Atomraketen könnten in der Hälfte der Zeit zum Mars gelangen, aber die Reaktoren zu konstruieren, die sie antreiben würden, ist nicht einfach

Die NASA plant, im Laufe des nächsten Jahrzehnts bemannte Missionen zum Mars zu schicken, aber die 225 Millionen Meilen lange Reise zum Roten Planeten könnte hin und zurück mehrere Monate oder sogar Jahre dauern.

Diese relativ lange Laufzeit ist auf die Verwendung von herkömmlichem chemischem Raketentreibstoff zurückzuführen. Eine alternative Technologie zu chemisch angetriebenen Raketen, die die Agentur derzeit entwickelt, heißt nuklearer thermischer Antrieb, der Kernspaltung nutzt und eines Tages eine Rakete antreiben könnte, die die Reise in der Hälfte der Zeit zurücklegt.

Bei der Kernspaltung wird die unglaubliche Energiemenge genutzt, die bei der Spaltung eines Atoms durch ein Neutron freigesetzt wird. Diese Reaktion wird als Spaltungsreaktion bezeichnet. Die Spaltungstechnologie ist in der Stromerzeugung und in nuklearbetriebenen U-Booten gut etabliert, und ihre Anwendung zum Antrieb oder Antrieb einer Rakete könnte der NASA eines Tages eine schnellere und leistungsstärkere Alternative zu chemisch angetriebenen Raketen bieten.

Die NASA und die Defense Advanced Research Projects Agency entwickeln gemeinsam die NTP-Technologie. Sie planen, im Jahr 2027 ein Prototypsystem im Weltraum einzusetzen und seine Fähigkeiten zu demonstrieren, was es zu einem der ersten seiner Art machen könnte, das von den Vereinigten Staaten gebaut und betrieben wird.

Der nukleare thermische Antrieb könnte eines Tages auch manövrierfähige Weltraumplattformen antreiben, die US-Satelliten in der Erdumlaufbahn und darüber hinaus schützen würden. Aber die Technologie entwickelt sich noch weiter.

Ich bin außerordentlicher Professor für Nukleartechnik am Georgia Institute of Technology, dessen Forschungsgruppe Modelle und Simulationen erstellt, um das Design nuklearer thermischer Antriebssysteme zu verbessern und zu optimieren. Meine Hoffnung und Leidenschaft ist es, zum Design des nuklearen thermischen Antriebsmotors beizutragen, der eine bemannte Mission zum Mars ermöglichen wird.

Nuklearer oder chemischer Antrieb

Herkömmliche chemische Antriebssysteme nutzen eine chemische Reaktion, an der ein leichter Treibstoff wie Wasserstoff und ein Oxidationsmittel beteiligt sind. Wenn diese beiden Elemente vermischt werden, entzünden sie sich, wodurch der Treibstoff sehr schnell aus der Düse austritt und die Rakete antreibt.

Diese Systeme erfordern kein Zündsystem und sind daher zuverlässig. Allerdings müssen diese Raketen Sauerstoff in den Weltraum transportieren, was sie belasten kann. Im Gegensatz zu chemischen Antriebssystemen beruhen nuklearthermische Antriebssysteme auf Kernspaltungsreaktionen, um den Treibstoff zu erhitzen, der dann aus der Düse ausgestoßen wird, um die Antriebskraft oder den Schub zu erzeugen.

Bei vielen Spaltreaktionen schicken Forscher ein Neutron in Richtung eines leichteren Uranisotops, Uran 235. Das Uran absorbiert das Neutron und erzeugt Uran 236. Das Uran 236 spaltet sich dann in zwei Fragmente, Spaltprodukte, und die Reaktion emittiert verschiedene Partikel.

Mehr als 400 weltweit in Betrieb befindliche Kernreaktoren nutzen derzeit die Technologie der Kernspaltung. Bei den meisten dieser in Betrieb befindlichen Kernreaktoren handelt es sich um Leichtwasserreaktoren. Diese Kernspaltungsreaktoren nutzen Wasser, um Neutronen abzubremsen und Wärme aufzunehmen und zu übertragen. Wasser kann direkt im Kern oder in einem Dampferzeuger Dampf erzeugen, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt.

Kernthermische Antriebssysteme funktionieren auf die gleiche Weise, verwenden jedoch einen anderen Kernbrennstoff, der mehr Uran 235 enthält. Sie arbeiten auch bei einer viel höheren Temperatur, was sie äußerst leistungsstark und kompakt macht. Kernthermische Antriebssysteme haben eine Leistungsdichte, die etwa zehnmal so hoch ist wie die eines herkömmlichen Leichtwasserreaktors.

