In den letzten vier Jahrzehnten haben die NASA und andere Weltraumorganisationen aus der ganzen Welt einige erstaunliche Leistungen vollbracht. Gemeinsam haben sie bemannte Missionen zum Mond geschickt, den Mars erforscht, Venus und Merkur kartiert, Vermessungen durchgeführt und atemberaubende Bilder des äußeren Sonnensystems aufgenommen. Mit Blick auf die nächste Generation der Exploration und die noch zu erkundenden weiter entfernten Grenzen ist jedoch klar, dass neue Ideen vorgelegt werden müssen, wie diese Ziele schnell und effizient erreicht werden können.
Im Grunde bedeutet dies, Wege zu finden, Raketen anzutreiben, die treibstoffärmer und kostengünstiger sind und gleichzeitig die notwendige Leistung liefern, um Besatzungen, Rover und Orbiter an ihre weit entfernten Ziele zu bringen. In dieser Hinsicht hat die NASA die Kernspaltung als mögliches Antriebsmittel unter die Lupe genommen.
Tatsächlich, nach Präsentation von Doktor Michael G. Houts vom NASA Marshall Space Flight Center im Oktober 2014 entwickelt, haben Kernkraft und Antrieb das Potenzial, „bahnbrechende Technologien für die Weltraumforschung“ zu werden.
Als Leiter der nuklearthermischen Forschung des Marshall Space Flight Center ist Dr. Houts mit den Vorteilen, die es für die Weltraumforschung hat, bestens vertraut. Laut der Präsentation, die er und seine Kollegen gemacht haben, kann ein Kernspaltungsreaktor in einem Raketendesign verwendet werden, um einen nuklearen thermischen Antrieb (NTP) zu erzeugen. In einer NTP-Rakete werden Uran- oder Deuteriumreaktionen verwendet, um flüssigen Wasserstoff in einem Reaktor zu erhitzen und ihn in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umzuwandeln, das dann durch eine Raketendüse geleitet wird, um Schub zu erzeugen.
NASA-Design für ein Nukleartriebwerk für Raketenfahrzeuganwendungen (NERVA). Bildquelle: NASA
Eine zweite mögliche Methode, bekannt als Nuclear Electric Propulsion (NEC), besteht darin, dass derselbe Basisreaktor seine Wärme und Energie in elektrische Energie umwandelt, die dann einen Elektromotor antreibt. In beiden Fällen ist die Rakete auf Kernspaltung angewiesen, um Antrieb und nicht auf chemische Treibstoffe zu erzeugen, die bisher die Hauptstütze der NASA und aller anderen Weltraumbehörden waren.
Gegenüber dieser traditionellen Antriebsform bieten sowohl NTP als auch NEC eine Reihe von Vorteilen. Die erste und offensichtlichste ist die praktisch unbegrenzte Energiedichte, die es im Vergleich zu Raketentreibstoff bietet. Im stationären Zustand produziert ein Spaltreaktor durchschnittlich 2,5 Neutronen pro Reaktion. Es würde jedoch nur ein einziges Neutron brauchen, um eine nachfolgende Spaltung zu verursachen und eine Kettenreaktion zu erzeugen und eine konstante Leistung bereitzustellen.
Tatsächlich könnte eine NTP-Rakete dem Bericht zufolge mit einem einzigen Kilogramm Uran über einen Zeitraum von 13 Jahren 200 kWt Strom erzeugen – was einer Treibstoffeffizienz von etwa 45 Gramm pro 1000 MW-h entspricht.
Darüber hinaus könnte ein nuklearbetriebenes Triebwerk auch im Vergleich zur verwendeten Treibmittelmenge einen überlegenen Schub liefern. Dies ist der sogenannte spezifische Impuls, der entweder in Kilonewton pro Sekunde pro Kilogramm (kN·s/kg) oder in Sekunden gemessen wird, die die Rakete kontinuierlich feuern kann. Dies würde die Gesamtmenge des benötigten Treibstoffs reduzieren und somit das Startgewicht und die Kosten für einzelne Missionen senken. Und ein stärkerer Atommotor würde kürzere Fahrzeiten bedeuten, eine weitere Maßnahme zur Kostensenkung.
