Raumfahrt: Renaissance der Kernspaltungsreaktoren

Kernreaktoren bieten in der Raumfahrt sowohl zur elektrischen Energieversorgung von Raumflugkörpern und Missionen auf der Oberfläche fremder Himmelskörper als auch für den Antrieb von Raumflugkörpern in Form nuklearthermischer Triebwerke zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten und erhebliche Vorteile. Die USA und Russland arbeiten seit Jahren an konkreten Kernreaktoren für die Raumfahrt. In diesem Monat1,2 will die NASA ein Prototyp-System erstmals mit kritischem Kilopower-Reaktor testen.

Kernreaktoren liefern zuverlässig, bedarfsgerecht und über lange Zeiträume hinweg Energie. Auch in großer Entfernung zur Sonne, auch auf der Nachtseite von Planeten, auch in dunklen Kratern in den Polregionen, auch unter einer dichten Wolkendecke. Bereits in der Erdumlaufbahn können sie Vorteile gegenüber anderen Energiequellen haben, insbesondere wenn sehr große Leistungen benötigt werden.

Diese Vorteile führten bereits in der Frühzeit der Raumfahrt zu Reaktorentwicklungen. 1965 startete die NASA mit SNAP-10A den ersten reaktorbetriebenen Satelliten. Es sollte aber vorerst der einzige amerikanische Reaktor im Weltraum bleiben – die Weiterentwicklung der Photovoltaik machte Reaktoren in der Erdumlaufbahn in der für die umgesetzten Missionen nötigen Leistungsklasse obsolet. Für Missionen in den tieferen Weltraum wurden Radioisotopengeneratoren (RTG) entwickelt und genutzt, welche die Zerfallswärme eines Radionuklids nutzen, meist Plutonium-238. Bei einer Leistung von bis zu einigen hundert Watt sind RTG kompakter, leichter und wirtschaftlicher als Reaktoren. Missionen mit höherem Leistungsbedarf wurden bis heute nicht durchgeführt.

In der UdSSR begann man in den 1970er Jahren, Reaktoren für die Versorgung von Satelliten einzusetzen, Hauptmotivation war die Möglichkeit, die Satelliten so aerodynamischer zu bauen als solche mit großen Photovoltaik-Paneelen. Das war vor allem bei militärischen Erdbeobachtungssatelliten von erheblicher Bedeutung, welche in ihrer Flugbahn zum Teil eine Flughöhe von 200 km unterschritten und dabei bereits deutlich von der Restatmosphäre gebremst wurden. Gleichzeitig war der elektrische Leistungsbedarf der eingesetzten Radaranlagen hoch. Nach dem Ende der Sowjetunion wurde dieses Satellitenprogramm aber nicht fortgeführt. 1988 startete der bis heute letzte Reaktor in die Erdumlaufbahn.

Heute, fast 30 Jahre später, sieht es aber so aus, als könnten Reaktoren in der Raumfahrt in naher Zukunft eine Renaissance erleben und bald zu einer etablierten und vielleicht sogar kommerziell genutzten Technologie werden. Dafür gibt es vor allem drei Gründe:

  • Ein Mangel an Plutonium-238 macht kleine Reaktoren als Alternative zu Radionuklidbatterien für viele Raumsondenmissionen attraktiv.
  • Elektrische Raketentriebwerke, wie etwa Ionentriebwerke, wurden in den letzten Jahrzehnten bis zur Einsatzreife entwickelt und punkten mit extrem hohen spezifischen Impulsen, führen aber zu einem hohen elektrischen Leistungsbedarf von Raumfahrzeugen, die damit ausgestattet sind, insbesondere, wenn die Ionentriebwerke zum Antrieb, und nicht nur zur Lagekorrektur genutzt werden sollen. Zum Vergleich: Typische chemische Raketentriebwerke haben eine Leistung im Megawattbereich bis hin zu einigen Gigawatt. Radionuklidbatterien mit einer elektrischen Leistung von mehr als einigen hundert Watt sind vor allem aus wirtschaftlichen Gründen unpraktikabel.
  • Mögliche bemannte Stationen auf dem Mond oder dem Mars erfordern dort eine leistungsfähige und zuverlässige Energiequelle. Sowohl auf dem Mond, als auch auf dem Mars, ist die Photovoltaik nur bedingt eine Alternative, denn auf dem Mond dauert die Nacht zwei Wochen, und auf dem Mars ist die Sonneneinstrahlung durch die größere Entfernung zur Sonne im Vergleich zur Erde bereits weniger als halb so stark. Auch nukleare Antriebssysteme und die Möglichkeit, auf Mond oder Mars chemischen Raketentreibstoff herstellen zu können, (siehe etwa LUNOX, ISRU) spielen hier eine Rolle.

