Das Sonnensystem ist ein wirklich großer Ort, und es dauert ewig, mit traditionellen chemischen Raketen von Welt zu Welt zu reisen. Eine Technik, die bereits in den 1960er Jahren entwickelt wurde, könnte jedoch eine Möglichkeit bieten, unsere Reisezeiten drastisch zu verkürzen: Atomraketen.
Der Start einer Rakete mit radioaktivem Material birgt natürlich auch eigene Risiken. Sollen wir es versuchen?
Nehmen wir an, Sie wollten den Mars mit einer chemischen Rakete besuchen. Sie würden von der Erde absprengen und in die Erdumlaufbahn gelangen. Dann würden Sie im richtigen Moment Ihre Rakete abfeuern und Ihre Umlaufbahn von der Sonne abheben. Die neue elliptische Flugbahn, der Sie folgen, schneidet sich nach acht Monaten Flug mit dem Mars.
Dies ist als Hohmann-Transfer bekannt und die effizienteste Art, wie wir im Weltraum reisen können, wobei die geringste Menge an Treibmittel und die größte Menge an Nutzlast verwendet werden. Das Problem ist natürlich die Zeit, die es braucht. Während der gesamten Reise verbrauchen Astronauten Nahrung, Wasser und Luft und sind der langfristigen Strahlung des Weltraums ausgesetzt. Dann verdoppelt eine Rückkehrmission den Ressourcenbedarf und die Strahlungslast.
Wir müssen schneller gehen.
Es stellt sich heraus, dass die NASA seit fast 50 Jahren darüber nachdenkt, was nach chemischen Raketen als nächstes kommt.
Nukleare thermische Raketen. Sie beschleunigen die Reise auf jeden Fall, aber sie sind nicht ohne eigenes Risiko, weshalb Sie sie nicht gesehen haben. Aber vielleicht ist ihre Zeit hier.
1961 arbeiteten die NASA und die Atomenergiekommission gemeinsam an der Idee des nuklearen thermischen Antriebs (NTP). Pionierarbeit leistete Werner von Braun, der hoffte, dass in den 1980er Jahren menschliche Missionen auf den Flügeln von Atomraketen zum Mars fliegen würden.
Nun, das ist nicht passiert. Sie haben jedoch einige erfolgreiche Tests des nuklearen thermischen Antriebs durchgeführt und gezeigt, dass dies funktioniert.
Während eine chemische Rakete eine brennbare Chemikalie entzündet und dann die Abgase aus einer Düse drückt. Dank des dritten Gesetzes des guten alten Newton, wissen Sie, erhält die Rakete bei jeder Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion von den ausgestoßenen Gasen einen Schub in die entgegengesetzte Richtung.
Eine Atomrakete funktioniert ähnlich. Eine marmorgroße Kugel aus Uranbrennstoff wird gespalten und setzt eine enorme Menge Wärme frei. Dies erwärmt einen Wasserstoff auf fast 2.500 ° C, der dann mit hoher Geschwindigkeit aus dem hinteren Teil der Rakete ausgestoßen wird. Sehr sehr hohe Geschwindigkeit, wodurch die Rakete die zwei- bis dreifache Antriebseffizienz einer chemischen Rakete erreicht.
Erinnerst du dich an die 8 Monate, die ich für eine chemische Rakete erwähnt habe? Eine nukleare Thermorakete könnte die Transitzeit halbieren, vielleicht sogar 100 Tagesausflüge zum Mars. Dies bedeutet weniger Ressourcenverbrauch der Astronauten und eine geringere Strahlungsbelastung.
Und es gibt noch einen weiteren großen Vorteil. Der Schub einer Atomrakete könnte Missionen ermöglichen, wenn Erde und Mars nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind. Wenn Sie jetzt Ihr Fenster verpassen, müssen Sie weitere 2 Jahre warten, aber eine Atomrakete könnte Ihnen den Schub geben, um Flugverspätungen zu bewältigen.
