Raumschiffe mit Atomantrieb: Warum Träume von Atomraketen wieder aufleben – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Nuklear werden Die amerikanische DRACO-Rakete wird die Wärme eines Kernspaltungsreaktors nutzen, um sie in den Weltraum zu befördern. (Mit freundlicher Genehmigung von Lockheed Martin)“>

1914 veröffentlichte HG Wells Die Welt ist frei, ein Roman, der auf der Vorstellung basiert, dass Radium eines Tages Raumschiffe antreiben könnte. Wells, der mit der Arbeit von Physikern wie Ernest Rutherford vertraut war, wusste, dass Radium Wärme erzeugen konnte und stellte sich vor, es zum Antrieb einer Turbine zu verwenden. Das Buch hätte eine Fiktion sein können, aber Die Welt ist frei hat das Potenzial dessen, was man „atomare Raumschiffe“ nennen könnte, richtig vorhergesehen.

Die Idee, Kernenergie für die Raumfahrt zu nutzen, setzte sich in den 1950er Jahren durch, als die Öffentlichkeit – nachdem sie die Schrecken von Hiroshima und Nagasaki miterlebt hatte – allmählich vom Nutzen der Kernenergie für friedliche Zwecke überzeugt wurde. Dank Programmen wie Amerikas Atome für den Frieden, begannen die Menschen zu erkennen, dass Kernenergie zur Energiegewinnung und zum Transport genutzt werden könnte. Aber die vielleicht radikalste Anwendung lag in der Raumfahrt.

Zu den stärksten Befürwortern der atomgetriebenen Raumfahrt gehörte der bedeutende mathematische Physiker Freeman Dyson. 1958 nahm er sich ein Jahr Auszeit vom Institute of Advanced Study in Princeton, um bei General Atomics in San Diego an einem Projekt mit dem Codenamen Orion zu arbeiten. Die Idee von Ted Taylor – einem Physiker, der am Manhattan-Atombombenprojekt in Las Alamos gearbeitet hatte – Projekt Orion Ziel war der Bau eines 4000 Tonnen schweren Raumschiffs, das mit 2600 Atombomben in den Weltraum befördert werden sollte.

Atombomben aus dem Heck eines Raumschiffs abzuwerfen, klingt aus Umweltgründen verrückt, aber Dyson hat berechnet, dass „nur“ 0.1–1 US-Amerikaner durch diese Methode an Krebs erkranken würden. Das Projekt wurde sogar von Raketenexperten unterstützt Wernher von Braunund es wurden eine Reihe nichtnuklearer Testflüge durchgeführt. Zum Glück ist das 1963 Vertrag über ein teilweises Testverbot setzte dem Projekt Orion ein Ende, und Dyson selbst zog später seine Unterstützung für atomare Raumfahrzeuge zurück, nachdem er deren Umweltgefahren zu spät erkannt hatte.

Trotz des Endes des Projekts Orion ist die Verlockung des Atomantriebs nie wirklich verschwunden (siehe Kasten „Nukleare Raumfahrt: eine kurze Geschichte“) und erlebt nun eine Art Wiederaufleben. Anstatt jedoch Atombomben zu verwenden, besteht die Idee darin, die Energie von einem Kernspaltungsreaktor auf einen Treibstoff zu übertragen, der auf etwa 2500 K erhitzt und über eine Düse in einem Prozess namens „nuklearer thermischer Antrieb“ (NTP) ausgestoßen wird. . Alternativ könnte die Spaltungsenergie ein Gas ionisieren, das aus der Rückseite des Raumfahrzeugs abgefeuert würde – was als „nuklearer elektrischer Antrieb“ (NEP) bekannt ist.

Ist eine nuklearbetriebene Raumfahrt also eine realistische Perspektive und wenn ja, welche Technologie wird sich durchsetzen?

Nuklearer Schub

Die meisten konventionellen Raketen werden mit gewöhnlichen chemischen Treibstoffen angetrieben. Der Saturn V-Rakete Beispielsweise nutzten die Raketen, die Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre Astronauten zum Mond brachten, flüssige Treibstoffe, während die Trägerraketen beim Start des Space Shuttles so spektakulär versagten Herausforderer 1986 enthielt es feste Brennstoffe.

