden. Die feste Einbindung ermöglicht kompakte Bauformen und soll den Umgang mit dem Isotop vereinfachen. Da eine betavoltaische Stromquelle keine beweglichen Teile benötigt, kann sie über lange Zeiträume arbeiten. Ihre Stärke liegt allerdings nicht in einer hohen Leistung. Sie eignet sich vor allem für Elektronik, die dauerhaft sehr wenig Strom benötigt.

Wie viel Strom liefert NanoTritium?

City Labs bietet verschiedene NanoTritium-Ausführungen an. Die verfügbare P100-Serie arbeitet laut Hersteller mit Spannungen von 0,8, 1,6 oder 2,4 Volt. Der Ausgangsstrom liegt je nach Ausführung zwischen 50 und 350 Nanoampere. Eine P200-Serie befindet sich noch in Entwicklung. Für sie nennt City Labs Ströme zwischen 52 und 156 Mikroampere bei denselben Spannungsstufen. Welche Variante im Bohr-Satelliten eingesetzt wird, hat das Unternehmen bislang nicht öffentlich angegeben.

Damit lässt sich auch die elektrische Leistung der Testnutzlast nicht genau bestimmen. Je nach Spannung und Strom bewegt sich eine solche Energiequelle typischerweise im Nano-, Mikro- oder unteren Milliwattbereich. Für den Betrieb eines vollständigen Satelliten reicht das nicht aus. Geeignet ist die Technik beispielsweise für Sensoren, Speicher, Zeitgeber oder Überwachungsschaltungen, die dauerhaft aktiv bleiben sollen.

Welche Leistung steckt theoretisch in Tritium?

Der Raumfahrtexperte Michael Khan hat auf SciLogs die Größenordnung der in Tritium enthaltenen Zerfallsleistung berechnet. Ein Gramm Tritium weist demnach eine Aktivität von etwa 3,6 × 10¹⁴ Zerfällen pro Sekunde auf. Aus der mittleren Energie der freigesetzten Beta-Teilchen ergibt sich eine theoretische Zerfallsleistung von ungefähr 0,33 Watt pro Gramm Tritium. Dieser Wert beschreibt die insgesamt frei werdende Energie und noch nicht die elektrische Ausgangsleistung einer fertigen Batterie.

Nur ein Teil der Energie lässt sich im Halbleiter in elektrischen Strom umwandeln. Hinzu kommen die Masse der Metallhydridstruktur, die Kapselung und weitere Bauteile. Die Leistungsdichte des vollständigen Systems fällt deshalb deutlich geringer aus als die theoretische Zerfallsleistung des reinen Isotops. Außerdem sinkt die Leistung mit dem radioaktiven Zerfall. Nach einer Halbwertszeit von rund 12,3 Jahren ist noch etwa die Hälfte des ursprünglichen Tritiums vorhanden. Entsprechend steht auch nur noch ungefähr die halbe anfängliche Zerfallsleistung zur Verfügung.

Wie viel Tritium Bohr an Bord hat, ist öffentlich nicht bekannt. Ohne diese Angabe und ohne Daten zum Wirkungsgrad lässt sich keine genaue Ausgangsleistung für den Satelliten ableiten. Die Rechnung zeigt jedoch, warum Tritium vor allem für langlebige Anwendungen mit sehr geringem Energiebedarf interessant ist.

Nuklearbatterien fliegen seit 1961 ins All

Radioisotopenbasierte Stromquellen werden bereits seit mehr als sechs Jahrzehnten in der Raumfahrt eingesetzt. Der US-Navigationssatellit Transit IV-A war das erste Raumfahrzeug, das mit einer Radioisotopen-Stromquelle gestartet wurde. Er gelangte am 29. Juni 1961 in den Orbit. Sein SNAP-3-Generator nutzte Plutonium-238. Die beim Zerfall entstehende Wärme wurde über thermoelektrische Elemente in elektrischen Strom umgewandelt. Diese Radioisotopengeneratoren, kurz RTG, funktionieren damit anders als die betavoltaische Zelle von Bohr.