Die ersten Tests von Atomraketen begannen 1955 mit Project Rover im Los Alamos Scientific Laboratory. Die Schlüsselentwicklung bestand darin, die Reaktoren so zu miniaturisieren, dass sie auf eine Rakete gebracht werden konnten. In den nächsten Jahren bauten und testeten die Ingenieure mehr als ein Dutzend Reaktoren unterschiedlicher Größe und Leistung.
Mit dem Erfolg von Project Rover hatte die NASA die menschlichen Missionen zum Mars im Visier, die den Apollo-Landern auf dem Mond folgen sollten. Aufgrund der Entfernung und der Flugzeit entschieden sie, dass Atomraketen der Schlüssel sein würden, um die Missionen leistungsfähiger zu machen.
Atomraketen sind natürlich nicht ohne Risiken. Ein Reaktor an Bord wäre eine kleine Strahlungsquelle für die Astronautenbesatzung an Bord, die durch die verkürzte Flugzeit aufgewogen würde. Der Weltraum selbst ist eine enorme Strahlengefahr, da die konstante galaktische kosmische Strahlung die DNA von Astronauten schädigt.
In den späten 1960er Jahren gründete die NASA das Programm Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) und entwickelte die Technologien, die zu Atomraketen werden sollten, die Menschen zum Mars bringen würden.
Sie testeten größere, leistungsstärkere Atomraketen in der Wüste von Nevada und ließen das Hochgeschwindigkeitswasserstoffgas direkt in die Atmosphäre ab. Die Umweltgesetze waren damals viel weniger streng.
Der erste NERVA NRX wurde schließlich fast zwei Stunden lang mit 28 Minuten bei voller Leistung getestet. Ein zweiter Motor wurde 28 Mal gestartet und lief 115 Minuten lang.
Am Ende testeten sie den stärksten jemals gebauten Kernreaktor, den Phoebus-2A-Reaktor, der 4.000 Megawatt Strom erzeugen kann. 12 Minuten lang stoßen.
Obwohl die verschiedenen Komponenten nie zu einer flugbereiten Rakete zusammengebaut wurden, waren die Ingenieure davon überzeugt, dass eine Atomrakete die Anforderungen eines Fluges zum Mars erfüllen würde.
Aber dann entschieden die USA, dass sie nicht mehr zum Mars wollen. Sie wollten stattdessen das Space Shuttle.
Das Programm wurde 1973 eingestellt und seitdem hat niemand Atomraketen getestet.
Die jüngsten technologischen Fortschritte haben den thermischen Antrieb von Kernkraftwerken jedoch attraktiver gemacht. In den 1960er Jahren war die einzige Brennstoffquelle, die sie verwenden konnten, hochangereichertes Uran. Aber jetzt denken die Ingenieure, dass sie mit wenig angereichertem Uran auskommen können.
Dies wäre sicherer und würde es mehr Raketenanlagen ermöglichen, Tests durchzuführen. Es wäre auch einfacher, die radioaktiven Partikel im Abgas einzufangen und ordnungsgemäß zu entsorgen. Dies würde die Gesamtkosten für die Arbeit mit der Technologie senken.
Am 22. Mai 2019 genehmigte der US-Kongress 125 Millionen US-Dollar für die Entwicklung von nuklearen thermischen Antriebsraketen. Obwohl dieses Programm bei der Rückkehr von Artemis 2024 zum Mond der NASA keine Rolle spielt, fordert es die NASA auf, einen Mehrjahresplan zu entwickeln, der eine Demonstration des thermischen Antriebs von Kernkraftwerken einschließlich der mit der Weltraumdemonstration verbundenen Zeitachse ermöglicht und eine Beschreibung zukünftiger Missionen sowie Antriebs- und Antriebssysteme, die durch diese Fähigkeit ermöglicht werden. “
Die Kernspaltung ist eine Möglichkeit, die Kraft des Atoms zu nutzen. Natürlich benötigt es angereichertes Uran und erzeugt giftige radioaktive Abfälle. Was ist mit Fusion? Wo Wasserstoffatome in Helium gepresst werden und Energie freisetzen?
Die Sonne hat dank ihrer enormen Masse und Kerntemperatur eine Fusion erreicht, aber eine nachhaltige, energiepositive Fusion ist für uns mickrigen Menschen schwer zu erreichen.
