Eine neue Ära der Weltraumforschung hinter Fusionsraketentriebwerken

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die NASA und Elon Musk träumen vom Mars und bemannte Weltraummissionen werden bald Realität. Sie werden wahrscheinlich überrascht sein, aber moderne Raketen fliegen etwas schneller als die Raketen der Vergangenheit.

Schnelle Raumschiffe sind aus verschiedenen Gründen bequemer, und der beste Weg, um zu beschleunigen, sind nuklearbetriebene Raketen. Sie haben viele Vorteile gegenüber konventionell angetriebenen Raketen oder modernen solarbetriebenen Elektroraketen, aber in den letzten 40 Jahren haben die Vereinigten Staaten nur acht Atomraketen gestartet.

Doch im vergangenen Jahr haben sich die Gesetze zur nuklearen Raumfahrt geändert, und die Arbeiten an der nächsten Raketengeneration haben bereits begonnen.

Warum braucht es Geschwindigkeit?

In der ersten Phase eines Fluges ins All wird eine Trägerrakete benötigt - sie bringt das Schiff in die Umlaufbahn. Diese großen Triebwerke werden mit brennbaren Treibstoffen betrieben – und meist sind sie für den Start von Raketen gedacht. Sie werden in absehbarer Zeit nirgendwo hingehen – ebenso wie die Schwerkraft.

Aber wenn das Schiff den Weltraum betritt, wird es interessanter. Um die Schwerkraft der Erde zu überwinden und in den Weltraum vorzudringen, benötigt das Schiff zusätzliche Beschleunigung. Hier kommen Nuklearsysteme ins Spiel. Wenn Astronauten etwas jenseits des Mondes oder noch mehr des Mars erforschen wollen, müssen sie sich beeilen. Der Kosmos ist riesig, und die Entfernungen sind ziemlich groß.

Es gibt zwei Gründe, warum schnelle Raketen besser für Langstreckenreisen ins All geeignet sind: Sicherheit und Zeit.

Auf dem Weg zum Mars sind Astronauten einer sehr hohen Strahlenbelastung ausgesetzt, die mit ernsthaften Gesundheitsproblemen wie Krebs und Unfruchtbarkeit verbunden ist. Strahlungsabschirmung kann helfen, aber sie ist extrem schwer und je länger die Mission, desto stärker wird die Abschirmung benötigt. Daher ist der beste Weg, die Strahlendosis zu reduzieren, einfach schneller ans Ziel zu kommen.

Aber die Sicherheit der Besatzung ist nicht der einzige Vorteil. Je weiter entfernte Flüge wir planen, desto eher benötigen wir Daten von unbemannten Missionen. Voyager 2 brauchte 12 Jahre, um Neptun zu erreichen – und als sie vorbeiflog, machte sie einige unglaubliche Bilder. Wenn die Voyager einen stärkeren Motor hätte, wären diese Fotos und Daten viel früher bei Astronomen aufgetaucht.

Schnelligkeit ist also von Vorteil. Aber warum sind Nuklearsysteme schneller?

Heutige Systeme

Nach der Überwindung der Schwerkraft muss das Schiff drei wichtige Aspekte berücksichtigen.

Schub- welche Beschleunigung das Schiff erhält.

Gewichtseffizienz- wie viel Schub das System bei einer bestimmten Kraftstoffmenge erzeugen kann.

Spezifischer Energieverbrauch- wie viel Energie eine bestimmte Kraftstoffmenge abgibt.

Heutzutage sind die gebräuchlichsten chemischen Triebwerke konventionelle treibstoffbetriebene Raketen und solarbetriebene Elektroraketen.

Chemische Antriebssysteme liefern viel Schub, sind aber nicht besonders effizient, und Raketentreibstoff ist nicht sehr energieintensiv. Die Saturn-5-Rakete, die Astronauten zum Mond beförderte, lieferte beim Start eine Kraft von 35 Millionen Newton und beförderte 950.000 Gallonen (4.318.787 Liter) Treibstoff. Das meiste davon floss darauf, die Rakete in den Orbit zu bringen, daher sind die Grenzen offensichtlich: Wohin Sie auch gehen, Sie brauchen viel Schweröl.

Elektrische Antriebssysteme erzeugen Schub mit Strom aus Sonnenkollektoren. Der gängigste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, ein elektrisches Feld zum Beschleunigen von Ionen zu verwenden, beispielsweise in einem Hall-Induktionstriebwerk. Diese Geräte werden verwendet, um Satelliten mit Strom zu versorgen, und ihre Gewichtseffizienz ist fünfmal so groß wie die von chemischen Systemen. Gleichzeitig geben sie jedoch viel weniger Schub ab - etwa 3 Newton. Das reicht nur, um das Auto in etwa zweieinhalb Stunden von 0 auf 100 Stundenkilometer zu beschleunigen. Die Sonne ist im Wesentlichen eine bodenlose Energiequelle, aber je weiter sich das Schiff davon entfernt, desto weniger nützlich ist sie.

