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Kompakte Raketen mit Kernbrennstoff


Eines Tages wird die Menschheit sich nicht mehr damit zufriedengeben, die Planeten des äußeren Sonnensystems mit kleinen Raumsonden im Vorbeiflug zu erforschen. Bald werden wir Sonden konstruieren, die die gasförmigen Riesenplaneten umkreisen, Roboter auf ihren Monden absetzen und Gesteins- und Bodenproben zur Erde zurückbringen. Schließlich werden sogar Astronauten zu den rätselhaften Monden aufbrechen, auf denen man flüssiges Wasser und organische Verbindungen vermutet – die Voraussetzung für Leben auf Kohlenstoffbasis.

Für solche Missionen sind Raketen mit Nuklearantrieb nötig. Die bislang üblichen chemischen Antriebe erzeugen mit viel Treibstoff relativ wenig Schub. Um die äußeren Planeten zu erreichen, müssen heutige Sonden sehr leicht sein und zudem lange Umwege nehmen, auf denen sie die Anziehung anderer Planeten als Gravitationsschleuder nutzen können. Dafür müssen bestimmte „Startfenster“ – Termine mit passenden Planetenpositionen – abgewartet werden.

Technisch gesprochen ist bei chemischen Raketen die maximale Geschwindigkeitszunahme gering; das heißt, die Austrittsgeschwindigkeit der Rückstoßgase reicht nicht aus, die Rakete auf sehr hohe Endgeschwindigkeit zu bringen. Die leistungsstärksten chemischen Raketen, deren Antrieb auf der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff beruht, verleihen einem Raumflugkörper beim Verlassen seiner Erdumlaufbahn eine maximale Geschwindigkeitszunahme von etwa zehn Kilometern pro Sekunde.

Hingegen könnte ein Kernenergieantrieb bis zu 22 Kilometer pro Sekunde schaffen. Dies würde einen Direktflug zum Saturn ermöglichen und die Missionsdauer von heute sieben auf rund drei Jahre verkürzen. Eine nuklear angetriebene Rakete wäre zudem inhärent sicher und umweltfreundlich, denn sie müßte nicht schon beim Start stark radioaktiv sein. Zunächst könnte eine konventionelle chemische Rakete die Raumsonde samt Nukleartriebwerk in eine hohe Umlaufbahn befördern, und erst in etwa 800 Kilometern Höhe würde der Kernreaktor eingeschaltet.

Die entsprechende Technik ist vielleicht schon bald verfügbar. Meine Mitarbeiter und ich haben bereits ein kompaktes nukleares Raketentriebwerk namens Mitee (miniature reactor engine) entworfen,

das in sechs bis sieben Jahren zu einem Preis von rund 1 Milliarde

Mark gebaut werden könnte – ein für die Raumfahrt eher bescheidener Betrag. Die Entwicklungskosten würden sogar durch Einsparungen bei künftigen Starts ausgeglichen, denn nukleare Raumflugkörper kommen mit geringen Mengen chemischen Treibstoffs aus. Für den Start würden daher statt der teuren Titan IV zu 410 bis 530 Millionen Mark pro Stück die kleineren Delta- oder Atlas-Raketen zu je 80 bis 200 Millionen Mark ausreichen.

Bei unserem Modell hat der Kernbrennstoff die Form eines perforierten Metallblechs, das zu einem Zylinder gerollt wird (Bild unten). Ein Mantel aus Lithium-7-Hydrid dient als Moderator, der die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen bremst. Das Kühlmittel – flüssiger Wasserstoff – fließt von außen zur Zylindermitte und wird dabei schnell gasförmig. Das überhitzte Gas tritt mit rund 2700 Grad Celsius und hoher Geschwindigkeit aus einem Kanal in der Mittelachse des Zylinders aus und erzeugt den Schub.

Ein Vorteil ist, daß das Rückstoßgas – Wasserstoff – auf den äußeren Planeten reichlich als freies Gas vorhanden ist und zudem auf manchen Monden und Planeten in gefrorenem Wasser gebunden vorliegt. Dank der Ergiebigkeit des Nuklearbrennstoffs könnte der Raumflugkörper somit das äußere Sonnensystem 10 bis 15 Jahre lang durchstreifen und unterwegs seinen Wasserstoffvorrat nach Bedarf auffüllen. Er könnte monatelang die Atmosphäre von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun erforschen und detaillierte Informationen über deren Zusammensetzung und das dort herrschende Klima sammeln. Andere Sonden könnten Europa, Pluto oder Titan ansteuern, um Gesteinsproben zu entnehmen, und nebenbei durch Elektrolyse aus geschmolzenem Eis Wasserstoff für den Rückflug zur Erde gewinnen.

Da der Reaktor erst weit entfernt von der Erde zu arbeiten beginnt, ist ein nuklearer Raumflugkörper sogar sicherer als heutige Planetensonden mit chemischen Triebwerken. In den äußeren Regionen des Sonnensystems liefert die Sonne zuwenig Energie für die Meßinstrumente und Sender. Darum wird als Energiequelle in der Regel Plutonium-238 mitgeführt, das schon beim Start hochradioaktiv ist. Bei einer nuklearen Raumsonde würde hingegen der Reaktor die Instrumente mit Strom versorgen. Zudem entstünde nur eine winzige Menge radioaktiven Abfalls – etwa ein Gramm bei einer interplanetaren Mission –, die zudem nie zur Erde gelangt

Raketen mit Nuklearantrieb sind nichts Neues. Das US-Verteidigungsministerium verfolgte in den späten achtziger Jahren das Space Nuclear Thermal Propulsion Program mit dem Ziel, ein kompaktes und leichtes Nukleartriebwerk zu bauen, beispielsweise um militärische Nutzlasten in hohe Umlaufbahnen zu bringen. Zentraler Bestandteil dieses Modells war ein sogenannter particle bed reactor (PBR), dessen Brennstoff aus kleinen, dicht gepackten Urancarbid-Teilchen mit einem Zirkoniumcarbid-Mantel bestand. Obwohl die Arbeit am PBR vor dem Bau eines Prototyps eingestellt wurde, entstanden mehrere leistungsschwächere Reaktoren, die zeigten, daß damit im Prinzip hohe Leistungsdichten zu erreichen sind.

Tatsächlich verdankt unsere Mitee-Maschine dem PBR-Projekt, an dem meine Kollegen und ich am Brookhaven National Laboratory fast zehn Jahre lang arbeiteten, eine ganze Menge. Außer der ringförmigen Anordnung der Brennelemente haben wir auch den Moderator aus leichtem und hitzebeständigem Lithium-7-Hydrid vom PBR übernommen. Vorsichtshalber legen wir allerdings diesmal die Brennstoffanordnung statt für eine Leistungsdichte von 30 Megawatt nur für rund 10 Megawatt aus.

Offensichtlich lassen sich die äußeren Planeten und ihre Monde mit chemischen Raketen nur unzureichend erforschen. Lediglich nuklear angetriebene Raketen versprechen, für einen Vorstoß zu den Grenzen des Sonnensystems schon bald genügend leistungsfähig, zuverlässig und flexibel zu sein.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1999, Seite 89
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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