Ein amerikanischer Professor erklärt, warum Atomraketenmotoren effizienter sind als chemische. Daher sind sie diejenigen, die helfen werden, den Mars und alles darüber hinaus zu erkunden. Aber er denkt nicht über die Frage nach, ob die NASA genug Geld haben wird, um solche Motoren zu entwickeln, wenn das Pentagon auch daran beteiligt ist, und er wird zuerst gegeben.
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 am besten mit nuklearen Raketen zu beschleunigen. Sie haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Raketen mit Treibstoffantrieb oder modernen solarbetriebenen elektrischen Raketen, aber in den letzten 40 Jahren haben die Vereinigten Staaten nur acht Raketen mit Atomantrieb abgefeuert.
Im vergangenen Jahr haben sich jedoch die Gesetze zur nuklearen Raumfahrt geändert und die Arbeiten an der nächsten Raketengeneration haben bereits begonnen.
Warum wird Geschwindigkeit benötigt?
In der ersten Phase eines Fluges in den Weltraum wird eine Trägerrakete benötigt - sie bringt das Schiff in die Umlaufbahn. Diese großen Motoren werden mit brennbarem Kraftstoff betrieben - und wenn es um das Abschießen von Raketen geht, meinen sie dies normalerweise. Sie werden nicht so schnell irgendwohin gehen - noch die Schwerkraft.
Aber wenn das Schiff in den Weltraum kommt, werden die Dinge interessanter. Um die Schwerkraft der Erde zu überwinden und in den Weltraum zu gelangen, benötigt das Schiff zusätzliche Beschleunigung. Hier kommen nukleare Systeme 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.
Werbevideo:
Es gibt zwei Gründe, warum schnelle Raketen besser für die Raumfahrt über große Entfernungen geeignet sind: Sicherheit und Zeit.
Auf dem Weg zum Mars sind Astronauten einer sehr hohen Strahlung ausgesetzt, die mit schwerwiegenden Gesundheitsproblemen wie Krebs und Unfruchtbarkeit behaftet ist. Strahlenschutz kann helfen, ist aber extrem schwer und je länger die Mission dauert, desto stärker wird der Schutz abgeschirmt. Daher ist der beste Weg, um die Strahlendosis zu reduzieren, einfach schneller an Ihr Ziel zu gelangen.
Die Sicherheit der Besatzung ist jedoch nicht der einzige Vorteil. Je weiter wir Flüge planen, desto eher benötigen wir Daten von unbemannten Missionen. Voyager 2 brauchte 12 Jahre, um Neptun zu erreichen - und als es vorbeiflog, machte es einige unglaubliche Bilder. Wenn die Voyager einen leistungsstärkeren Motor hätte, wären diese Fotos und Daten viel früher bei Astronomen aufgetaucht.
Geschwindigkeit ist also ein Vorteil. Aber warum sind nukleare Systeme schneller?
Heutige Systeme
Nachdem das Schiff die Schwerkraft überwunden hat, muss es drei wichtige Aspekte berücksichtigen.
Die heute am häufigsten verwendeten sind chemische Motoren, dh konventionelle Raketen mit Treibstoffantrieb und solarbetriebene elektrische Raketen.
Chemische Antriebssysteme bieten viel Schub, sind jedoch nicht besonders effizient, und Raketentreibstoff ist nicht sehr energieintensiv. Die Saturn 5-Rakete, die Astronauten zum Mond beförderte, lieferte beim Start 35 Millionen Newton Kraft und 4,318,787 Liter Treibstoff. Das meiste davon floss in die Umlaufbahn der Rakete, daher liegen die Einschränkungen auf der Hand: Wo immer Sie hingehen, brauchen Sie viel schweren Treibstoff.
