Eines der größten Roboter-Projekte der Welt: Neue Modelle sollen den Atommüll in Fukushima aufräumen - t3n

Die Atomkatastrophe von Fukushima hat der Robotik einen gewaltigen Schub gegeben. Um die Atomruine zurückzubauen, haben die Entwickler:innen 40 Jahre Zeit – und die können sie gebrauchen. Die Sanierung der Atomruinen in Japan hat einen Meilenstein erreicht. Im Mai wurde der erste Roboter vorgestellt, der im 2011 zerstörten Atomkraftwerk Fukushima die Reste durchgebrannter Atombrennstäbe einsammeln soll. Um dies zu schaffen, hat der Konzern Mitsubishi Heavy Industries eine gigantische teleskopische Angelrute entwickelt, an deren Ende eine Mega-Pinzette sitzt. Der faltbare Roboterarm ist sieben Tonnen schwer und soll durch einen engen Zugangstunnel auf 24 Meter Länge ausgefahren werden. So groß ist die Entfernung vom Rand des zerstörten Reaktors zum Druckbehälter von Block 2, in dem sich ein Teil des geschmolzenen Brennstoffs angesammelt hat. Dieser Text ist zuerst in der Ausgabe 5/2024 von MIT Technology Review erschienen. Darin beschäftigen wir uns damit, wie KI die Robotik beflügeln kann. Hier könnt ihr die TR 5/2024 bestellen. [tableofcontents] Die Bergung des Atommülls beginnt Dann kann der neu entwickelte Greifer mit der Bergung des Atommülls beginnen – allerdings nur testweise in winzigen Mengen. Bei jedem Einsatz wird der Arm das Äquivalent eines Ohrstäbchens greifen – ein Bruchteil der 880 Tonnen an Brennstoff, die noch in den drei betroffenen Meilern ruhen. [caption id="attachment_1644775" align="aligncenter" width="620"] Durch einen engen Zugangstunnel kann sich dieser Roboterarm ins Innere des Reaktorblocks 2 schlängeln – hier bei einem Test mit einer Plexiglasröhre im Juli 2023. (Foto: IMAGO / Kyodo News)[/caption] Selbst die weltweit führende Roboternation Japan hat 13 Jahre gebraucht, diesen Meilenstein zu erreichen. Gleich nach der Atomkatastrophe schickten die Retter AKW-Roboter aus, die bisher für die Wartung der Kraftwerke im Einsatz waren. Doch schnell wurde klar, dass diese nicht reichen würden – und ein langer Entwicklungswettlauf begann. Der bevorstehende Test ist daher für Tepco-Ingenieur Yusuke Nakagawa, der für die Atommüllbergung mitverantwortlich ist, ein „äußerst wichtiger Schritt“. Tatsächlich ist die Entwicklung in Fukushima Teil des wohl größten Roboterprojekts der Menschheitsgeschichte, von dem bisher kaum jemand weiß. Insgesamt hat Tepco 40 Jahre Zeit und acht Billionen Yen (47 Milliarden Euro) für den Rückbau der havarierten AKWs bekommen. Ein Teil der Gelder wird in Roboter gesteckt. Eine der schlimmsten Katastrophen dieses Jahrhunderts bedingt somit die Entwicklung fortschrittlichster Robotertechnologie. Reaktor in Lebensgröße nachgebaut Wie enorm der Aufwand ist, lässt sich schon im Naraha Center for Remote Control Development (Narrec) der japanischen Atomenergiebehörde erahnen. Dort hat sie den Reaktorbehälter in Lebensgröße nachbauen lassen. Schon 584 Mal sei die Anlage zwischen 2016 und 2023 zum Testen von Robotern genutzt worden, erklärt ein Sprecher. Auf das Reaktorgebäude haben die Ingenieure und Ingenieurinnen bei ihrem Nachbau verzichtet. Stattdessen steht in der Mitte der Halle nur ein Modell der Reaktorhülle mit einem Loch in der Außenwand, daneben ein Stahlpodest für den Roboter. Voriges Jahr hat Mitsubishi Heavy, zuständig für Reaktorblock 2, hier seine Riesenangel getestet. Der Zugangstunnel bestand aus Plexiglas, damit die Entwickler sehen konnten, wie sich der in mehrere Glieder aufgeteilte Arm verhält. Einer der Stammkunden im Narrec ist auch das Team von Satoshi Okada, Chefingenieur