Aus diesen Gründen intensivierten sowohl die NASA in den USA, als auch Roskosmos in Russland, in den letzten Jahren die Entwicklung von Reaktoren für die Raumfahrt, wenn auch mit etwas unterschiedlichen Zielsetzungen.

NASA

Die NASA konzentriert sich primär auf kleine Reaktoren für die elektrische Energieversorgung von Raumsonden als Alternative zu Radionuklidbatterien. Man will damit zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Einerseits steht Raumsonden so mehr Energie zur Verfügung als das bei vergleichbarem Budget mit Radionuklidbatterien möglich wäre, andererseits kann man so das knappe Plutonium-238 für den Einsatz auf Missionen konzentrieren in denen Radionuklidbatterien alternativenlos sind, etwa Rover wie Curiosity.

Kilopower

Das „Kilopower“ genannte Reaktorprogramm sieht daher primär Reaktormodule mit einer elektrischen Leistung zwischen 500 Watt und 10 Kilowatt vor. Im Anschluss könnten Reaktoren auf Basis der selben Technologie aber bis in den Megawattbereich hinein hochskaliert werden. Die NASA spricht von “Fission Surface Power” von 10 – 100 Kilowatt für bemannte Mond- und Marskolonien, Megapower mit über 100 Kilowatt bis hin zu einigen Megawatt für leistungsstarke nuklear-elektrische Antriebe.3,4 Bei den Reaktoren wurde weitgehend auf erprobte Technologien zurückgegriffen um Entwicklungsrisiken zu reduzieren.

Der Kilopower-Reaktor, der in Anspielung auf Krusty den Clown auch als KRUSTY (Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY) bezeichnet wird, besteht aus einem Zylinder aus mit etwa 20 Prozent schwach angereichertem Uran mit einer zentralen axialen Bohrung in welcher sich ein einzelner Abschaltstab aus Borcarbid befindet.5 Der Reaktorkern ist von einem Neutronenreflektor aus Beryllium umgeben, über welchen auch die Wärme aus dem Kern abgeführt wird. Im Reflektor befinden sich Bohrungen, in welchen sich Wärmerohre befinden. Diese sind mit flüssigem Natrium bzw. Natriumdampf gefüllt. Das Natrium verdampft auf der heißen Seite und kondensiert auf der kalten Seite, von wo aus es durch den Kapillareffekt wieder zur heißen Seite zurückfließt. So kann die Wärme – ähnlich wie in einem modernen PC-Kühlkörper, aber auf höherem Temperaturniveau – effektiv abgeführt werden. Die Wärmerohre führen durch ein biologisches Schild und geben die Wärme anschließend an Stirlingmotoren ab, welche damit elektrische Energie produzieren. Auf der kalten Seite der Stirlingmotoren wird die Wärme an einen blütenförmigen Radiator abgegeben welcher sie in den Weltraum abstrahlt. Der Wärmetransport erfolgt wiederum über Wärmerohre, die mit Wasser als Kühlmittel und natürlich auf einem niedrigeren Temperaturniveau funktionieren.

