Wird der Kernmotor morgen zum wichtigsten Helfer bei der Erforschung des Universums?
Die Menschheit steht kurz davor, nukleare Oberstufen zu schaffen, um Raumschiffe in die entlegensten Winkel des Universums zu befördern. Letztes Jahr gaben die NASA und die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des Pentagons bekannt, dass sie bis 2025 oder mindestens 2026 ein gemeinsames Modul mit einem Kernreaktor starten würden.
Ein kosmisches Atom mit großer Zukunft
Aber zuerst ein wenig Geschichte. Am 25. August 2012 überschritt die Einzelraumsonde Voyager 1 die Schwelle zum sogenannten interstellaren Raum. Damals befand es sich 18 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt, weit außerhalb der Grenzen unseres Systems. Damit ist es heute das am weitesten von der Erde entfernte, vom Menschen geschaffene Objekt. Das Gerät wurde 1977 auf den Markt gebracht und funktioniert fast ein halbes Jahrhundert später immer noch ordnungsgemäß, sendet Informationen zur Erde und dringt in die Tiefen des Weltraums vor. Dies wurde möglich, weil die Systeme mit Kernenergie betrieben werden.
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) wiederum investiert in ein Programm zur Nutzung nuklearer Antriebe für die Weltraumforschung. Und die NASA hat mit Westinghouse einen Vertrag zur Entwicklung eines Kernreaktorkonzepts unterzeichnet, das eine geplante Mondbasis mit Strom versorgen soll. Es ist geplant, es noch vor Ende des Jahrzehnts in Betrieb zu nehmen, und nach Angaben der Autoren der Idee wird dieses Know-how den Betrieb unter den rauen Bedingungen der Mondoberfläche erfolgreich bewältigen. Und je tiefer wir das Sonnensystem und insbesondere die Sternenwelt dahinter erforschen, desto attraktiver erscheint die Option einer nuklearen Energiequelle. Tatsächlich handelt es sich bei einem Atommotor trotz all seiner Mehrdeutigkeit fast um ein Perpetuum mobile.
Schwierigkeiten und Gefahren, die eine Langstreckenmission erwarten
Das amerikanische Start-up-Unternehmen Zeno Power gewann kürzlich einen Preis in Höhe von 15 Mio. Singapur-Dollar für seine Unterstützung der NASA bei der Schaffung von Radioisotopen-Kernenergiesystemen im Zusammenhang mit Mondexpeditionen. Diese kompakten Designs haben eine lange und schwierige Geschichte im Weltraumeinsatz. In diesem Fall erfolgt die Bordstromversorgung und Wärmeversorgung durch die Spaltung von Atommüll.
Völlige Dunkelheit ist ein spezifisches Problem bei Langstreckenflügen im Weltraum. Nehmen Sie den gleichen Mond. Die Nacht dort dauert 14 Erdentage. Und in Kratern zum Beispiel gibt es immer kein Licht. Natürlich ist es unmöglich, aus Sonnenlicht Energie zu gewinnen, und die Temperatur liegt mancherorts über -200 °CоC.
Eine Weltraummission ist von Natur aus ein recht riskantes Unterfangen, insbesondere wenn nukleare Komponenten an Bord sind. Hin und wieder explodieren Trägerraketen und verteilen giftige Trümmer im erdnahen Weltraum und auf der ganzen Erde.