Die Schlüsselelemente eines NERVA-Solid-Core-nuklearthermischen Triebwerks. Bildnachweis: NASA
Obwohl noch nie nuklearthermische Triebwerke geflogen sind, wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere Konstruktionskonzepte gebaut und getestet und zahlreiche Konzepte vorgeschlagen. Diese reichten vom traditionellen Solid-Core-Design bis hin zu fortschrittlicheren und effizienteren Konzepten, die entweder auf einem flüssigen oder einem gasförmigen Kern beruhen.
Bei der Solid-Core-Bauweise, der einzigen Bauart, die jemals gebaut wurde, beherbergt ein Reaktor aus Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt eine Sammlung massiver Uranstäbe, die kontrolliert gespalten werden. Der Wasserstoff-Brennstoff befindet sich in einem separaten Tank und strömt dann durch Rohre um den Reaktor herum, gewinnt Wärme und wird in Plasma umgewandelt, bevor er durch die Düsen geleitet wird, um Schub zu erzielen.
Unter Verwendung von Wasserstofftreibstoff liefert ein Solid-Core-Design in der Regel spezifische Impulse in der Größenordnung von 850 bis 1000 Sekunden, was etwa dem Doppelten von Flüssigwasserstoff-Sauerstoff-Designs – d. h. dem Haupttriebwerk des Space Shuttles – entspricht.
Ein wesentlicher Nachteil ergibt sich jedoch aus der Tatsache, dass Kernreaktionen in einem Solid-Core-Modell viel höhere Temperaturen erzeugen können, als die herkömmlichen Materialien widerstehen können. Die Rissbildung von Kraftstoffbeschichtungen kann auch durch große Temperaturschwankungen entlang der Länge der Stangen verursacht werden, die zusammengenommen einen Großteil des Leistungspotenzials des Motors opfern.
Schema einer offenen Gaskonstruktion für ein nuklearthermisches Raketentriebwerk. Bildnachweis: NASA
Viele dieser Probleme wurden mit der Flüssigkernkonstruktion angegangen, bei der Kernbrennstoff in den flüssigen Wasserstoff gemischt wird und die Spaltungsreaktion in der flüssigen Mischung selbst stattfinden kann. Diese Konstruktion kann dank der aktiven Kühlung der Behälterwand durch den flüssigen Wasserstoff bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Kernbrennstoffs betrieben werden. Es wird auch eine spezifische Impulsleistung von 1300 bis 1500 (1,3 bis 1,5 kN·s/kg) Sekunden erwartet.
Im Vergleich zur Solid-Core-Bauweise sind Motoren dieser Art jedoch viel komplizierter und daher teurer und schwieriger zu bauen. Ein Teil des Problems hat mit der Zeit zu tun, die zum Erreichen einer Spaltungsreaktion benötigt wird, die deutlich länger ist als die Zeit, die zum Erhitzen des Wasserstoffbrennstoffs benötigt wird. Daher erfordern Triebwerke dieser Art Verfahren, um sowohl den Kraftstoff im Triebwerk einzuschließen, als auch gleichzeitig den Austritt von erhitztem Plasma durch die Düse zu ermöglichen.
Die letzte Klassifizierung ist das Gas-Core-Triebwerk, eine Modifikation des Flüssigkern-Designs, das durch schnelle Zirkulation eine ringförmige Tasche aus gasförmigem Uran-Brennstoff in der Mitte des Reaktors erzeugt, die von flüssigem Wasserstoff umgeben ist. In diesem Fall berührt der Wasserstoffbrennstoff die Reaktorwand nicht, sodass die Temperaturen unter dem Schmelzpunkt der verwendeten Materialien gehalten werden können.
Ein solcher Motor könnte spezifische Impulse von 3000 bis 5000 Sekunden (30 bis 50 kN·s/kg) zulassen. Aber bei einer solchen „offenen Kreislauf“-Konstruktion wären die Verluste an Kernbrennstoff schwer zu kontrollieren. Ein Versuch, hier Abhilfe zu schaffen, wurde mit dem „Closed Cycle Design“ – aka. das „nukleare Glühbirnen“-Triebwerk – wo der gasförmige Kernbrennstoff in einer Reihe von Superhochtemperatur-Quarts-Behältern enthalten ist.