In jüngerer Zeit, Die Falcon-Raketen von Space Xhaben beispielsweise eine Mischung aus Kerosin und Sauerstoff verwendet. Das Problem ist, dass alle diese Treibstoffe eine relativ geringe „Energiedichte“ (pro Volumeneinheit gespeicherte Energie) und einen geringen „spezifischen Impuls“ (die Effizienz, mit der sie Schub erzeugen können) haben. Das bedeutet, dass der Gesamtschub der Rakete – der spezifische Impuls multipliziert mit dem Massenstrom des Abgases und der Erdanziehungskraft – gering ist.

Chemische Treibstoffe können Sie daher nur begrenzt weit bringen, wobei der Mond traditionell die Grenze darstellt. Um entfernte Planeten und andere Ziele im „Weltraum“ zu erreichen, nutzen Raumschiffe normalerweise die Anziehungskraft mehrerer verschiedener Planeten. Solche Reisen sind jedoch umständlich und dauern lange. Benötigt wurde zum Beispiel die Juno-Mission der NASA 5 Jahre um zum Jupiter zu gelangen, während die Voyager mehr als 30 Jahre brauchte, um den zu erreichen Rand des Sonnensystems. Solche Missionen werden auch durch enge und seltene Startfenster eingeschränkt.

Ein nukleares Raumschiff würde stattdessen Spaltungsenergie nutzen, um einen Brennstoff zu erhitzen (Abbildung 1) – höchstwahrscheinlich kryogen gespeicherten flüssigen Wasserstoff, der eine niedrige Molekülmasse und eine hohe Verbrennungswärme aufweist. „Ein nuklearer Antrieb, ob elektrisch oder thermisch, könnte aus einer gegebenen Treibstoffmasse mehr Energie gewinnen, als dies mit einem verbrennungsbasierten Antrieb möglich wäre“, sagt er Dal Thomas, ein ehemaliger stellvertretender Direktor am Marshall Space Flight Center der NASA, jetzt an der University of Alabama in Huntsville.

Thomas sagt, dass die effizientesten chemischen Antriebssysteme von heute eine erreichen können spezifischer Impuls von etwa 465 Sekunden. NTP hingegen kann aufgrund der höheren Leistungsdichte von Kernreaktionen einen spezifischen Impuls von fast 900 Sekunden haben. In Kombination mit einem viel höheren Schub-Gewichts-Verhältnis könnte NTP eine Rakete in nur 500 statt 900 Tagen zum Mars bringen.

„Das Schub-zu-Gewicht-Verhältnis ist entscheidend, weil es die Beschleunigungsfähigkeit des Raumfahrzeugs bestimmt, was besonders in wichtigen Missionsphasen, wie dem Entkommen aus der Schwerkraft der Erde oder dem Manövrieren im Weltraum, von entscheidender Bedeutung ist“, sagt er Mauro Augelli, Leiter der Startsysteme bei der britischen Weltraumbehörde. „Der spezifische Impuls hingegen ist ein Maß dafür, wie effektiv eine Rakete ihren Treibstoff nutzt.“

Ein nuklearer Antrieb, ob elektrisch oder thermisch, könnte aus einer gegebenen Brennstoffmasse mehr Energie gewinnen, als dies mit einem auf Verbrennung basierenden Antrieb möglich wäre

Dale Thomas, Universität von Alabama in Huntsville

Im Wesentlichen könnte ein nuklearbetriebenes Raumschiff mit einer bestimmten Treibstoffmenge schneller fliegen und seinen Schub über längere Zeiträume aufrechterhalten als eine chemische Rakete. Es wäre daher großartig für bemannte Missionen zum Mars – die Astronauten hätten nicht nur eine schnellere Reise, sondern wären dadurch auch weniger kosmischer Strahlung ausgesetzt. „Darüber hinaus reduzieren kürzere Missionsdauern die logistischen und lebenserhaltenden Herausforderungen und machen die Erforschung des Weltraums praktikabler und sicherer“, fügt Augelli hinzu.

