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Um das Sonnensystem und darüber hinaus sicher zu erforschen, müssen Raumschiffe schneller fliegen – atomare Raketen könnten die Antwort sein

Mit Träumen vom Mars in den Köpfen der NASA und von Elon Musk kommen Langstreckenmissionen mit Besatzung durch den Weltraum. Aber Sie werden überrascht sein zu erfahren, dass moderne Raketen nicht viel schneller sind als die Raketen der Vergangenheit.

Es gibt viele Gründe, warum ein schnelleres Raumschiff besser ist, und Atomraketen sind ein Weg, dies zu tun. Sie bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen brennstoffbetriebenen Raketen oder modernen solarbetriebenen elektrischen Raketen, aber in den letzten 40 Jahren wurden nur acht US-Raumstarts mit Kernreaktoren durchgeführt.

Im vergangenen Jahr haben sich jedoch die Gesetze zur Regelung der nuklearen Raumflüge geändert, und die Arbeiten an dieser nächsten Raketengeneration haben bereits begonnen.

Der erste Schritt einer Raumfahrt beinhaltet den Einsatz von Startraketen, um ein Schiff in die Umlaufbahn zu bringen. Dies sind die großen Motoren mit Kraftstoffverbrennung, die sich Menschen vorstellen, wenn sie an Raketenstarts denken, und die aufgrund der Schwerkraft in absehbarer Zeit wahrscheinlich nicht verschwinden werden.

Sobald ein Schiff den Weltraum erreicht, werden die Dinge interessant. Um der Schwerkraft der Erde zu entkommen und Ziele im Weltraum zu erreichen, benötigen Schiffe zusätzliche Beschleunigung. Hier kommen nukleare Systeme ins Spiel. Wenn Astronauten etwas weiter erforschen wollen als den Mond und vielleicht den Mars, müssen sie sehr, sehr schnell gehen. Der Raum ist riesig und alles ist weit weg.

Es gibt zwei Gründe, warum schnellere Raketen für die Raumfahrt über große Entfernungen besser sind: Sicherheit und Zeit.

Astronauten auf einer Reise zum Mars wären sehr hohen Strahlenbelastungen ausgesetzt, die schwerwiegende langfristige Gesundheitsprobleme wie Krebs und Sterilität verursachen können. Strahlenschutz kann helfen, ist aber extrem schwer. Je länger die Mission dauert, desto mehr Schutz wird benötigt. Ein besserer Weg, um die Strahlenexposition zu reduzieren, besteht darin, einfach schneller dorthin zu gelangen, wo Sie hin wollen.

Die Sicherheit des Menschen ist jedoch nicht der einzige Vorteil. Da Weltraumagenturen weiter in den Weltraum vordringen, ist es wichtig, so schnell wie möglich Daten von nicht besetzten Missionen zu erhalten. Voyager 2 brauchte 12 Jahre, um Neptun zu erreichen, wo es im Vorbeiflug einige unglaubliche Fotos machte. Wenn Voyager 2 ein schnelleres Antriebssystem hätte, hätten Astronomen diese Fotos und die Informationen, die sie Jahre zuvor enthielten, haben können.

Geschwindigkeit ist gut. Aber warum sind nukleare Systeme schneller?

Sobald ein Schiff der Schwerkraft der Erde entkommen ist, müssen beim Vergleich eines Antriebssystems drei wichtige Aspekte berücksichtigt werden:

Heutzutage sind die am häufigsten verwendeten Antriebssysteme chemischer Antrieb – dh reguläre Raketen mit Kraftstoffverbrennung – und solarbetriebene elektrische Antriebssysteme.

Chemische Antriebssysteme sorgen für viel Schub, aber chemische Raketen sind nicht besonders effizient und Raketentreibstoff ist nicht so energiedicht. Die Saturn V-Rakete, die Astronauten zum Mond brachte, erzeugte beim Abheben 35 Millionen Newton Kraft und beförderte 950.000 Gallonen Treibstoff. Während der größte Teil des Treibstoffs verwendet wurde, um die Rakete in die Umlaufbahn zu bringen, sind die Einschränkungen offensichtlich: Es wird viel schwerer Treibstoff benötigt, um irgendwohin zu gelangen.

Elektrische Antriebssysteme erzeugen Schub aus Elektrizität, die aus Sonnenkollektoren erzeugt wird. Der häufigste Weg, dies zu tun, besteht darin, ein elektrisches Feld zu verwenden, um Ionen zu beschleunigen, wie beispielsweise im Hall-Triebwerk. Diese Geräte werden üblicherweise zur Stromversorgung von Satelliten verwendet und können eine mehr als fünfmal höhere Masseneffizienz aufweisen als chemische Systeme. Aber sie produzieren viel weniger Schub – ungefähr drei Newton oder nur genug, um ein Auto in ungefähr zweieinhalb Stunden von 0 auf 60 Meilen pro Stunde zu beschleunigen. Die Energiequelle – die Sonne – ist im Wesentlichen unendlich, wird jedoch umso weniger nützlich, je weiter das Schiff von der Sonne entfernt ist.