der Roboterabteilung von Hitachi-GE Nuclear Energy, das die Roboter für Block 1 betreut. „Ich kann mich nicht an die Zahl der Roboter erinnern, die wir entwickelt haben“, sagt er. Es handele sich jedenfalls allein bei Hitachi-GE schon um Dutzende Modelle. [crosslinks ids="11644566,1644152,1642942"] Für jede Aufgabe ein neuer Roboter Die Federführung beim dritten Block hat Toshiba, mit ähnlich vielen Testobjekten. Denn die Probleme sind so speziell, dass für jede Aufgabe, die sich den Sanierenden stellt, in der Regel ein neuer Roboter entwickelt werden muss. Okada ist ein Mann der ersten Stunde. Schon vor der Atomkatastrophe war er für die Wartungsroboter der AKWs zuständig. Daher war ihm nach dem Erdbeben am 11. März 2011 rasch klar, dass er noch stärker gefordert sein würde. „Ich begann nach dem Atomunfall damit, die notwendigen Maßnahmen zu überdenken.“ Das Ausmaß der Katastrophe war unvorstellbar für die Japaner:innen. Es war ein Freitagnachmittag, als das Drama begann. Um 14:56 Uhr schnellte eine Erdplatte an einer Bruchzone tief im Pazifik in die Höhe. Im Epizentrum, 72 Kilometer vor der Küste Nordost-Japans, lag die Magnitude des ersten Stoßes bei 9 auf der Richterskala, eines der stärksten Beben der letzten Jahrhunderte weltweit. Das Erdbeben verursachte bereits Schäden im AKW Fukushima 1. Doch das eigentliche Desaster löste ein Megatsunami aus, der sich an einigen Stellen der betroffenen Küstenregion bis zu 40 Meter die Hänge hochschob und dabei ganze Küstenstädte mit sich riss. Über 20 000 Menschen starben in den Fluten. Auch vier der sechs Blöcke des AKWs wurden letztlich zerstört. Erst brach die Stromversorgung zusammen, dann die Kühlung. In drei Reaktoren schmolzen die Kerne, während Wasserstoffexplosionen mehrere Reaktorgebäude zerrissen. Nur in Reaktor 4 überlebten die Brennstäbe, da sie gerade wegen Wartungsarbeiten im Kühlbecken lagerten. Langsam zu den Reaktorkernen vorarbeiten Die Arbeitsbedingungen an den Atomruinen haben sich inzwischen in großen Teilen des Geländes normalisiert. Früher mussten die Retter:innen 40 Kilometer südlich der Meiler Schutzanzüge und Vollgesichtsmasken anlegen, um einige Stunden an den AKWs arbeiten zu können. Heute fahren die Arbeiter:innen im Privat-PKW vor, da man sich auf über 90 Prozent des Geländes ohne Schutzkleidung und Masken bewegen kann. Der Grund: Tepco hat den gesamten Untergrund zubetoniert. Zumindest von dort geht keine Strahlung mehr aus. „Ich war schockiert von den verheerenden Zuständen“, erinnert sich Okada an seinen ersten Besuch vor Ort. Dabei konnte er nur die Zerstörung auf dem Gelände sehen, nicht das Innere der Reaktorgebäude. Seine Aufgabe wurde ihm rasch klar: „Die Bergung des Brennstoffs war zwar das finale Ziel, aber ich fing an zu überlegen, was zuvor getan werden musste und welche Robotertechnologien dafür nötig waren.“ [caption id="attachment_1644776" align="aligncenter" width="620"] Der ASTACO-SoRa ist ein für Fukushima entwickelter Räumroboter. Damit seine Steuerelektronik nicht unter der Radioaktivität leidet, wird er ferngesteuert. (Foto: imago / Kyodo News)[/caption] Die Beseitigung von Trümmern innerhalb der Reaktorgebäude war eine wichtige Aufgabe. Dafür entwickelte sein Team beispielsweise den ASTACO-SoRa, einen zweiarmigen Kraftmeier auf Raupenketten. Die Arme können bis zu 250 Zentimeter hoch greifen und jeweils 150 Kilogramm schwere Teile heben. Das Gerät kann dabei aus sicherer Entfernung fernbedient werden. Mehrere Jahre brauchten die Retter:innen, um überhaupt einen Zugang ins Innere des Reaktors 1 zu finden. 