Elektrische Antriebssysteme erzeugen Schub mit Strom aus Sonnenkollektoren. Der gebräuchlichste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, ein elektrisches Feld zu verwenden, um Ionen zu beschleunigen, beispielsweise in einem Hall-Induktionsstrahlruder. Diese Geräte werden zur Stromversorgung von Satelliten verwendet und haben eine fünfmal höhere Gewichtseffizienz als chemische Systeme. Gleichzeitig geben sie viel weniger Schub ab - ungefähr 3 Newton. Dies reicht nur aus, 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 von ihr entfernt, desto weniger nützlich ist sie.
Einer der Gründe, warum Atomraketen besonders vielversprechend sind, ist ihre unglaubliche Energieintensität. Uranbrennstoff, der in Kernreaktoren verwendet wird, hat eine Energieintensität, die 4 Millionen Mal so hoch ist wie die von Hydrazin, einem typischen chemischen Raketentreibstoff. Und es ist viel einfacher, etwas Uran in den Weltraum zu bringen, als hunderttausende Gallonen Kraftstoff.
Was ist mit Traktion und Gewichtseffizienz?
Zwei nukleare Optionen
Für die Raumfahrt haben Ingenieure zwei Haupttypen von Nuklearsystemen entwickelt.
Der erste ist ein thermonuklearer Motor. Diese Systeme sind sehr leistungsfähig und hocheffizient. Sie verwenden einen kleinen Kernspaltungsreaktor - wie bei 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 Motor 20-25% schneller sein wird als eine Rakete mit einem chemischen Motor.
Fusionsmotoren sind mehr als doppelt so effizient wie chemische. Dies bedeutet, dass sie bei gleicher Kraftstoffmenge doppelt so viel Schub liefern - bis zu 100.000 Newton Schub. Dies reicht aus, um das Auto in etwa einer Viertelsekunde auf 100 Stundenkilometer zu beschleunigen.
Das zweite System ist ein nuklearer elektrischer Raketentriebwerk (NEP). Keiner von ihnen wurde bisher entwickelt, aber die Idee ist, einen leistungsstarken Spaltreaktor zur Stromerzeugung zu verwenden, der dann ein elektrisches Antriebssystem wie einen Hallmotor 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 sich als solide herausstellen.
Nukleare Raketentriebwerke sind vielleicht die beste Wahl für Missionen mit extrem großer Reichweite: Sie benötigen keine Sonnenenergie, sind sehr effizient und bieten einen relativ hohen Schub. Trotz ihres vielversprechenden Charakters weist das Atomantriebssystem noch viele technische Probleme auf, die vor der Inbetriebnahme gelöst werden müssen.
Warum gibt es immer noch keine Atomraketen?
Fusionsmotoren wurden seit den 1960er Jahren untersucht, sind aber noch nicht in den Weltraum geflogen.
Nach der Charta der 1970er Jahre wurde jedes Nuklearraumprojekt separat betrachtet und konnte ohne die Zustimmung einer Reihe von Regierungsbehörden und des Präsidenten selbst nicht weiter gehen. In Verbindung mit dem Mangel an Finanzmitteln für die Erforschung von Nuklearraketensystemen hat dies die weitere Entwicklung von Kernreaktoren für den Einsatz im Weltraum verhindert.
Dies änderte sich jedoch im August 2019, als die Trump-Administration ein Memorandum des Präsidenten herausgab. Die neue Richtlinie besteht zwar auf der maximalen Sicherheit von Nuklearstarts, erlaubt jedoch weiterhin Nuklearmissionen mit geringen Mengen an radioaktivem Material ohne komplizierte Genehmigung durch die Behörden. 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 Kernkraftmotoren. Die Defense Advanced Research Projects Agency entwickelt außerdem eine thermonukleare Weltraummaschine für nationale Sicherheitsoperationen außerhalb der Erdumlaufbahn.
Nach 60 Jahren Stagnation ist es möglich, dass eine Atomrakete innerhalb eines Jahrzehnts ins All fliegt. Diese unglaubliche Leistung wird eine neue Ära der Weltraumforschung einleiten. Der Mensch wird zum Mars gehen und wissenschaftliche Experimente werden zu neuen Entdeckungen im gesamten Sonnensystem und darüber hinaus führen.
Iain Boyd ist Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Colorado in Boulder