Der nuklearthermische Gaskern-Raketenmotor mit geschlossenem Konzept (auch bekannt als Glühbirne). Bildnachweis: NASA
Obwohl dieses Design weniger effizient ist als das Open-Cycle-Design und mehr mit dem Solid-Core-Konzept gemein hat, ist der limitierende Faktor hier die kritische Temperatur des Quarzes und nicht die des Brennstoffstapels. Darüber hinaus soll die geschlossene Kreislaufkonstruktion noch einen respektablen spezifischen Impuls von etwa 1500–2000 Sekunden (15–20 kN·s/kg) liefern.
Wie Houts jedoch sagte, ist einer der größten Vorteile der Kernspaltung die lange Geschichte ihrer Dienste hier auf der Erde. Neben kommerziellen Reaktoren, die weltweit Strom liefern, haben Marineschiffe (wie Flugzeugträger und U-Boote) jahrzehntelang langsame Kernspaltungen gut genutzt.
Außerdem verlässt sich die NASA seit über vier Jahrzehnten auf Kernreaktoren, um unbemannte Fahrzeuge und Rover anzutreiben, hauptsächlich in Form von thermoelektrischen Radioisotop-Generatoren (RTGs) und Radioisotop-Heizeinheiten (RHU). Bei ersteren entsteht durch den langsamen Zerfall von Plutonium-238 (Pu-238) Wärme, die dann in Strom umgewandelt wird. Bei letzterem wird die Wärme selbst genutzt, um Komponenten und Schiffssysteme warm zu halten.
Diese Art von Generatoren wurden verwendet, um alles von den Apollo-Raketen bis zum Curiosity Rover sowie unzähligen Satelliten, Orbitern und Robotern dazwischen mit Strom zu versorgen und zu warten. Seit seiner Einführung wurden von der NASA insgesamt 44 Missionen gestartet, die entweder RTGs oder RHUs verwendeten, während das frühere sowjetische Raumfahrtprogramm vergleichsweise solide 33 startete.
Mit modularen Komponenten könnte ein NTP-Raumschiff für zahlreiche Missionsprofile ausgestattet werden. Bildnachweis: NASA
Eine Zeitlang wurden auch Nuklearmotoren als Ersatz für die J-2 in Betracht gezogen, ein kryogenes Raketentriebwerk mit flüssigem Brennstoff, das auf den Stufen S-II und S-IVB der Saturn-V- und Saturn-I-Raketen verwendet wurde. Aber obwohl es sich um zahlreiche Versionen von in der Vergangenheit hergestellten und getesteten Festkernreaktoren handelte, wurde keine jemals für einen tatsächlichen Weltraumflug in Dienst gestellt.
Zwischen 1959 und 1972 testeten die Vereinigten Staaten während des Projekts Rover und des NASA-Programms Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) zwanzig verschiedene Größen und Designs. Der stärkste jemals getestete Motor war der Phoebus 2a, der während eines Hochleistungstests insgesamt 32 Minuten lief – davon 12 Minuten mit einer Leistung von mehr als 4,0 Millionen Kilowatt.
Mit Blick in die Zukunft sehen Houts und das Marshall Space Flight Center jedoch großes Potenzial und viele Anwendungsmöglichkeiten. In dem Bericht angeführte Beispiele sind Langstreckensatelliten, die das Äußere Sonnensystem und den Kuipergürtel erkunden könnten, schnelle und effiziente Transportmittel für bemannte Missionen im gesamten Sonnensystem und sogar die Stromversorgung für Siedlungen auf Mond und Mars eines Tages.
Eine Möglichkeit besteht darin, das neueste Flaggschiff der NASA – das Space Launch System (SLS) – mit chemisch angetriebenen Unterstufentriebwerken und einem nuklearthermischen Triebwerk auf seiner Oberstufe auszustatten. Das Atomtriebwerk würde „kalt“ bleiben, bis die Rakete die Umlaufbahn erreicht hatte, dann würde die Oberstufe ausgefahren und der Reaktor aktiviert, um Schub zu erzeugen.