Grafik: Querschnitt des Kilopower Reaktors. Quelle: NASA

Grafik: Querschnitt des Kilopower Reaktors. Quelle: NASA

 

Die Stirlingmotoren sind als Freikolbenmotoren mit integriertem elektrischen Lineargenerator ausgeführt. Sie können so ohne Wellendichtung hermetisch verkapselt werden, womit ein Austreten des Arbeitsgases ausgeschlossen ist und sie besitzen verschleißfreie, ölfreie Lager die eine lange Lebensdauer garantieren. Derartige Stirlingmotoren wurden in den letzten Jahrzehnten von Firmen wie Sunpower (AMETEK), Infinia und Qnergy ursprünglich für solarthermische Kraftwerke und Micro-Blockheizkraftwerke entwickelt und sind daher kommerziell verfügbar. Zunächst plante die NASA, solche Stirlingmotoren in Radioisotopengeneratoren einzusetzen, um deren Effizienz gegenüber thermoelektrischen Generatoren zu steigern (ASRG – Advanced Stirling Radioisotope Generator) und so bei gegebener elektrischer Leistung weniger wertvolles Plutonium-238 zu benötigen. Nun sollen diese Stirlingmotoren auch als Energiewandler für Reaktoren genutzt werden.

Der Sunpower ASC, das gegenwärtige Referenzmodell eines entsprechenden Stirlingmotors, besitzt etwa eine elektrische Leistung von 80 W bei einem Wirkungsgrad von 38 Prozent. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems ist aufgrund von Wärmeverlusten aber etwas geringer. Die Temperatur auf der heißen Seite liegt bei 760 °C, auf der kalten Seite sind es 90 °C.6,7 Bisher wurden bereits 29 dieser Generatoren gebaut, von anderen Varianten zum Teil über 10.000. Es sind auch größere Modelle mit bis zu einigen kW verfügbar.

Ein 800-W-Reaktormodul soll etwa 400 kg schwer (2 W/kg), inklusive Radiator 2,5 m lang werden und inklusive Entwicklung rund 300-500 Millionen Dollar kosten. Der Reaktor selbst soll dabei mit Kern und Reflektor 122,1 kg wiegen, die Abschirmung aus Lithiumhydrid und abgereichertem Uran 98,7 kg, die Stirlingmotoren 25 kg. Der Rest entfällt auf den Radiator und Strukturbauteile. Ein Modell mit 3 kW soll auf eine Startmasse von 750 kg (4 W/kg) kommen und 5 m lang sein. Sowohl vom Leistungsgewicht her als auch vom Preis wirkt das 800-W-Modell unattraktiv im Vergleich zu Radionuklidbatterien wie dem heute üblichen MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) mit 2,8 W/kg oder potenziellen Nachfolgern wie dem ASRG mit 7-8 W/kg. Allerdings sind deren Einsatzmöglichkeiten durch den Plutonium-238-Mangel beschränkt.8,9

Zahlreiche Tests an Systemen des Kilopower-Reaktors liefen bereits vielversprechend. In den nächsten Wochen soll nun ein Prototyp mit kritischem Reaktor getestet werden – der erste NASA-Kernreaktor seit den 1960er Jahren. Mitte der 2020er Jahre könnte erstmals eine mit einem Kilopower-Reaktor ausgestattete Raumsonde starten. Angedacht werden etwa eine Uranus- oder Uranus-/Neptun-Sonde10 (mit Startfenstern im Jahr 2029 und 2034), eine Saturn-/Titan-Sonde (als Nachfolger von Cassini-Huygens), eine Sonde mit nuklearelektrischem Antrieb zur Erforschung des Kuipergürtels oder eine Sonde – ebenfalls mit nuklearelektrischem Antrieb – zur Erforschung des Kometen Chiron, dem größten bekannten Kometen des Sonnensystems. Wann es tatsächlich zum Erststart einer solchen Sonde kommt, hängt aber wohl maßgeblich davon ab, welche Priorität die NASA – und die US-Politik – teuren “Flagship”-Missionen im äußeren Sonnensystem im nächsten Jahrzehnt einräumen werden und wie sich die Plutonium-238-Verfügbarkeit bis dahin entwickelt.