Der nukleare Antrieb könnte aus mehreren Gründen einen Vorsprung gegenüber dem chemischen Antrieb haben.

Ein Kernantrieb würde Treibstoff sehr schnell aus der Triebwerksdüse ausstoßen und so einen hohen Schub erzeugen. Durch diesen hohen Schub kann die Rakete schneller beschleunigen.

Auch diese Systeme verfügen über einen hohen spezifischen Impuls. Der spezifische Impuls misst, wie effektiv der Treibstoff zur Schuberzeugung genutzt wird. Nukleare thermische Antriebssysteme haben etwa den doppelten spezifischen Impuls wie chemische Raketen, was bedeutet, dass sie die Reisezeit um den Faktor 2 verkürzen könnten.

Geschichte des nuklearen thermischen Antriebs

Seit Jahrzehnten finanziert die US-Regierung die Entwicklung der nuklearen thermischen Antriebstechnologie. Zwischen 1955 und 1973 produzierten und testeten die Programme der NASA, General Electric und der Argonne National Laboratories 20 nukleare thermische Antriebsmotoren.

Doch diese Konstruktionen aus der Zeit vor 1973 beruhten auf hochangereichertem Uran als Brennstoff. Dieser Brennstoff wird aufgrund seines Verbreitungsrisikos oder der mit der Verbreitung nuklearer Materialien und Technologien verbundenen Gefahren nicht mehr verwendet.

Die vom Energieministerium und der National Nuclear Security Administration ins Leben gerufene Global Threat Reduction Initiative zielt darauf ab, viele Forschungsreaktoren, die hochangereicherten Uranbrennstoff verwenden, auf hochgradig angereicherten Uranbrennstoff (HALEU) umzustellen.

Hochtitrierter, niedrig angereicherter Uranbrennstoff enthält weniger Material, das eine Spaltreaktion eingehen kann, als hochangereicherter Uranbrennstoff. Raketen müssen also mehr HALEU-Treibstoff enthalten, was den Motor schwerer macht. Um dieses Problem zu lösen, untersuchen Forscher spezielle Materialien, die eine effizientere Nutzung des Brennstoffs in diesen Reaktoren ermöglichen würden.

Das DRACO-Programm (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) der NASA und der DARPA beabsichtigt, diesen hochwertigen, schwach angereicherten Uranbrennstoff in seinem nuklearen thermischen Antriebsmotor zu verwenden. Das Programm plant, seine Rakete im Jahr 2027 zu starten.

Im Rahmen des DRACO-Programms arbeitete das Luft- und Raumfahrtunternehmen Lockheed Martin mit BWX Technologies zusammen, um das Reaktor- und Brennstoffdesign zu entwickeln.

Die von diesen Gruppen entwickelten nuklearen thermischen Antriebsmotoren müssen bestimmte Leistungs- und Sicherheitsstandards erfüllen. Sie müssen über einen Kern verfügen, der während der gesamten Dauer der Mission einsatzfähig ist und die für eine schnelle Reise zum Mars erforderlichen Manöver durchführen kann.

Idealerweise sollte das Triebwerk in der Lage sein, hohe spezifische Impulse zu erzeugen und gleichzeitig den Anforderungen des Triebwerks an hohen Schub und geringe Masse gerecht zu werden.

Forschung läuft

Bevor Ingenieure einen Motor entwerfen können, der alle diese Standards erfüllt, müssen sie mit Modellen und Simulationen beginnen. Diese Modelle helfen Forschern wie denen meiner Gruppe zu verstehen, wie der Motor mit dem Starten und Stoppen umgehen würde. Hierbei handelt es sich um Vorgänge, die schnelle und massive Temperatur- und Druckänderungen erfordern.

Der nukleare thermische Antriebsmotor wird sich von allen bestehenden elektrischen Spaltungssystemen unterscheiden, daher müssen Ingenieure Softwaretools entwickeln, die mit diesem neuen Motor kompatibel sind.

Meine Gruppe entwirft und analysiert nukleare thermische Antriebsreaktoren mithilfe von Modellen. Wir modellieren diese komplexen Reaktorsysteme, um zu sehen, wie sich beispielsweise Temperaturänderungen auf den Reaktor und die Sicherheit der Rakete auswirken können. Doch die Simulation dieser Effekte kann sehr teure Rechenleistung erfordern.

Wir arbeiten an der Entwicklung neuer Rechenwerkzeuge, die das Verhalten dieser Reaktoren während des Anlaufs und Betriebs modellieren, ohne so viel Rechenleistung zu verbrauchen.

Meine Kollegen und ich hoffen, dass diese Forschung eines Tages zur Entwicklung von Modellen beitragen kann, die die Rakete autonom steuern können.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.