Einer der Gründe, warum Atomraketen besonders vielversprechend sind, ist ihre unglaubliche Energieintensität. Uran-Brennstoff, der in Kernreaktoren verwendet wird, hat einen Energiegehalt, der 4 Millionen Mal höher ist als der von Hydrazin, einem typischen chemischen Raketentreibstoff. Und es ist viel einfacher, Uran in den Weltraum zu bringen als Hunderttausende Gallonen Treibstoff.

Wie sieht es mit Traktion und Gewichtseffizienz aus?

Zwei nukleare Optionen

Für die Raumfahrt haben Ingenieure zwei Haupttypen von Nuklearsystemen entwickelt.

Der erste ist ein thermonuklearer Motor. Diese Systeme sind sehr leistungsstark und hocheffizient. Sie verwenden einen kleinen Kernspaltungsreaktor - wie auf Atom-U-Booten -, um ein Gas (wie Wasserstoff) zu erhitzen. Dieses Gas wird dann durch die Raketendüse beschleunigt, um Schub bereitzustellen. NASA-Ingenieure haben berechnet, dass eine Reise zum Mars mit einem thermonuklearen Triebwerk 20-25% schneller sein wird als eine Rakete mit einem chemischen Triebwerk.

Fusionsmotoren sind mehr als doppelt so effizient wie chemische. Das bedeutet, dass sie bei gleicher Treibstoffmenge den doppelten Schub liefern – bis zu 100.000 Newton Schub. Das reicht aus, um das Auto in etwa einer Viertelsekunde auf eine Geschwindigkeit von 100 Stundenkilometern zu beschleunigen.

Das zweite System ist ein nuklearer elektrischer Raketenantrieb (NEPE). Davon wurde noch nichts entwickelt, aber die Idee ist, mit einem leistungsstarken Kernspaltungsreaktor Strom zu erzeugen, der dann ein elektrisches Antriebssystem wie einen Hall-Motor antreibt. Das wäre sehr effektiv - etwa dreimal effizienter als ein Fusionsmotor. Da die Leistung eines Kernreaktors enorm ist, können mehrere separate Elektromotoren gleichzeitig arbeiten, und der Schub wird solide ausfallen.

Nuklearraketenmotoren sind vielleicht die beste Wahl für extrem weitreichende Missionen: Sie benötigen keine Sonnenenergie, sind sehr effizient und bieten einen relativ hohen Schub. Doch bei aller vielversprechenden Natur weist der Kernkraftantrieb noch viele technische Probleme auf, die vor der Inbetriebnahme gelöst werden müssen.

Warum gibt es immer noch keine Atomraketen?

Thermonukleare Triebwerke werden seit den 1960er Jahren untersucht, aber sie sind noch nicht ins All geflogen.

Gemäß der Charta der 1970er Jahre wurde jedes nukleare Weltraumprojekt separat betrachtet und konnte ohne die Zustimmung einer Reihe von Regierungsbehörden und des Präsidenten selbst nicht weitergeführt werden. Gepaart mit fehlenden Mitteln für die Erforschung nuklearer Raketensysteme hat dies die Weiterentwicklung von Kernreaktoren für den Einsatz im Weltraum behindert.

Aber das änderte sich im August 2019, als die Trump-Administration ein Memorandum des Präsidenten herausgab. Während die neue Richtlinie auf der maximalen Sicherheit nuklearer Starts besteht, erlaubt die neue Richtlinie weiterhin nukleare Missionen mit geringen Mengen an radioaktivem Material ohne komplizierte behördliche Genehmigungen. Die Bestätigung durch eine Sponsoring-Agentur wie die NASA, dass die Mission den Sicherheitsempfehlungen entspricht, ist ausreichend. Große Nuklearmissionen durchlaufen die gleichen Verfahren wie zuvor.

Zusammen mit dieser Überarbeitung der Regeln erhielt die NASA 100 Millionen US-Dollar aus dem Budget 2019 für die Entwicklung von thermonuklearen Triebwerken. Die Defense Advanced Research Projects Agency entwickelt auch einen thermonuklearen Weltraummotor für nationale Sicherheitsoperationen außerhalb der Erdumlaufbahn.

Nach 60 Jahren Stagnation ist es möglich, dass innerhalb eines Jahrzehnts eine Atomrakete ins All fliegt. Diese unglaubliche Leistung wird eine neue Ära der Weltraumforschung einleiten. Der Mensch wird zum Mars fliegen, und wissenschaftliche Experimente werden zu neuen Entdeckungen im gesamten Sonnensystem und darüber hinaus führen.