Das Sonnensystem ist ein wirklich großer Ort, und es dauert ewig, mit traditionellen chemischen Raketen von Welt zu Welt zu reisen. Aber eine Technik, die bereits in den 1960er Jahren entwickelt wurde, könnte eine Möglichkeit bieten, unsere Reisezeiten dramatisch zu verkürzen: Atomraketen.
Natürlich birgt der Start einer Rakete, die mit radioaktivem Material betrieben wird, auch seine eigenen Risiken. Sollten wir es versuchen?
Nehmen wir an, Sie wollten den Mars mit einer chemischen Rakete besuchen. Sie würden von der Erde abheben und in eine niedrige Erdumlaufbahn gehen. Dann würden Sie im richtigen Moment Ihre Rakete abfeuern und Ihre Umlaufbahn von der Sonne anheben. Die neue elliptische Flugbahn, der Sie folgen, schneidet den Mars nach acht Monaten Flug.
Dies wird als Hohmann-Transfer bezeichnet und ist die effizienteste Art und Weise, wie wir im Weltraum reisen können, mit der geringsten Menge an Treibstoff und der größten Nutzlast. Das Problem ist natürlich die Zeit, die es braucht. Während der gesamten Reise verbrauchen Astronauten Nahrung, Wasser und Luft und sind der langfristigen Strahlung des Weltraums ausgesetzt. Dann verdoppelt eine Rückkehrmission den Ressourcenbedarf und verdoppelt die Strahlenbelastung.
Künstlerische Illustration des Starts des Space Launch Systems, das schließlich die stärkste jemals gebaute Rakete sein wird. Bildnachweis: NASA
Wir müssen schneller werden.
Es stellte sich heraus, dass die NASA seit fast 50 Jahren darüber nachgedacht hat, was nach chemischen Raketen als nächstes kommt.
Kernwärmeraketen. Sie beschleunigen die Reise definitiv, sind aber nicht ohne eigene Risiken, weshalb Sie sie nicht gesehen haben. Aber vielleicht ist ihre Zeit hier.
1961 arbeiteten die NASA und die Atomic Energy Commission an der Idee des nuklearen thermischen Antriebs (NTP). Pionier war Werner von Braun, der hoffte, dass in den 1980er Jahren menschliche Missionen auf den Flügeln nuklearer Raketen zum Mars fliegen würden.
Nun, das ist nicht passiert. Aber sie führten einige erfolgreiche Tests des nuklearen thermischen Antriebs durch und zeigten, dass es funktioniert.
Künstlerisches Konzept einer bimodalen nuklearen thermischen Rakete in einer erdnahen Umlaufbahn. Bildnachweis: NASA
Während eine chemische Rakete funktioniert, indem sie eine brennbare Chemikalie entzündet und dann die Abgase aus einer Düse drückt. Dank des dritten Newtonschen Gesetzes gibt es bekanntlich für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, die Rakete erhält einen Schub in die entgegengesetzte Richtung von den ausgestoßenen Gasen.
Eine Atomrakete funktioniert ähnlich. Eine marmorgroße Kugel aus Uranbrennstoff durchläuft den Spaltungsprozess, wobei eine enorme Wärmemenge freigesetzt wird. Dabei wird ein Wasserstoff auf fast 2.500 °C erhitzt, der dann mit hoher Geschwindigkeit aus der Rückseite der Rakete ausgestoßen wird. Sehr, sehr hohe Geschwindigkeit, die der Rakete die zwei- bis dreifache Antriebseffizienz einer chemischen Rakete verleiht.
Erinnern Sie sich an die 8 Monate, die ich für eine Chemierakete erwähnt habe? Eine nukleare Wärmerakete könnte die Laufzeit halbieren , vielleicht sogar 100 Tagesausflüge zum Mars. Das bedeutet weniger Ressourcenverbrauch der Astronauten und eine geringere Strahlenbelastung.
Und es gibt noch einen weiteren großen Vorteil. Der Schub einer Atomrakete könnte Missionen ermöglichen, wenn Erde und Mars nicht perfekt ausgerichtet sind. Gerade jetzt, wenn Sie Ihr Fenster verpassen, müssen Sie noch 2 Jahre warten, aber eine Atomrakete könnte Ihnen den Schub geben, um Flugverspätungen zu bewältigen.
Die ersten Tests von Atomraketen begannen 1955 mit Project Rover im wissenschaftlichen Labor von Los Alamos. Die entscheidende Entwicklung bestand darin, die Reaktoren soweit zu miniaturisieren, dass sie auf eine Rakete montiert werden können. In den nächsten Jahren bauten und testeten Ingenieure mehr als ein Dutzend Reaktoren unterschiedlicher Größe und Leistung.
