Viel Entwicklungsaufwand für hohe Effizienz

Möglich wird das durch den Kernreaktor des Triebwerks, das Wasserstoff als Treibstoff benutzt. Die Effizienz eines Raketentriebwerks ist von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängig, mit der der Treibstoff die Raketendüse verlässt. Mit der doppelten Geschwindigkeit wird pro Sekunde nur halb so viel Treibstoff für den gleichen Schub benötigt. In der Praxis können damit aber wegen der Raketengleichung über dreiviertel der Startmasse eingespart werden.

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Die Entwicklung von Nukleartriebwerken in den 1960er Jahre endete mit dem Nerva-Triebwerk. Bei Tests in den Jahren 1968 und 1969 erreichte es mit 1.137 MW Reaktorleistung immerhin 246 kN Schub, soviel wie ein kleines konventionelles Raketentriebwerk, wie es in der Oberstufe einer Rakete verwendet werden würde. Gebräuchliche Ionentriebwerke, die nochmals deutlich effizienter sind, erreichen nicht mehr als ein paar Newton Schub. Nukleare Antriebe vereinen also vergleichsweise hohe Effizienz mit hohem Schub. Das ermöglicht schnelle Manöver mit moderatem Treibstoffverbrauch, während Ionentriebwerke oft Wochen oder Monate für größere Änderungen der Flugbahn brauchen.

Nukleartriebwerke sind nur mit Wasserstoff effizient

Dafür musste der Kernreaktor von Nerva nicht nur hohe Leistung, sondern auch eine Betriebstemperatur von 2.000 Grad Celsius haben - in neueren Reaktoren werden noch höhere Temperaturen angestrebt. Denn die Geschwindigkeit der Moleküle im Abgas hängt hauptsächlich von zwei Faktoren ab. Höhere Temperaturen erhöhen die kinetische Energie pro Molekül im Abgas. Je leichter das Molekül ist und je mehr kinetische Energie es hat, desto höher ist dessen Geschwindigkeit in der Raketendüse. Deshalb muss Wasserstoff zum Einsatz kommen, denn kein Treibstoff ist leichter.

Schon mit bloßem Wasser wäre das gleiche Triebwerk nicht effizienter als ein chemisches Raketentriebwerk, braucht dafür aber nur Wasser und keinen brennbaren Treibstoff. Ein Ansatz den der Nuklearwissenschaftler Anthony Zuppero in seiner frei verfügbaren Autobiographie To Inhabit the Solar System vertritt.

Hohe Temperaturen werden für Reaktoren zum Problem

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In einem chemischen Raketentriebwerk muss der Wasserstoff mit schweren Atomen wie Sauerstoff verbrannt werden. Dabei wird das Molekül als Ganzes schwerer. Ein Wassermolekül ist neunmal so schwer wie Wasserstoff und die Energie zum Antrieb des Raumschiffs kommt aus der chemischen Reaktion. Die lässt sich nicht mehr verbessern, höchstens durch hohe Verbrennungstemperaturen und einen Überschuss an Wasserstoff besser ausnutzen. Aber es gibt harte Grenzen der möglichen Effizienz eines solchen Triebwerks, bei dem die Energie aus der Verbrennung des Treibstoffs kommt und nicht aus einer Energiequelle von außen wie einem Kernreaktor.

Die hohen Betriebstemperaturen sind eine große Herausforderung. Selbst Hochtemperaturreaktoren zur Stromgewinnung arbeiten unter 1.000 Grad Celsius. Aber mit keramischen Brennelementen und Betriebszeiten, die in Minuten gemessen werden statt in Jahren, konnten in den 1960er Jahren Betriebstemperaturen weit über 2.000 Grad Celsius demonstriert werden.

Radioaktivität macht Probleme bei Tests und im Betrieb

Dabei ging ein Teil der Masse der Brennelemente durch die Düse des Triebwerks verloren. Der Anteil war klein genug, um kein Problem für den Betrieb darzustellen, aber groß genug, um den Betrieb in der freien Umwelt zu untersagen, der in den 1960er Jahren noch erlaubt war. Für weitere Tests mussten Filtersysteme entwickelt und gebaut werden, was die Größe der Triebwerke limitierte und höhere Kosten verursachte, die auch bei weiterer Entwicklung heute zu zahlen wären. Im Weltall wären die verlorenen Partikel hingegen kein größeres Problem.

Mars: Der rote Planet zum Greifen nah

Allerdings führt ein Raumschiff mit nuklearem Triebwerk nach dem ersten Einsatz des Triebwerks einen radioaktiv stark strahlenden Reaktorkern mit sich. Das Strahlungsschild, das Teil des Triebwerks ist, schützt aus Gewichtsgründen nur den Rest des Raumschiffs und die Besatzung. Aber jede Außenmission ist potenziell gefährlich, sobald jemand im Raumanzug den geschützten Bereich verlässt, auch Andockmanöver mit anderen Raumschiffen werden schwieriger. Reparatur oder Wartung in der Nähe der Triebwerke sind von Hand zumindest für einige Wochen nach einem Triebwerkseinsatz unmöglich.

Die Entwicklung soll aber trotzdem wieder aufgenommen werden und Untersuchungen wie der Konsensreport des Space Nuclear Propulsion Technologies Committee der National Academies of Sciences, Engineering and Medicine kommen auch zu dem Schluss, dass ein Flug zum Mars entweder nukleare Raketentriebwerke oder zumindest nuklear-elektrische Antriebe erfordert. Denn ohne sie wären die Startkosten einer Marsmission wegen der großen Treibstoffmengen viel zu teuer.

Bis vor zehn Jahren wäre diese Argumentation auch noch korrekt gewesen, vielleicht bis auf einige Anmerkungen zu optimistischen Annahmen bei der Entwicklungszeit der notwendigen Kerntechnik.

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 Raumfahrt: Braucht es Kernkraft für den Flug zum Mars?Bessere Solar- und Raketentechnik sticht Kerntechnik im Raumschiff aus 
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127life 19. Sep 2021 / Themenstart

"Und wie funktioniert der Antrieb nun?" Nun, er funktioniert ganz wunderbar! Ich hoffe...

Ach 13. Sep 2021 / Themenstart

Daneben, dass ich ein paar recht hell blinkende Sarkasmus Warnlichter zwischen den Zeilen...

Ach 13. Sep 2021 / Themenstart

Sehr schön beschrieben :].

chefin 13. Sep 2021 / Themenstart

Absolut korrekt Die pure Zahl der Menschen ist das Problem, nicht deren...

masel99 12. Sep 2021 / Themenstart

Ein Panzer ist kein U-Boot welches sich wochenlang unter hundert(en) Meter Wasser (ggf...

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