Bei der Kernenergie geht es aber nicht nur um die Verkürzung der Reisezeiten. Die NASA hat auch eine spezielles Programm an seinem Glenn Forschungszentrum in Cleveland, Ohio, um Raumschiffe, sobald sie ihr Ziel erreicht haben, mithilfe der Kernspaltung – anstelle von Sonnenenergie oder chemischen Brennstoffen – anzutreiben. „Kernenergie bietet einzigartige Vorteile für den Betrieb in extremen Umgebungen und Regionen im Weltraum, in denen Solar- und Chemiesysteme als Energiequellen für einen längeren Betrieb entweder unzureichend oder unmöglich sind“, sagt Programmmanager Lindsay Kaldon.

Wieder in Aktion

Im Jahr 2020 hat die US-Regierung nukleare Raumfahrzeuge wieder auf die Tagesordnung gesetzt Vergabe von fast 100 Millionen US-Dollar an drei Firmen – General Atomics, Lockheed Martin und Blue Origin. Sie werden das Geld verwenden, um daran zu arbeiten Demonstrationsrakete für agile Cislunar-Operationen (DRACO)-Programm, das über das finanziert wird DARPA Forschungsagentur des US-Verteidigungsministeriums. In der ersten PhaseZiel der Unternehmen ist es zu zeigen, dass NTP zum Fliegen einer Rakete über einer erdnahen Umlaufbahn verwendet werden kann, wobei DARPA ein Schub-Gewichts-Verhältnis anstrebt, das dem bestehender chemischer Raketensysteme ebenbürtig ist.

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Tabitha Dodson, DARPA-Programmmanager für DRACO, glaubt, dass der erfolgreiche Start und Flug eines nuklearen Weltraumreaktors durch das DRACO-Programm die Raumfahrt revolutionieren würde. „Im Gegensatz zu den heutigen chemischen Systemen, deren Entwicklungsmöglichkeiten an ihre Grenzen gestoßen sind, geht man davon aus, dass sich Nukleartechnologien zu Systemen wie der Kernfusion und darüber hinaus weiterentwickeln“, sagt sie. „Raumschiffe, die so entwickelt wurden, dass sie von Kernreaktoren manövriert und angetrieben werden, werden es der Menschheit ermöglichen, weiter zu reisen, mit einer höheren Überlebens- und Erfolgswahrscheinlichkeit für jede Missionsart.“

Im DRACO-Programm wird General Atomics den NTP-Reaktor entwerfen und einen Entwurf für ein Antriebssubsystem erstellen, während Blue Origin und Lockheed Martin das Raumschiff selbst planen. Der Spaltreaktor würde ein spezielles verwenden Niedrig angereichertes Uran mit hohem Gehalt (HALEU), das aus recyceltem Brennstoff aus bestehenden Kernreaktoren hergestellt werden kann. Da es nur 20 % angereichertes Uran enthält, ist es für die Umwandlung in Atomwaffen ungeeignet.

Der Reaktor würde erst dann eingeschaltet (also kritisch werden), wenn das Raumschiff eine „nuklearsichere“ Umlaufbahn erreicht hätte. Im unwahrscheinlichen Fall eines Notfalls würde die Kontamination also unschädlich in den Weltraum gelangen. Lockheed Martin hat sich bereits mit zusammengeschlossen BWX-Technologien aus Lynchburg, Virginia, mit der Entwicklung des Reaktors und der Produktion des HALEU-Brennstoffs beauftragt. BWX sagt, dass eine DRACO-Rakete starten könnte sobald 2027.

Luftatmende Raketentriebwerke: die Zukunft der Raumfahrt

In anderen Ländern, Forscher am Idaho National Laboratory in den USA unterstützen die NASA bei der Entwicklung und Erprobung der für eine Atomrakete benötigten Materialien Transienter Reaktortest (TREAT)-Anlage in der Nähe von Idaho Falls. Bereits im vergangenen Jahr führten sie einen Übungslauf durch, um die Computermodelle zu validieren und eine neue Sensor- und Experimentierkapsel zu testen. Langfristig geht es darum herauszufinden, welche Materialien, Verbundstrukturen und Uranverbindungen unter den extrem heißen Bedingungen eines NTP-Reaktors am besten funktionieren.

