Raumfahrtforschung: Mit Kernkraft durchs Weltall
Ein Forschungsteam der Ohio State University (OSU)(öffnet im neuen Fenster) treibt Entwicklungen im Bereich der nuklear-thermischen Antriebstechnologien voran, damit künftig in kurzer Zeit Reisen an die entlegensten Punkte in unserem Sonnensystem möglich sind. Das Ingenieurteam verwendet flüssiges Uran zum direkten Erhitzen des Raketentreibstoffs.
Das Prinzip stellt eine Alternative zu den festen Brennelementen dar, die bei herkömmlichen nuklearen Antriebssystemen zum Einsatz kommen, und heißt Zentrifugal-Nuklear-Thermo-Rakete (Centrifugal Nuclear Thermal Rocket, CNTR). Es wurde entwickelt, um die Leistung von Raketen zu verbessern und gleichzeitig das Risiko für das Triebwerk zu minimieren.
An anderen Institutionen gibt es ähnliche Projekte. Jedoch konzentrieren sich die meisten bisherigen Durchbrüche laut einer Pressemitteilung der OSU(öffnet im neuen Fenster) eher auf die Erschwinglichkeit als auf die Leistung von Nuklearantrieben.
Notwendigkeit von nuklearen Triebwerksformen
Das CNTR-Konzept könnte für künftige bemannte Raumfahrtmissionen einen Vorteil im Vergleich zu anderen Arten von nuklearbetriebenen Systemen bieten: Es könne die Effizienz eines Triebwerks ungefähr verdoppeln, teilte Dean Wang in der Pressmitteilung mit, ein leitendes Mitglied des Projekts.
"In den vergangenen Jahren hat das Interesse an der nuklearen thermischen Antriebstechnologie stark zugenommen, da wir die Rückkehr von Menschen auf den Mond und die Arbeit im cis-lunaren Raum in Betracht ziehen" , so Wang.
Herkömmliche chemische Triebwerke seien für diesen Bereich ebenfalls geeignet. Doch über den als cis-lunaren Raum genannten Bereich zwischen Erde und Mond hinaus sind chemische Triebwerke "in ihrer Schubkraft limitiert" und würden zudem eine "große Mengen an Treibstoff" verbrauchen, schreibt die OSU. "Daher können Missionen zu den äußeren Bereichen des Sonnensystems sehr lange dauern - neun Jahre bei der Raumsonde New Horizons, die an Pluto vorbeiflog" , erklärte Wang.
Dagegen bieten Nukleare thermische Antriebssysteme (NTP) "eine dramatische Leistungssteigerung und verdoppeln die Weltraumleistung (gemessen als spezifischer Impuls) der leistungsstärksten chemischen Triebwerke nahezu" , heißt es in der Studie.
Aufgrund dieser Einschränkungen würden für künftige Missionen Antriebssysteme benötigt, die die Reisezeit verkürzen, die Menge des mitgeschickten Materials erhöhen oder beides vereinen. Besonders dann, wenn man Astronauten sicher zu weit entfernten Zielen schicke, so der Experte der OSU: "Je länger man im Weltraum ist, desto anfälliger ist man für alle Arten von Gesundheitsrisiken. Wenn wir das also verkürzen können, wäre das vorteilhaft."
Die Vorteile von atomarem Schub
Der höchste spezifische Impuls – die Menge an Schub, die mit einer bestimmten Menge Treibstoff erreicht werden kann – liegt bei chemischen Triebwerken bei etwa 450 Sekunden. Nukleare Triebwerke, die in den 1960er Jahren getestet wurden, erreichen etwa 900 Sekunden.
Mit einem CNTR-Design könnte ein noch höherer spezifischer Impuls erreicht werden, hofft das Team. Solche Raketen könnten nach dem Anfangsschub mit geringerem Treibstoffverbrauch weiterreisen .
Die Nutzung des thermischen Kernantriebs bedeutet laut Wang auch mehr Flexibilität für den Missionsbetrieb, da die Raketen zusätzliche Flugbahnen nutzen könnten, die mit chemischen Triebwerken nicht möglich sind. In einer kürzeren Periode könnten Raumschiffe damit tiefer in den Weltraum eindringen als heute.
Insgesamt könnten diese verbesserten Fähigkeiten schnellere Hinflüge von Menschen zum Mars innerhalb von sechs Monaten ermöglichen, teilte der OSU-Doktorand Spencer Christian mit. Auch neuartige Einweg-Robotermissionen zu den äußeren Planeten, einschließlich Saturn, Uranus und Neptun, könnten mit dem CNTR-Design unterstützt werden.
Dennoch sind laut Wang weitere technische Herausforderungen zu bewältigen. Es sollte sichergestellt werden, dass Start, Betrieb und Abschalten des Systems keine Instabilitäten verursachen. Der Verlust von Uranbrennstoff müsse minimiert und potenzielle Triebwerksausfälle müssten aufgefangen werden. Trotz solcher Hürden möchte das Team in den nächsten fünf Jahre die Konstruktionsreife für das System erlangen.