NASA und Partner arbeiten an nuklearen Antrieben für Raumfahrzeuge

Die NASA und ihre Partner arbeiten an nuklearen Antrieben für Raumfahrzeuge. Die Idee für atomare Raketentriebwerke entstand in den 1940er Jahren. Aber erst jetzt verfügen wir über Technologien, die das Konzept interplanetarer, nuklear angetriebener Reisen Wirklichkeit werden lassen.

Sehr wichtig ist, dass die Ideen, an denen die NASA arbeitet, den Einsatz von Atomtriebwerken außerhalb der Erde beinhalten. Die Fahrzeuge sollen mit chemischen Treibstofftriebwerken gestartet werden und erst außerhalb der niedrigen Erdumlaufbahn soll das Atomtriebwerk anspringen.

Die größte Herausforderung war und ist es, einen sicheren und leichten Atomantrieb zu konstruieren. Dafür sorgen neue Brennstoffe und Reaktoren. Die Hoffnungen auf sie sind so groß, dass die NASA sogar über bemannte Missionen mit atomarer Zerfallsenergie nachdenkt. „Der nukleare Antrieb wird sehr nützlich sein, wenn wir daran denken, in weniger als zwei Jahren zum und vom Mars zu reisen“, sagt Jeff Sheehy, Chefingenieur des Space Technology Mission Directorate. Die größte Herausforderung sei es, die richtigen Fortschritte beim Treibstoff zu machen, fügt er hinzu. Ein solcher Kraftstoff müsste sehr hohen Temperaturen und Antriebsbedingungen standhalten. Die beiden Firmen, mit denen die NASA zusammenarbeitet, stellen sicher, dass sie den richtigen Brennstoff und Reaktor haben.

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Atomantriebe sollen die Energie aus dem Zerfall von Atomkernen nutzen, um flüssigen Wasserstoff auf 2430 Grad Celsius zu erhitzen. Das ist das 8-fache der Kerntemperatur eines typischen Kernkraftwerks. Der so erhitzte Wasserstoff soll sich ausdehnen und mit enormer Geschwindigkeit aus den Triebwerksdüsen austreten. Auf diese Weise wird pro Masseneinheit Treibstoff 2-mal mehr Schub erzeugt als bei den derzeit verwendeten chemischen Treibstoffen. Dadurch kann sich das Fahrzeug schneller bewegen und länger fliegen. Ein zusätzlicher Vorteil des Einsatzes eines nuklearbetriebenen Triebwerks wäre die Tatsache, dass der Reaktor nach Erreichen des Ziels - zum Beispiel einem der Saturnmonde - vom Antriebsmodus in den Stromquellenmodus umschalten und wissenschaftliche Instrumente über viele Jahre hinweg mit Energie versorgen kann, was zum Beispiel das Senden von qualitativ hochwertigen Fotos ermöglicht.

Um den entsprechenden Schub aus dem Atomtriebwerk zu erhalten, ist die Verwendung von hoch angereichertem Treibstoff erforderlich. Ein solcher Brennstoff wäre, wie in Kernkraftwerken, sicherer zu verwenden, aber unter den Bedingungen einer hohen Antriebtemperatur und der Anwesenheit von hochreaktivem Wasserstoff würde er brüchig werden.

Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), die mit der NASA zusammenarbeitet, berichtet, dass sie ihr Uran auf unter 20% anreichert. Das ist mehr als bei Kernreaktoren, aber weniger als bei Kernwaffen. Sein Brennstoff sind mikroskopisch kleine, keramikummantelte Urankapseln, die auf einer Zirkoniumkarbid-Matrix liegen. Die Mikrokapseln halten die Nebenprodukte der Reaktion an Ort und Stelle, während die Wärme entweichen kann.

Der Hauptunterschied zwischen den Projekten der beiden Firmen ist der Einsatz unterschiedlicher Moderatoren. Die Aufgabe des Moderators ist es, die Neutronen aus dem Atomzerfall so abzubremsen, dass sie die Kettenreaktion unterstützen. BWX hat seine Brennstoffblöcke zwischen den Hydriden platziert, während das USNC-Tech-Projekt Beryllium als Moderator verwendet. Der thermonukleare Reaktionsantrieb kann, zumindest theoretisch, dem nuklearen Antrieb deutlich überlegen sein. Sie liefert bis zu 4-mal mehr Energie. Die Technologie der thermonuklearen Reaktion ist jedoch noch unterentwickelt und die Spezialisten müssen viele Hindernisse überwinden, wie z.B. die Gewinnung und Aufrechterhaltung des Plasmas und die effektive Umwandlung der gewonnenen Energie in Schubkraft. Deshalb ist es, wie Cohen einräumt, unwahrscheinlich, dass die Technologie des Fusionsantriebs bis zum Ende der 2030er Jahre, also bis zum Beginn der geplanten bemannten Mission zum Mars, fertig ist.