Ein großer Vorteil von Kilopower ist die Möglichkeit, Raumsonden wesentlich mehr elektrische Energie zur Verfügung zu stellen als das mit RGT wirtschaftlich möglich ist. Die Saturnsonde Cassini verfügte etwa mit 3 GPHS-RTG über eine elektrische Gesamtleistung von 900W, die bisher höchste elektrische Gesamtleistung aller Raumsonden mit Radionuklidbatterie. Bereits die kleinsten Kilopower-Modelle bewegen sich in dieser Leistungsklasse. Damit werden etwa nuklear-elektrische Antriebe möglich, welche die Sonden schneller und manövrierfähiger machen können, leistungsstarke Telekommunikationshardware oder Radar- und Lidar-Systeme zur Kartographierung der Oberfläche fremder Himmelskörper. Außerdem können damit Missionen durchgeführt werden, die ohne Kilopower durch den Plutonium-238-Mangel nicht durchgeführt werden könnten. Auch für die Energieversorgung einer schon in relativ naher Zukunft realistischen Mondstation ist der Reaktor interessant. Das US-Verteidigungsministerium unterstützt die Entwicklung ebenfalls, weil ähnliche Reaktoren aufwendige regelmäßige Diesel-Transporte zur Versorgung vorgeschobener Militärbasen obsolet machen könnten. Auch für militärische – eines Tages vielleicht auch zivile – Unterwasser-Drohnen und unbemannte Sonarstationen könnten die Reaktoren eine interessante Energiequelle darstellen.

Update: Die Tests des ersten Kilopower-Prototypen wurden etwas nach hinten verschoben und sollen nun am 6. November beginnen.21

Nuklearthermisches Triebwerk

Neben diesen Reaktoren werden im Programm “Game Changing Development” der NASA auch nuklearthermische Triebwerke (NTR, Nuclear Thermal Rocket) für eine bemannte Marsmission entwickelt. Diese Raketentriebwerke nutzen einen Hochtemperaturreaktor anstelle einer Brennkammer für chemischen Brennstoff, um den Treibstoff – in der Regel Wasserstoff – zu erhitzen. Da der unverbrannte Wasserstoff im Vergleich zu anderen Gasen aufgrund seines geringen Molekulargewichts bei gegebener Temperatur eine sehr hohe Schallgeschwindigkeit besitzt, womit eine hohe Treibstoffausstoßgeschwindigkeit erreicht werden kann, punkten diese Triebwerke mit einem im Vergleich zu den besten verfügbaren chemischen Raketentriebwerken etwa doppelt so hohen spezifischem Impuls von bis zu etwa 10.000 m/s.11 LANTR-Triebwerke (Liquid Oxygen Augmented Nuclear Thermal Rocket) sind nuklearthermische Triebwerke, bei denen als Nachbrenner noch etwas Sauerstoff in die Düse eingespritzt wird.

Grafik: Funktionsdiagramm eines nuklearthermischen Raketentriebwerks. Quelle: NASA

Grafik: Funktionsdiagramm eines nuklearthermischen Raketentriebwerks. Quelle: NASA

 

Derartige Triebwerke wurden bereits in den 1940er Jahren vorgeschlagen. 1955-1971 wurden die Triebwerke in den USA getestet (Projekte Rover und NERVA). Allerdings fiel die Entwicklung dann vorerst Einsparungen der NASA zum Opfer. In den späten 1980er Jahren wurden im Zuge der Strategic Defense Initiative im Projekt Timberwind nuklearthermische Triebwerke durch die amerikanische Luftwaffe entwickelt und verbessert. Allerdings wurde die Entwicklung nach dem Ende des Kalten Krieges Anfang der 1990er abgebrochen. In den folgenden Jahren wurden nuklearthermische NTR und LANTR-Triebwerke im Zuge der Space Exploration Initiative unter George Bush senior vorgeschlagen, um eine große Mondbasis aufbauen und versorgen zu können. Allerdings ging die Entwicklung hier nicht über Konzeptstudien hinaus. Daneben wurden zwischen 1961 und 1978 mit IGR, IVG-1 und IRGIT auch in der UdSSR drei Prototypen nuklearer Raketentriebwerke gebaut und bis in die 1980er getestet, aber wie die Triebwerke der Amerikaner nie im Weltraum eingesetzt.

Die jüngste Entwicklung derartiger Triebwerke wurde im Zuge des unter George Bush junior angestoßenen Constellation-Programms der NASA begonnen. In der 2007 veröffentlichten Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0 wurden die Möglichkeiten und Vorteile nuklearthermischer Antriebssysteme für einen Marsflug betont.12,13 In der Folge wurde ein Raumschiff für einen bemannten Marsflug mit nuklearthermischen Triebwerken projektiert.