2015 war es so weit. Für die ersten Bilder musste noch ein Gerät durch ein Zugangsrohr rutschen und sich dann weiter über einen Gitterrost bewegen. Der Roboter namens PMORPH, den Okada dafür entwickelt hat, ist für ihn bis heute ein persönlicher Meilenstein. Er ist eine Art Formwandler aus drei beweglichen Gliedern. Im Rohr gleitet er wie eine Schlange vorwärts, auf dem Gitter klappen die beiden äußeren Glieder nach hinten, um ein liegendes U zu bilden. In den beiden Armen des U stecken Gummiketten, auf denen das Gerät weiterrollen konnte. [caption id="attachment_1644777" align="aligncenter" width="620"] Der PMORPH-Roboter ist ein Formwandler. Mit seinen Segmenten kriecht er wie eine Schlange durch enge Röhren. Als U rollt er dann auf Gummiketten weiter. (Foto: picture alliance / Associated Press)[/caption] „Das Patent habe ich selbst angemeldet“, erinnert sich Okada. „Dann habe ich ihn selbst nach Fukushima gebracht und die Untersuchungen durchgeführt.“ Eine zweite Version folgte, bis das Projekt 2017 reif für den nächsten Schritt war: Mit kleinen Tauchrobotern konnten die Ingenieure und Ingenieurinnen einen Blick auf den Boden des Druckbehälters werfen, wo sie den geschmolzenen Brennstoff vermuteten. Sie ließen einen Tauchroboter hinab – und standen prompt vor dem nächsten Rätsel: „Als wir die Kamera hier hinunterließen, war alles voller Sand und Geröll, aber die Brennelemente waren nicht zu sehen.“ Niemand wusste, woher die etwa einen Meter dicke Ablagerung stammte. Erst in den Jahren 2021 und 2022 konnten die Sanierenden bei weiteren Untersuchungen den Brennstoff finden – er war Teil des Sediments geworden. Auch Roboter leiden unter Radioaktivität Nicht nur Menschen, auch Roboter leiden unter der starken Radioaktivität, besonders unter der massiven Neutronenstrahlung in der Nähe der Reaktorkerne. Dadurch rauschen unter anderem die Bildsensoren erheblich, berichtet Okada. „Aber auch bei anderen Komponenten wie Computerprozessoren und der Steuerungselektronik führt die Strahlung zu Fehlern.“ Schuld daran ist harte Physik: Die einfallende Strahlung kann in einem Halbleiter zusätzliche Elektronen freisetzen. Das führt zu Störungen. Außerdem ändern sich durch Strahlung die anliegenden Spannungen, was ebenfalls Schäden verursacht. Wie lange ein Roboter unter diesen Umständen durchhält, hängt von der Dosis der ionisierenden Strahlung ab. Die Maßeinheit für die absorbierte Energie pro Masse heißt Gray. „Halbleiter halten etwa 100 bis 200 Gray aus, bevor sie ausfallen“, berichtet Okada. Nach Tepcos Angaben herrschen in den Reaktorgebäuden ein bis zehn Gray pro Stunde, was die Lebensdauer der Maschinen rechnerisch auf 10 bis 20 Stunden begrenzt. Eine Lösung ist, die Steuerungseinheiten so weit wie möglich vom Einsatzort zu entfernen. Einige Roboter ziehen daher meterlange, zehn Zentimeter dicke Kabelbäume hinter sich her, welche die Motoren mit der ausgelagerten Elektronik verbinden. Als Alternative hat Okadas Team Roboterarme und -hände entwickelt, die sich nicht elektrisch, sondern hydraulisch bewegen. Auch hier befindet sich die Steuerung außerhalb des Gebäudes, wo die Strahlung niedriger ist. [crosslinks ids="1642044,1641505,1639579"] Unterschiedliche Ausgangslagen in Block 1,2 und 3 Erschwert wird die Arbeit noch dadurch, dass die Ausgangslage in jedem der drei Reaktoren unterschiedlich ist. In Block 1 ist nach derzeitigen Erkenntnissen fast der gesamte Brennstoff auf den Boden gesunken und überflutet. In Block 2 befindet sich noch ein Großteil des Brennstoffs im ursprünglichen Druckbehälter, und der Schutt am Boden des Sicherheitsbehälters ist kaum von Wasser bedeckt. Auch in Block 