Die erste bodengestützte experimentelle Atomraketentriebwerksbaugruppe (XE) in einer „Cold Flow“-Konfiguration wird im Triebwerksprüfstand Nr. 1 der Nuclear Rocket Development Station in Jackass Flats, Nevada, installiert.
Mit dem Erfolg von Project Rover hat die NASA die menschlichen Missionen zum Mars ins Visier genommen, die den Apollo-Landern auf dem Mond folgen würden. Aufgrund der Entfernung und Flugzeit entschieden sie, dass Nuklearraketen der Schlüssel sein würden, um die Missionen leistungsfähiger zu machen.
Nuklearraketen sind natürlich nicht ohne Risiken. Ein Reaktor an Bord wäre für die Astronautenbesatzung an Bord eine kleine Strahlenquelle, die durch die verkürzte Flugzeit aufgewogen würde. Der Weltraum selbst ist eine enorme Strahlengefahr, da die ständige galaktische kosmische Strahlung die Astronauten-DNA schädigt.
In den späten 1960er Jahren richtete die NASA das Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application Program (NERVA) ein, um die Technologien zu entwickeln, die zu den nuklearen Raketen werden sollten, die Menschen zum Mars bringen würden.
NASA-Design für ein Nukleartriebwerk für Raketenfahrzeuganwendungen (NERVA). Bildnachweis: NASA
Sie testeten in der Wüste von Nevada größere, stärkere Atomraketen, die das Hochgeschwindigkeits-Wasserstoffgas direkt in die Atmosphäre entließen. Damals waren die Umweltgesetze noch viel weniger streng.
Der erste NERVA NRX wurde schließlich fast zwei Stunden lang getestet, mit 28 Minuten bei voller Leistung. Und ein zweiter Motor wurde 28 Mal gestartet und lief 115 Minuten.
Am Ende testeten sie den stärksten jemals gebauten Kernreaktor, den Phoebus-2A-Reaktor, der 4.000 Megawatt Leistung erzeugen kann. Stoßen für 12 Minuten.
Obwohl die verschiedenen Komponenten nie wirklich zu einer flugbereiten Rakete zusammengebaut wurden, waren die Ingenieure davon überzeugt, dass eine Nuklearrakete die Anforderungen für einen Flug zum Mars erfüllen würde.
Aber dann entschieden die USA, dass sie nicht mehr zum Mars fliegen wollten. Sie wollten stattdessen das Space Shuttle.
Das Space Shuttle Atlantis schließt das Shuttle-Programm mit einer frühen Rückkehr zum Kennedy Space Center in Florida ab. Bildnachweis: Mike Deep für Universe Today
Das Programm wurde 1973 eingestellt, und seitdem hat niemand mehr Atomraketen getestet.
Aber die jüngsten Fortschritte in der Technologie haben nuklearer thermischer Antrieb attraktiver . In den 1960er Jahren war die einzige Brennstoffquelle, die sie verwenden konnten, hochangereichertes Uran. Aber jetzt glauben Ingenieure, mit niedrig angereichertem Uran auszukommen.
Dies wäre sicherer zu arbeiten und würde mehr Raketenanlagen ermöglichen, Tests durchzuführen. Auch wäre es einfacher, die radioaktiven Partikel im Abgas aufzufangen und fachgerecht zu entsorgen. Das würde die Gesamtkosten für die Arbeit mit der Technologie senken.
Am 22. Mai 2019 genehmigte der US-Kongress 125 Millionen US-Dollar bei der Finanzierung der Entwicklung von nuklearen thermischen Antriebsraketen. Obwohl dieses Programm keine Rolle bei der Rückkehr von Artemis 2024 zum Mond spielt, fordert es – Zitat – „die NASA auf, einen mehrjährigen Plan zu entwickeln, der eine Demonstration des nuklearen thermischen Antriebs einschließlich der mit der Weltraumdemonstration verbundenen Zeitleiste ermöglicht und eine Beschreibung zukünftiger Missionen und Antriebs- und Energiesysteme, die durch diese Fähigkeit ermöglicht werden.“
Die Kernspaltung ist eine Möglichkeit, die Kraft des Atoms zu nutzen. Natürlich benötigt es angereichertes Uran und erzeugt giftige radioaktive Abfälle. Was ist mit Fusion? Wo Wasserstoffatome in Helium gequetscht werden und dabei Energie freisetzen?
Unsere Sonne ist ein etwa 5 Milliarden Jahre alter Stern der Population II. Es enthält Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium, einschließlich Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon und Eisen, wenn auch nur in winzigen Prozentsätzen. Bild: NASA/Solar Dynamics Observatory.