Anfang August dieses Jahres wurde ein 18,8 Millionen Dollar schwerer Entwicklungsauftrag für ein NTR-Triebwerk von der NASA an BWX Technologies, der ehemaligen Kerntechniksparte von B&W, vergeben, welcher bis 2019 abgeschlossen werden soll.14,15 B&W entwickelte seinerzeit auch die Reaktoren der Timberwind-Triebwerke. BWX soll ein nuklearthermisches Triebwerk und eine Anlage zu dessen Erprobung entwickeln, ein geeignetes Design ausarbeiten und testweise geeigneten Kernbrennstoff herstellen, wobei BWX neuartigen Cermet-Brennstoff aus einer Metall-Keramik Matrix entwickeln will. Dieser Brennstoff soll den Betrieb mit niedrig angereichertem Uran bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte erlauben, was politisch gefordert wird. BWX wird der NASA auch bei der Planung und Lizenzierung von Erprobungsanlagen für nuklearthermische Triebwerke helfen. Im Anschluss an diese Entwicklung könnte 2020 bereits der Bau von Prototypen und Erprobungsanlagen beginnen und Mitte der 2020er fertiggestellt sein. Damit könnte die Technologie bei einem geplanten bemannten Marsflug in den 2030ern rechtzeitig einsatzbereit sein.
Der nuklearthermische Antrieb ist aber nicht nur für einen Marsflug interessant, sondern auch für den Einsatz in einem Weltraumshuttle oder Weltraumschlepper für Flüge von einem niedrigen Erd-Orbit zum Mond, zu den Lagrange-Punkten oder zu hohen Umlaufbahnen sowie für den Start schwerer Raumsonden ins äußere Sonnensystem.

Dennoch bleibt der nuklearthermische Antrieb vorerst nur eine Option. Alternativen sind neben chemischen Antrieben auch (nuklear-)elektrische, etwa das von der Ad Astra Rocket Company entwickelte magnetoplasmadynamische VASIMR-Triebwerk in Kombination mit einem Megapower-Reaktor, auch eine Variante mit solar-elektrischem Antrieb ist eine Option. Nukleare beziehungsweise elektrische Varianten erscheinen im Vergleich zu chemischen insbesondere dann wirtschaftlich sinnvoller wenn mehr als nur ein einzelner Flug durchgeführt werden soll weil derartige Raumschiffe einfacher wiederverwendbar aufgebaut sein könnten und durch Wiederverwendbarkeit und geringen Treibstoffbedarf vor allem auf lange Sicht auch insgesamt weniger Starts schwerer Transportraketen erforderlich sind.

Grafik: Konzept des Marsraumschiffs MTV Copernicus mit nuklearthermischen Raketentriebwerken. Quelle: NASA

Grafik: Konzept des Marsraumschiffs MTV Copernicus mit nuklearthermischen Raketentriebwerken. Quelle: NASA

 

Roskosmos

Auch in Russland entwickelt man zur Zeit Kernreaktoren für den Weltraumeinsatz, allerdings mit einer anderen Zielsetzung und in einer anderen Dimensionierung. Hier wird eine elektrische Referenzleistung von 1 MW angestrebt, welche nicht nur die Elektronik eines Raumfahrzeugs mit Energie versorgen soll, sondern auch ein leistungsstarkes nuklear-elektrisches Antriebssystem, das NPPS (Nuclear Power Propulsion System) als Teil des TEM (Transport and Energy Module).16

Die Entwicklung wurde in ihrer heutigen Form 2009 vom Raumfahrttechnik-Institut Keldysh Research Centre in Moskau in Zusammenarbeit mit Rosatom initiiert und ab 2010 von der Präsidentenkommission für Modernisierung und technologische Entwicklung der russischen Wirtschaft unter Präsident Medwedew unterstützt, womit die Entwicklung vorangetrieben werden konnte. Der vom Rosatom-Konstruktionsbüro JSC NIKIET entwickelte Reaktor des NPPS ist ein schneller gasgekühlter Reaktor (space gas-cooled fast reactor, SGFR). Das als Kühlmittel eingesetzte Xenon-Helium Gemisch treibt direkt eine Gasturbine in einem geschlossenen Brayton-Kreisprozess an. Um eine hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erreichen, wurde die Temperatur extrem hoch angesetzt: Die Reaktoraustrittstemperatur soll bei wenigstens etwa 930 °C liegen, im Idealfall sogar bei etwa 1130 °C. Die Brennstab-Oberflächentemperatur erreicht dabei bis zu über 1300 °C. Damit betritt der Reaktor gleich vielfach technisches Neuland. Er wäre nicht nur der erste realisierte gasgekühlte schnelle Leistungsreaktor überhaupt, sondern auch der schnelle Reaktor mit der mit Abstand höchsten bisher erreichten Betriebstemperatur. Die Gasturbine hätte die höchste je in einem (nicht experimentellen) geschlossenen Brayton-System erreichte Betriebstemperatur, und das Ganze fände auch noch im Weltraum statt.17