Einer der Gründe, warum Raketen mit Atomantrieb vielversprechend sind, liegt darin, dass sie eine unglaubliche Energiedichte bieten. Der in Kernreaktoren verwendete Uranbrennstoff hat eine 4 Millionen Mal höhere Energiedichte als Hydrazin, ein typisches chemisches Raketentreibmittel. Es ist viel einfacher, eine kleine Menge Uran in den Weltraum zu bringen, als hunderttausende Gallonen Kraftstoff.

Was ist also mit Schub und Masseneffizienz?

Ingenieure haben zwei Haupttypen von Nuklearsystemen für die Raumfahrt entwickelt.

Der erste heißt nuklearer thermischer Antrieb. Diese Systeme sind sehr leistungsfähig und mäßig effizient. Sie verwenden einen kleinen Kernspaltungsreaktor – ähnlich wie bei Atom-U-Booten -, um ein Gas wie Wasserstoff zu erhitzen, und dieses Gas wird dann durch eine Raketendüse beschleunigt, um Schub bereitzustellen. Ingenieure der NASA schätzen, dass eine Mission zum Mars, die durch nuklearen thermischen Antrieb angetrieben wird, 20 bis 25% kürzer sein würde als eine Fahrt mit einer chemisch angetriebenen Rakete.

Nukleare thermische Antriebssysteme sind mehr als doppelt so effizient wie chemische Antriebssysteme – das heißt, sie erzeugen bei gleicher Treibstoffmasse doppelt so viel Schub – und können 100.000 Newton Schub liefern. Das ist genug Kraft, um ein Auto in einer Viertelsekunde von 0 auf 60 Meilen pro Stunde zu bringen.

Das zweite nukleare Raketensystem heißt nuklearer elektrischer Antrieb. Es wurden noch keine nuklearen elektrischen Systeme gebaut, aber die Idee ist, einen Hochleistungsspaltungsreaktor zu verwenden, um Elektrizität zu erzeugen, die dann ein elektrisches Antriebssystem wie ein Hall-Triebwerk antreiben würde. Dies wäre sehr effizient und etwa dreimal besser als ein nukleares thermisches Antriebssystem. Da der Kernreaktor viel Strom erzeugen könnte, könnten viele einzelne elektrische Triebwerke gleichzeitig betrieben werden, um eine gute Schubmenge zu erzeugen.

Nukleare elektrische Systeme sind die beste Wahl für Missionen mit extrem großer Reichweite, da sie keine Sonnenenergie benötigen, einen sehr hohen Wirkungsgrad haben und einen relativ hohen Schub liefern können. Obwohl nukleare elektrische Raketen äußerst vielversprechend sind, müssen noch viele technische Probleme gelöst werden, bevor sie eingesetzt werden.

Nukleare thermische Antriebssysteme wurden seit den 1960er Jahren untersucht, sind jedoch noch nicht im Weltraum geflogen.

Die in den 1970er Jahren erstmals in den USA auferlegten Vorschriften erforderten im Wesentlichen die Einzelfallprüfung und Genehmigung eines Nuklearraumprojekts durch mehrere Regierungsbehörden und die ausdrückliche Genehmigung durch den Präsidenten. Zusammen mit dem Mangel an Finanzmitteln für die Erforschung von Kernraketensystemen verhinderte dieses Umfeld eine weitere Verbesserung von Kernreaktoren für den Einsatz im Weltraum.

Dies änderte sich alles, als die Trump-Regierung im August 2019 ein Memorandum des Präsidenten herausgab. Die neue Richtlinie bestätigt zwar die Notwendigkeit, Nuklearstarts so sicher wie möglich zu halten, ermöglicht jedoch, dass Nuklearmissionen mit geringeren Mengen an Nuklearmaterial den Genehmigungsprozess für mehrere Behörden überspringen. Nur die Sponsoring-Agentur wie beispielsweise die NASA muss bescheinigen, dass die Mission den Sicherheitsempfehlungen entspricht. Größere Nuklearmissionen würden den gleichen Prozess wie zuvor durchlaufen.

Zusammen mit dieser Überarbeitung der Vorschriften erhielt die NASA im Haushaltsplan 2019 100 Millionen US-Dollar für die Entwicklung eines nuklearen thermischen Antriebs. DARPA entwickelt außerdem ein nukleares thermisches Weltraumantriebssystem, um nationale Sicherheitsoperationen außerhalb der Erdumlaufbahn zu ermöglichen.

Nach 60 Jahren Stagnation ist es möglich, dass eine Rakete mit Atomantrieb innerhalb eines Jahrzehnts ins All fliegt. Diese aufregende Leistung wird eine neue Ära der Weltraumforschung einleiten. Die Menschen werden zum Mars gehen und wissenschaftliche Experimente werden neue Entdeckungen in unserem gesamten Sonnensystem und darüber hinaus machen.