3 ist ein Teil des Brennstoffs noch im Druckbehälter, während sich am Boden des Sicherheitsbehälters unter hohem Wasserstand zwei bis drei Meter Sedimente abgesetzt haben. Und für jede Situation müssen eigene Methoden und Maschinen zur Bergung entwickelt werden. Angesichts dieser Herausforderungen seien „die Effizienz und die Geschwindigkeit, mit der die Japaner diese Arbeiten durchgeführt haben, wirklich beeindruckend“, sagt Brad Bonn, Senior Manager der Nuclear Operations beim amerikanischen Roboterhersteller Boston Dynamics, auch wenn die Fortschritte langsam erscheinen mögen. Bonn kennt sich im havarierten AKW aus. Er ist zuständig für den Einsatz vom Roboterhund Spot, dem bisherigen Bestseller von Boston Dynamics. Mit seinen vier Beinen und dem kniehohen Körper erinnert Spot an einen Hund. Noch heute unterstützen einige Exemplare bei der Sanierung, indem sie die Reaktorgebäude inspizieren. „Roboter seien eigentlich in der Atomindustrie geboren worden, hat mal ein Experte gesagt“, erklärt Bonn. Denn in Atomkraftwerken gibt es viele Bereiche, die Menschen – wenn überhaupt – nur mit Schutzkleidung betreten dürften. Auch Roboterhund Spot kommt zum Einsatz Spot nimmt dabei allerdings eine Sonderrolle ein. „Die eingesetzten Roboter sind meist hoch spezialisiert und für eine ganz bestimmte Arbeit entwickelt worden“, sagt er. Sein Hund ist dagegen eher ein Generalist. „Daher ist er auch viel erschwinglicher.“ Über 100.000 US-Dollar dürften die Ausstattungsvarianten für Atomkraftwerke kosten – statt mehrerer Millionen Dollar für Einzelanfertigungen. In direkter Umgebung und im Inneren der Gebäude müssen Menschen weiterhin Schutzkleidung tragen. Dort kann Spot nun seine Fähigkeiten ausspielen: über Treppen und Geröll steigen, Türen öffnen, Hebel bewegen und dabei mit Lidar-Sensoren, Kameras und Geigerzählern die Lage erfassen. Die Bedienenden sitzen dabei in sicherer Entfernung und geben ihre Anweisungen drahtlos über ein Funknetz, dessen Basisstationen Spot selbst ausgelegt hat. Viele Aktionen führt Spot dabei schon autonom durch. „Der Fahrer sagt ihm nur, dass er in eine bestimmte Richtung gehen soll, alles andere macht der Roboter“, sagt Bonn. Für komplizierte Handgriffe lässt sich Spot auch fernbedienen. Spot arbeitet nicht nur in Fukushima Die Strahlung in den für Spot zugänglichen Bereichen habe noch keinen Schaden angerichtet. Von den bisher verkauften 1500 Spots arbeiten daher schon einige in anderen Atomanlagen mit, zum Beispiel in der Wiederaufbereitungsanlage Sellafield in Großbritannien. „Dort wird der Roboter eingesetzt, um kleine weiche Abfälle zu bergen und in ein Fass zu füllen“, erklärt Bonn. Die anderen Kunden profitieren dabei auch von den Lehren in Fukushima. „Dort haben wir gelernt, dass Dinge wie Kommunikation absolut entscheidend sind“, sagt Bonn. Gleichzeitig kommen Software-Updates, die Boston Dynamics für andere Atomkunden entwickelt, auch den japanischen Nutzenden zugute. Spot wird noch viel Zeit haben, an der Herausforderung Fukushima zu wachsen und sich weiterzuentwickeln. Denn der Roboter mit dem Teleskoparm für Block 2 ist nur ein erstes Testgerät. Bei Block 1 ist es noch einmal so weit. „Zehn Jahre nach dem ersten Blick in die Reaktoren haben wir nun ein umfassendes Bild von der Lage. Jetzt beginnen wir mit der Planung, wie wir die geschmolzenen Brennelemente bergen können“, erklärt Okada. „Das wird noch viele Jahre dauern.“ Für die folgenden Generationen von Entwicklern hat er nach seiner an Überraschungen reichen Zeit in Fukushima eine Lehre parat: „Es ist sehr wichtig, auf das Unerwartete vorbereitet zu sein.“