Als Brennstoff für den Reaktor dient angereichertes Uranoxid in Hüllrohren aus monokristallinem Molybdän, welches den extremen Temperaturen standhalten soll, ohne sich zu verformen18. Auch mit diesem Material wird Neuland betreten, jedenfalls in dieser Anwendung. Als Strukturmaterial im Reaktorkern dient hauptsächlich Molybdän. Der Kern ist von einem Neutronenreflektor aus Beryllium umgeben; der Reaktordruckbehälter besteht aus einer warmfesten Nickel-Eisen-Superlegierung. Angestrebt wird eine Betriebslebensdauer von mindestens 10 Jahren.

Über die Konstruktion der Turbine ist zur Zeit wenig bekannt. In konventionellen Gasturbinen werden allerdings bereits ähnliche oder sogar höhere Betriebstemperaturen erreicht. Dennoch dürfte die Konstruktion sehr anspruchsvoll sein, allein schon deshalb, weil die Turbine und auch das restliche System mindestens 10 Jahre lang wartungsfrei funktionieren sollen.

Grafik: Space Gas Cooled Fast Reactordes TEM. Quelle: JSC NIKIET

Grafik: Space Gas Cooled Fast Reactor des TEM. Quelle: JSC NIKIET

 

Um die große Abwärme des Systems möglichst effektiv abgeben zu können, wird angestrebt, ergänzend zu einem konventionellen Plattenradiator einen sogenannten Tröpfchenradiator zu nutzen.19 Dieser wird vom Moscow Institute of Physics and Technology entwickelt. Der Tröpfchenradiator sprüht ein Kühlmittel mit sehr niedrigem Dampfdruck in den Raum, es strahlt dort seine Wärme ab und wird an anderer Stelle wieder aufgefangen. Mit diesem Konzept kann man einen Radiator realisieren, der ohne Strukturmaterial auskommt. Dadurch kann der Radiator bei gegebener Startmasse eine sehr große Fläche haben. Allerdings ist dieses Konzept unerprobt. Als Fallback wird auch der Einsatz eines konventionellen Plattenradiators erwogen.

Im Idealfall, also mit Tröpfchenradiator und 1130 °C Reaktoraustrittstemperatur, soll das System einen Wirkungsgrad von 38 Prozent und eine Leistung von 154 W pro Kilogramm Startmasse erreichen. Ohne Tröpfchenradiator beziehungsweise mit »nur« 930 °C Reaktoraustrittstemperatur verschlechtert sich die Effizienz auf 35 Prozent und die Leistung pro Startmasse auf 147 W/kg. Die Startmasse beträgt damit 6,5 – 6,8 t für ein Reaktormodul mit 1 MW samt Radiator. Hinzu kommt die Masse des Antriebssystems einschließlich Treibstofftank und Struktur; die Gesamtmasse des TEM soll bei etwa 20 t liegen. Das TEM könnte damit mit der neuen, schweren Angara-A5-Rakete gestartet werden.