Die Sonne hat dank ihrer enormen Masse und Kerntemperatur eine Fusion entwickelt, aber eine nachhaltige, energiepositive Fusion war für uns mickrige Menschen schwer fassbar.
Riesige Experimente wie ITER in Europa hoffen, die Fusionsenergie innerhalb des nächsten Jahrzehnts oder so aufrechtzuerhalten. Danach können Sie sich vorstellen, dass Fusionsreaktoren so weit verkleinert werden, dass sie die gleiche Rolle wie ein Kernspaltungsreaktor in einer Atomrakete übernehmen können. Aber selbst wenn Sie Fusionsreaktoren nicht so weit bringen können, dass sie Nettoenergiepositiv sind, können sie immer noch eine enorme Beschleunigung für die Masse liefern.
Bau der Kernfusionsanlage ITER in Europa. Bildnachweis: ITER
Und vielleicht müssen wir nicht Jahrzehnte warten. Eine Forschungsgruppe an der Princeton Plasmaphysik-Labor arbeitet an einem Konzept namens Direct Fusion Drive, von dem sie glauben, dass es viel früher fertig sein könnte.
Es basiert auf dem Fusionsreaktor Princeton Field-Reversed Configuration, der 2002 von Samuel Cohen entwickelt wurde. Heißes Plasma aus Helium-3 und Deuterium sind in einem magnetischen Behälter enthalten. Helium-3 ist auf der Erde selten und wertvoll, da Fusionsreaktionen damit nicht die gleiche Menge an gefährlicher Strahlung oder nuklearem Abfall erzeugen wie andere Fusions- oder Kernspaltungsreaktoren.
Bilddarstellung der Konzeptfusionsrakete Princeton Satellite Systems. Kredit: Princeton-Satellitensysteme
Wie bei der Spaltrakete erhitzt eine Fusionsrakete einen Treibstoff auf hohe Temperaturen und schießt ihn dann nach hinten heraus, wodurch Schub erzeugt wird.
Es funktioniert, indem es eine Reihe von Linearmagneten aneinanderreiht, die sehr heißes Plasma enthalten und drehen. Antennen um das Plasma herum sind auf die spezifische Frequenz der Ionen abgestimmt und erzeugen einen Strom im Plasma. Ihre Energie wird bis zu dem Punkt gepumpt, an dem die Atome verschmelzen und neue Teilchen freisetzen. Diese Partikel wandern durch das Eindämmungsfeld, bis sie von den magnetischen Feldlinien eingefangen und aus der Rückseite der Rakete heraus beschleunigt werden.
Theoretisch könnte eine Fusionsrakete 2,5 bis 5 Newton Schub pro Megawatt liefern, mit einem spezifischen Impuls von 10.000 Sekunden – denken Sie an 850 von Spaltraketen und 450 von chemischen Raketen. Es würde auch Strom erzeugen, den das Raumschiff weit entfernt von der Sonne benötigt, wo Sonnenkollektoren nicht sehr effizient sind.
Ein Direct Fusion Drive wäre in der Lage, in nur 2 Jahren eine 10-Tonnen-Mission zum Saturn zu befördern 1-Tonnen-Raumsonde von der Erde zum Pluto in etwa 4 Jahren . New Horizons brauchte fast 10.
Da es sich auch um einen 1-Megawatt-Fusionsreaktor handelt, würde er bei seiner Ankunft auch alle Instrumente des Raumfahrzeugs mit Strom versorgen. Viel mehr als die Atombatterien, die derzeit von Weltraummissionen wie Voyager und New Horizons getragen werden.
Stellen Sie sich vor, welche interstellaren Missionen auch mit dieser Technologie auf dem Tisch liegen könnten.
Und Princeton Satellite Systems ist nicht die einzige Gruppe, die an solchen Systemen arbeitet. Applied Fusion Systems hat ein Patent für ein Kernfusionstriebwerk beantragt, das Raumfahrzeugen Schub verleihen könnte.
Ich weiß, es ist Jahrzehnte her, dass die NASA Atomraketen ernsthaft getestet hat, um die Flugzeiten zu verkürzen, aber es sieht so aus, als ob die Technologie zurück ist. In den nächsten Jahren erwarte ich neue Hardware und neue Tests von nuklearen thermischen Antriebssystemen. Und ich bin unglaublich gespannt auf die Möglichkeit, dass uns echte Fusionsantriebe in andere Welten führen. Bleibt wie immer dran, ich gebe euch Bescheid, wenn einer tatsächlich fliegt.