Auch die Sowjetunion setzte nukleare Energiesysteme im Weltraum ein. Zwischen 1967 und 1988 startete sie zahlreiche Radaraufklärungssatelliten des RORSAT-Programms. Viele davon verwendeten Kernspaltungsreaktoren der Typen BES-5 beziehungsweise Buk. Sie erzeugten erheblich höhere elektrische Leistungen als Radioisotopenbatterien, brachten jedoch auch andere technische und sicherheitsrelevante Anforderungen mit sich.

Zu den bekanntesten Raumfahrzeugen mit Radioisotopengeneratoren gehören die beiden Voyager-Sonden. Sie starteten 1977 und beziehen ihre Energie bis heute aus Plutonium-238. Auch der Marsrover Curiosity nutzt seit seiner Landung im Jahr 2012 einen Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG). Bohr setzt sich von diesen Missionen vor allem durch seine geringe Größe, das Isotop Tritium, die direkte betavoltaische Stromerzeugung und die kommerzielle Ausrichtung ab.

Was passiert bei einer Beschädigung des Satelliten?

Tritium sendet Beta-Strahlung mit vergleichsweise niedriger Energie aus. Diese Strahlung hat nur eine geringe Reichweite und kann bereits durch dünne Materialschichten abgeschirmt werden. Von außen kann sie die menschliche Haut nicht durchdringen. Gesundheitlich relevant wird Tritium vor allem dann, wenn es in den Körper gelangt, etwa durch Einatmen oder die Aufnahme tritiierten Wassers. Deshalb kommt der festen Einbindung und Kapselung des Isotops eine wichtige Rolle zu.

City Labs speichert das Tritium in einer Metallhydridstruktur. Bei einer Beschädigung des CubeSats ist eine Freisetzung dennoch grundsätzlich denkbar. Wie groß die dabei mögliche Menge wäre, lässt sich anhand der öffentlich verfügbaren Daten nicht beurteilen. Das Unternehmen nennt weder die Tritium-Masse noch Einzelheiten zur Kapselung.

Feststeht jedoch, dass eine Kollision von BOHR wäre nicht im Ansatz mit der Zerstörung eines Kernreaktors oder eines plutoniumhaltigen RTG vergleichbar. Für eine belastbare Risikobewertung wären jedoch die vollständige Sicherheitsanalyse, die genaue Isotopenmenge und Daten zum Verhalten der Quelle bei einem Wiedereintritt erforderlich. Dass die FAA die Nutzlast genehmigt hat, zeigt, dass entsprechende Start- und Unfallscenario untersucht wurden. .

Wo könnten Tritium-Batterien eingesetzt werden?

Betavoltaische Energiequellen spielen ihre Vorteile überall dort aus, wo über Jahre hinweg geringe Strommengen benötigt werden und ein Batteriewechsel kaum möglich ist. In der Raumfahrt kommen dafür etwa autonome Sensoren, Überwachungsschaltungen, Speicherbausteine oder Zeitgeber infrage. Interessant ist die Technik auch für Orte, an denen Solarenergie nur eingeschränkt zur Verfügung steht. Dazu gehören permanent verschattete Mondkrater, lange Mondnächte, weit von der Sonne entfernte Missionen oder abgeschirmte Systeme im Inneren eines Raumfahrzeugs.

Für energieintensive Bordcomputer, Funkanlagen oder elektrische Antriebe reicht die Leistung heutiger Tritium-Batterien nicht aus. Sie könnten jedoch einzelne kritische Funktionen aktiv halten, während andere Energiequellen ausfallen oder abgeschaltet sind. Bohr soll nun zeigen, ob eine kommerziell gefertigte Tritium-Batterie den Start, die Strahlungsumgebung, die Temperaturschwankungen und den langfristigen Betrieb im Orbit zuverlässig übersteht. Gelingt der Nachweis, könnte die Mission den Weg für weitere Kleinsatelliten und autonome Systeme mit langlebigen Mikrostromquellen ebnen.