Riesige Experimente wie ITER in Europa hoffen, die Fusionsenergie in den nächsten zehn Jahren aufrechtzuerhalten. Danach können Sie sich vorstellen, dass Fusionsreaktoren so miniaturisiert werden, dass sie dieselbe Rolle wie ein Spaltreaktor in einer Kernrakete spielen können. Aber selbst wenn Sie Fusionsreaktoren nicht so weit bringen können, dass sie eine positive Nettoenergie aufweisen, können sie dennoch eine enorme Beschleunigung der Massenmenge bewirken.
Und vielleicht müssen wir nicht Jahrzehnte warten. Eine Forschungsgruppe am Princeton Plasma Physics Laboratory arbeitet an einem Konzept namens Direct Fusion Drive, von dem sie glauben, dass es viel früher fertig sein könnte.
Es basiert auf dem 2002 von Samuel Cohen entwickelten Princeton Field-Reversed Configuration-Fusionsreaktor. Heißes Plasma aus Helium-3 und Deuterium ist in einem Magnetbehälter enthalten. Helium-3 ist auf der Erde selten und wertvoll, da Fusionsreaktionen mit ihm nicht die gleiche Menge gefährlicher Strahlung oder nuklearen Abfalls erzeugen wie andere Fusions- oder Spaltreaktoren.
Wie bei der Spaltrakete erwärmt eine Fusionsrakete ein Treibmittel auf hohe Temperaturen und sprengt es dann aus dem Rücken, wodurch Schub erzeugt wird.
Es funktioniert, indem es eine Reihe von Linearmagneten ausrichtet, die sehr heißes Plasma enthalten und drehen. Antennen um das Plasma herum sind auf die spezifische Frequenz der Ionen abgestimmt und erzeugen einen Strom im Plasma. Ihre Energie wird bis zu dem Punkt gepumpt, an dem die Atome verschmelzen und neue Teilchen freisetzen. Diese Partikel wandern durch das Sicherheitsfeld, bis sie von den Magnetfeldlinien erfasst werden und auf der Rückseite der Rakete beschleunigt werden.
Theoretisch könnte eine Fusionsrakete 2,5 bis 5 Newton Schub pro Megawatt mit einem spezifischen Impuls von 10.000 Sekunden liefern - denken Sie an 850 von Spaltraketen und 450 von chemischen Raketen. Es würde auch Strom erzeugen, den das Raumschiff weit weg von der Sonne benötigt, wo Sonnenkollektoren nicht sehr effizient sind.
Ein Direct Fusion Drive könnte in nur 2 Jahren eine 10-Tonnen-Mission zum Saturn oder in etwa 4 Jahren ein 1-Tonnen-Raumschiff von der Erde nach Pluto transportieren. New Horizons brauchte fast 10.
Da es sich auch um einen 1-Megawatt-Fusionsreaktor handelt, würde er bei seiner Ankunft auch alle Instrumente des Raumfahrzeugs mit Strom versorgen. Viel mehr als die Atombatterien, die derzeit von Weltraummissionen wie Voyager und New Horizons getragen werden.
Stellen Sie sich vor, welche Arten von interstellaren Missionen mit dieser Technologie ebenfalls auf dem Tisch liegen könnten.
Und Princeton Satellite Systems ist nicht die einzige Gruppe, die an solchen Systemen arbeitet. Angewandte Fusionssysteme haben ein Patent für einen Kernfusionsmotor angemeldet, der Raumfahrzeugen Schub verleihen könnte.
Ich weiß, es ist Jahrzehnte her, seit die NASA Atomraketen ernsthaft getestet hat, um die Flugzeiten zu verkürzen, aber es sieht so aus, als ob die Technologie zurück ist. In den nächsten Jahren erwarte ich neue Hardware und neue Tests für nukleare thermische Antriebssysteme. Und ich bin unglaublich aufgeregt über die Möglichkeit, dass tatsächliche Fusionsantriebe uns in andere Welten führen. Wie immer, bleiben Sie dran, ich werde Sie wissen lassen, wann einer tatsächlich fliegt.