NASA-Vorschläge für nuklearbetriebene Erkundungsrover und -fahrzeuge. Bildnachweis: NASA
Dieses Konzept für eine „bimodale“ Rakete – eine, die auf chemischen Treibstoffen beruht, um die Umlaufbahn zu erreichen, und einem nuklearthermischen Triebwerk für den Antrieb im Weltraum – könnte in den kommenden Jahren zum Grundpfeiler der NASA und anderer Weltraumbehörden werden. Entsprechend Wald und anderen bei Marshall könnte die dramatische Effizienzsteigerung, die solche Raketen bieten, auch die Pläne der NASA zur Erforschung des Mars erleichtern, indem sie die zuverlässige Lieferung massereicher automatisierter Nutzlasten vor bemannten Missionen ermöglicht.
Dieselben Raketen könnten dann auf Geschwindigkeit (statt auf Masse) umgerüstet und verwendet werden, um die Astronauten selbst in etwa der Hälfte der Zeit, die eine konventionelle Rakete für die Reise benötigt, zum Mars zu transportieren. Dies würde nicht nur Zeit und Missionskosten sparen, sondern auch dafür sorgen, dass die Astronauten während ihres Fluges weniger schädlicher Sonnenstrahlung ausgesetzt wären.
Um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen, führen Dr. Houts und andere Forscher des Propulsion Research and Development Laboratory des Marshall Space Center derzeit NTP-bezogene Tests am Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator (oder „NTREES“) in Huntsville, Alabama, durch.
Hier haben sie die letzten Jahre damit verbracht, die Eigenschaften verschiedener Kernbrennstoffe in einer simulierten thermischen Umgebung zu analysieren, in der Hoffnung, mehr darüber zu erfahren, wie sich diese auf die Motorleistung und die Langlebigkeit eines nuklearthermischen Raketentriebwerks auswirken können.
Konzeptkunst, die ein pilotiertes Raumfahrzeug mit nuklearem thermischen Antrieb zeigt, das eine Marsumlaufbahn erreicht. Bildnachweis: NASA
Diese Tests sollen bis Juni 2015 laufen und sollen den Grundstein für groß angelegte Bodentests und schließlich umfassende Flugtests legen. Das ultimative Ziel von all dem ist es, sicherzustellen, dass bis in die 2030er Jahre eine bemannte Mission zum Mars stattfindet, und den NASA-Flugingenieuren und Missionsplanern alle Informationen zur Verfügung zu stellen, die sie benötigen, um sie durchzuführen.
Aber natürlich wird es wahrscheinlich auch seinen Anteil an Anwendungen haben, wenn es um zukünftige Mondmissionen geht, Crews zum Studium erdnaher Objekte (NEOs) entsendet und Schiffe zu den Jupitermonden und anderen Orten im äußeren Sonnensystem entsendet. Wie der Bericht zeigt, können NTP-Fahrzeuge mit modularen Komponenten leicht modifiziert werden, um alles von Mondfrachtlandungen über bemannte Missionen bis hin zur Vermessung erdnaher Asteroiden (NEAs) durchzuführen.
Das Universum ist ein großer Ort, und die Erforschung des Weltraums steckt noch in den Kinderschuhen. Aber wenn wir beabsichtigen, sie weiter zu erforschen und die Früchte solcher Bemühungen zu ernten, müssen unsere Methoden reifen. NTP ist nur eine vorgeschlagene Möglichkeit. Aber nicht wie Nuklearer Impulsantrieb , das Daedalus-Konzept , Antimaterie-Motoren , oder der Alcubierre Warp Drive , eine Rakete, die mit Kernspaltung betrieben wird, ist machbar, praktisch und in naher Zukunft möglich.
Die Kernthermieforschung am Marshall Center ist Teil der Advanced Exploration Systems (AES) Division der NASA, die vom Human Exploration and Operations Mission Directorate geleitet wird und an der das US-Energieministerium beteiligt ist.