Die Wärme des Reaktors würde den Wasserstoffbrennstoff erhitzen, der die größte Geschwindigkeitsänderung bewirkt – was Raketenwissenschaftler Δ nennenv – für eine gegebene Masse. Der Nachteil von Wasserstoff ist, dass er eine geringe Dichte hat und die Rakete große Tanks benötigen würde. Andere Treibstoffe wie Ammoniak haben ein niedrigeres Δv pro Kilogramm Treibstoff, sind aber viel dichter. Drüben in Huntsville hat Thomas gezeigt, dass Ammoniak der ideale Treibstoff wäre, um Astronomen von der NASA zum Mars zu bringen Lunar Gateway – eine Raumstation, die den Mond umkreisen würde.

Veröffentlicht haben ein Überblick über die NTP-Technologie Für das American Institute of Aeronautics and Astronautics im Jahr 2020 ist Thomas zu dem Schluss gekommen, dass reguläre NTP-Systeme, die viel Schub für kurze Brennzeiten von etwa 50 Minuten bieten, ideal für Vorbeiflüge und Rendezvous-Missionen sind. Es gibt aber auch „bimodale“ Systeme, die NTP mit NEP kombinieren (siehe Kasten „Die Herausforderungen des nuklearen Elektroantriebs“). Ersteres liefert schnelle Ausbrüche mit hohem Schub, während letzteres über längere Zeiträume einen niedrigen Schub liefert – perfekt für längere Hin- und Rückflüge.

Kate Haggerty Kelly, Direktor für Raumfahrt und Technik bei BWX Technologies, sagt, dass nukleare thermische Antriebe insgesamt zwei- bis fünfmal effizienter sein können als chemische Antriebssysteme und gleichzeitig einen hohen Schub bieten. „[Im Gegensatz dazu] können nuklearelektrische Antriebssysteme einen höheren Wirkungsgrad, aber einen geringeren Schub bieten, und die durch Kernspaltung erzeugte Energie kann in Elektrizität umgewandelt werden, um die Subsysteme des Raumfahrzeugs mit Strom zu versorgen.“

Wird NTP oder NEP also besser für Weltraumoperationen sein? Laut Thomas wird es von der Art der Mission abhängen. „Für Missionen einer bestimmten Klasse – etwa wissenschaftliche Raumfahrzeuge über einer bestimmten Masse – oder bemannte Missionen oder für bestimmte Ziele wird NTP die beste Wahl sein, während für andere Missionen NEP die beste Wahl sein wird. Wie bei einer Autofahrt hängt es von der Entfernung, der Gepäckmenge, den Anforderungen Ihres Zeitplans usw. ab.“

Nukleare Zukunft

Die NASA erwägt bereits mehrere Weltraummissionen mit Atomantrieb. Entsprechend ein im Juni 2021 veröffentlichter BerichtDazu könnten Schiffe gehören, die verschiedene Monde von Uranus und Jupiter umkreisen, und andere, die den Neptunmond Triton umkreisen und auf ihm landen. Der Bericht sieht auch den Eintritt einer atomgetriebenen Rakete in eine polare Umlaufbahn um die Sonne und möglicherweise sogar eine Mission in den interstellaren Raum vor.

Letztlich werden Kernantriebe irgendeiner Art – entweder allein oder in Kombination mit einer anderen Antriebsart – ein wichtiger Teil der zukünftigen Weltraumbemühungen der Menschheit sein. Da die NASA, die britische Weltraumbehörde und die Europäische Weltraumorganisation sich alle mit nuklearbetriebenen Raumflügen befassen, wette ich, dass die ersten bemannten Missionen zum Mars in den 2030er Jahren irgendeine Form dieser Technologie nutzen werden. Der Traum von Freeman Dyson könnte, da bin ich mir sicher, bald das Licht der Welt erblicken.

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