Grafik: Funktionsdiagramm des TEM. Quelle: Atomnaya Énergiya

Grafik: Funktionsdiagramm des TEM. Quelle: Atomnaya Énergiya

Als Antriebssystem kommen vermutlich leistungsstarke Ionentriebwerke in der Ausführung als Hallantriebe zum Einsatz, welche vom Roskosmos-Konstruktionsbüro OKB Fakel entwickelt werden. Dieses ist weltweit führend bei der Konstruktion derartiger Triebwerke. Der spezifische Impuls soll dabei etwa 70.000 m/s erreichen. Wie viele Triebwerke mit welcher Leistung dabei zum Einsatz kommen, scheint noch nicht ganz festzustehen. Illustrationen zeigen häufig 16 Triebwerke mit einer elektrischen Leistung von demnach jeweils etwa 62,5 kW. Die Gesamtschubkraft beträgt vermutlich etwa 5 – 6 N. Auch hier wird technisches Neuland betreten, denn bisher eingesetzte Triebwerke dieser Bauart erreichten maximal wenig mehr als ein Kilowatt und wenige hundert mN Schubkraft, auch der spezifische Impuls war meist niedriger. Im Labor wurden allerdings auch schon Halltriebwerke mit bis zu 100 kW getestet.

Das TEM hätte vielfältige Einsatzmöglichkeiten, insbesondere als wiederverwendbarer Weltraumschlepper. So könnte es etwa Satelliten aus einem niedrigen Erdorbit in einen geostationären Orbit befördern und diesen Vorgang dank des hohen spezifischen Impulses der elektrischen Triebwerke Dutzende Male wiederholen, bevor das TEM nachgetankt werden muss. Da die Nutzlast gängiger Raketen bei Transporten in einen niedrigen Erdorbit etwa drei bis vier mal so groß ist wie bei einem Transport in den geostationären Orbit, viele Erdbeobachtungs- und Telekommunikationssatelliten aber im geostationären Orbit platziert werden müssen, wäre eine solche Dienstleistung ein potenzielles Milliardengeschäft.

Grafik: TEM als Weltraumschlepper. Quelle: CNES/DLR

Grafik: TEM als Weltraumschlepper. Quelle: CNES/DLR

Auch für den Antrieb großer Raumsondenprojekte wäre das TEM interessant, ebenso zur Versorgung einer Mond- oder Marskolonie. Denkbar ist auch der Einsatz als Antrieb für einen bemannten Mond- und insbesondere Marsflug, fallweise in einer hochskalierten Variante. Das TEM wäre dabei allerdings nicht besonders schnell. Bei einem Marsflug per TEM geht man von einer Flugzeit von etwa 300 Tagen aus. Das ist eher langsam im Vergleich zu anderen Antriebssystemen. Im Gegensatz zu konventionellen Antriebssystemen könnte das TEM aber nach einem Flug zum Mars in den Erdorbit zurückkehren und anschließend erneut Nutzlast zum Mars transportieren. Auf lange Sicht wäre das natürlich billiger als ein Einwegsystem. Letztes Jahr geisterten Meldungen durch die Presse, wonach der Marsflug mit TEM in nur 45 Tagen möglich sein soll20. Das ist aber nicht einmal möglich, wenn nur eine sehr kleine oder im Extremfall gar keine Nutzlast mitgeführt wird. Je größer die Flugstrecke, desto eher hat das TEM allerdings durch den hohen spezifischen Impuls des Antriebs sehr wohl einen Geschwindigkeitsvorteil. Relevant würde das bei Flügen zum Jupiter und darüber hinaus.

So wie Kilopower soll auch das TEM bereits recht zeitnah umgesetzt werden. Schon nächstes Jahr soll ein Reaktorprototyp in Betrieb gehen. Bereits innerhalb der nächsten zehn Jahre könnte das erste TEM starten. Ob man diesen Zeitplan angesichts der vielen neuen Technologien und der damit verbundenen Hürden und schwer abschätzbarer Kosten in Kombination mit einem knappen Raumfahrtbudget wird einhalten können und ob das TEM ein Erfolg wird, lässt sich zur Zeit schwer sagen. Es hat aber zumindest theoretisch das Potenzial zu einem großer Schritt in der Raumfahrttechnik, der sich sowohl auf die kommerziellen Raumfahrt als auch auf die Erforschung des Sonnensystems positiv auswirken könnte.