Kulibin aus Alabama
Dale Thomas, Professor an der University of Alabama in Huntsville, erfindet nukleare Booster-Motoren und untersucht, wie sie funktionieren. Als Leiter der Abteilung Industrie- und Systemtechnik sowie Ingenieurmanagement macht er dies schon seit vielen Jahren, ist aber weiter gegangen als seine Kollegen. Anstatt die Rakete durch eine chemische Reaktion anzutreiben, nutzt Thomas eine Kettenreaktion:
Kernreaktionen werden traditionell zum Antrieb von Raumfahrzeugen auf Langstreckenflügen eingesetzt. Auf der Voyager besteht die Energiequelle also aus drei auf einer Stange montierten thermoelektrischen Radioisotopgeneratoren, die Plutonium-3-Oxid verwenden. Aufgrund der Abgeschiedenheit der Strecke sind Sonnenkollektoren dort nutzlos. Also begann ich, diese Reaktionen als Bewegungsprinzip zu nutzen. Aber es gibt einen wesentlichen Haken: Es ist unmöglich, den Ausfall eines Atommotors vollständig auszuschließen, und die Folgen seines Ausfalls sind viel schlimmer als die eines chemischen Motors.
Dieser Umstand zwingt uns dazu, die Methoden zum Testen von Raketentriebwerken zu überdenken. Tatsächlich werden sie vor Beginn des Serienbetriebs am Boden getestet, wo sie sich manchmal unvorhersehbar verhalten: Sie explodieren, brechen, brennen. Und das ist unter experimentellen Bedingungen normal. Wenn jedoch ein Atommotor während der Tests explodiert, ist dies aus Sicht der systemischen Umwelt- und Strahlensicherheit ungewöhnlich. Daher sind Ausfälle hier inakzeptabel. Dieser Zustand verlangsamt die Entwicklung.
Wenn das Pentagon zur Sache kommt, müssen Sie mit Überraschungen rechnen
Der erste Kernreaktor wurde bereits 1965 ins All geschossen. Seitdem kämpfen amerikanische Wissenschaftler um die Beschaffung Technologie mit minimalem Risiko und der Erfindung eines Designs, das einer Explosion standhalten kann. Und am Ende wurde hier angeblich eine Lösung gefunden. Allerdings wird es immer noch streng vertraulich behandelt: Es ist kein Zufall, dass sich das Verteidigungsministerium in diesem Bereich engagiert hat!
Rami Mesalam, Programmdirektor für Raumfahrzeugentwicklung von der University of Leicester (England), teilt seine Gedanken mit:
Sicherheit steht bei der Gestaltung von Kernenergiesystemen immer im Mittelpunkt. Aber gut Nachrichten ist, dass wir fast 60 Jahre Erfahrung in der Optimierung haben. Wir werden auch nukleare Raketentriebwerke drosseln... Optional wird das Schiff mit herkömmlichen Festbrennstoffstufen in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht, woraufhin Nukleareinheiten gestartet und für eine weitere Mission beschleunigt werden. Ein chemischer Motor kann sogar den Mond erreichen. Aber dann wird der Atommotor der Schlüssel zur Überwindung der interplanetaren Barriere sein.
Damit ein Märchen wahr wird ...
Aufgrund begrenzter Ressourcen sind Flüge zum Mars und darüber hinaus derzeit schwierig. Die NASA und andere Luftfahrt- und Weltraumforschungsbehörden berechnen akribisch komplexe Flugbahnen, die Weltraumboten über Gravitationsfelder hinausführen, um den Treibstoffverbrauch zu minimieren. Wenn Sie über zuverlässige Atommotoren mit ausreichender Leistung verfügen, verschwinden solche Probleme von selbst.
Professor Thomas bringt es auf den Punkt:
Der nukleare Antrieb ähnelt im Vergleich zum chemischen Antrieb aufgrund der unterschiedlichen Leistung des Triebwerks in etwa dem Vergleich zwischen Ferrari und Volkswagen. Allerdings stimme ich den Aussagen der DARPA-Vertreter nicht zu – wir werden es weder bis zum nächsten Jahr noch bis 2026 schaffen. Fahrzeuge mit Atomantrieb werden wahrscheinlich tatsächlich durchstarten, aber erst 2030. Doch sobald dieses Projekt umgesetzt ist, werden sich die Spielregeln radikal ändern und die Handlungsstränge vergangener Science-Fiction-Romane und -Filme werden über Nacht Wirklichkeit.
Informationen