Quellen:

  1. NASA to Test Fission Power for Future Mars Colony, space.com
  2. Kernreaktor fürs Weltall, Spektrum der Wissenschaft
  3. Kilowatt-Class Fission Power Systems for Science and Human Precursor Missions, NASA
  4. Nuclear Systems Kilopower Overview, NASA
  5. Design and Testing of Small NuclearReactors for Defense and Space Applications, NNSA, LANL
  6. Space – ASC, Sunpower Inc.
  7. NASA Stirling Converter Demonstration, NASA (Video)
  8. Future Explorers Powered By Fission? NASA Investigates, NASA Advanced Concepts Lab, space.com
  9. Nuclear Systems Project, NASA Glenn Research Center
  10. Ice Giants Pre-Decadal Study Final Report, NASA
  11. Nuclear Thermal Propulsion (NTP), NASA (Video)
  12. Nuclear Thermal Propulsion (NTP): A Proven GrowthTechnology for Human NEO / Mars Exploration Missions, NASA
  13. Human Exploration of MarsDesign Reference Architecture 5.0, NASA
  14. NASA boosts nuclear thermal propulsion with BWXT contract, world nuclear news
  15. NASA Contracts with BWXT Nuclear Energy to Advance Nuclear Thermal Propulsion Technology, NASA
  16. THE FUTURE OF SPACECRAFT NUCLEAR PROPULSION, F. Jansen, DLR
  17. New stage in the use of atomic energy in space, A. S. Koroteew, Atomnaya Énergiya Vol. 108 (Springerlink, englische Übersetzung)
  18. FAST-NEUTRON GAS-COOLED REACTOR FOR THE MEGAWATT-CLASS SPACE BIMODAL NUCLEAR THERMAL SYSTEM, Yu. G. Dragunow, JSC NIKIET Moskau
  19. MIPT Physicists Solve Problem of Droplet Cooling in Nuclear-Powered Spacecraft Engines, MIPT
  20. Russland will mit einem Atomantrieb in 45 Tagen zum Mars fliegen, Wired.de
  21. NASA To Test Fission Reactor For Space Missions, AVIATIONWEEK

Dominic Wipplinger

Dominic Wipplinger studiert Elektrotechnik ist in der Österreichischen Kerntechnischen Gesellschaft und in der Nuklearia aktiv. Er hat bereits in etlichen Kernkraftwerken als Messtechniker gearbeitet.

3 Gedanken zu „Raumfahrt: Renaissance der Kernspaltungsreaktoren

    • Das leichteste bekannte Plutonium-Isotop ist Plutonium-228 mit einer Halbwertszeit von 1,1 Sekunden, das schwerste ist Plutonium-247 mit einer Halbwertszeit von 2,27 Tagen, soweit ich weiß konnten auch schon alle Isotope dazwischen hergestellt werden.

      Plutonium-239 ist tatsächlich das in der Praxis häufigste Plutoniumisotop, es entsteht in Kernreaktoren durch den Neutroneneinfang in Uran-238 an den zwei Betazerfällt anschließen.

      Plutonium-239 hat aber eine zu lange Halbwertszeit um in (normalen) Radioisotopengeneratoren eingesetzt zu werden, die Zerfallsleistungsdichte ist einfach zu gering.

      Plutonium-238 dagegen ist mit seiner Halbwertszeit von 87,7 Jahren ideal für diese Anwendung, es zerfällt nicht zu schnell aber gleichzeitig schnell genug um eine hohe Zerfallsleistungsdichte zu haben.

      Hergestellt wird Plutonium-238 durch Neutronenbestrahlung von Neptunium-237 und anschließenden Betazerfall. Neptunium-237 entsteht in Kernreaktoren in relativ geringen Mengen durch sogenannte n-2n Reaktionen von schnellen Neutronen und Uran-238, dabei wird das Uran-238 von einem schnellen Neutron getroffen, emittiert ein weiteres Neutron und wandelt sich in Uran-237 um welches durch Betazerfall zu Pu-237 umgewandelt wird. Das Neptunium lässt sich im Zuge der Wiederaufbereitung abtrennen auch wenn aus wirtschaftlichen Gründen häufig darauf verzichtet wird.

      Insgesamt ist die Pu-238 Produktion sehr aufwendig und teuer vor allem da heute nicht mehr die in den 1990er Jahren stillgelegte Infrastruktur der militärischen Plutoniumproduktion mitbenutzt werden kann.

Schreibe einen Kommentar zu Ralph Fischer Antworten abbrechen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.