Neues Atomraketendesign soll Missionen zum Mars in nur 45 Tagen schicken

Wir leben in einer Ära der erneuten Erforschung des Weltraums, in der mehrere Agenturen planen, in den kommenden Jahren Astronauten zum Mond zu schicken. Im nächsten Jahrzehnt werden bemannte Missionen der NASA und Chinas zum Mars folgen, zu denen möglicherweise in Kürze auch andere Nationen hinzukommen werden. Diese und andere Missionen, die Astronauten über die niedrige Erdumlaufbahn (LEO) und das Erde-Mond-System hinausführen, erfordern neue Technologien, die von Lebenserhaltung und Strahlenschutz bis hin zu Energie und Antrieb reichen. Und wenn es um Letzteres geht, ist Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion (NTP/NEP) ein Top-Anwärter!

Die NASA und das sowjetische Raumfahrtprogramm verbrachten während des Wettlaufs ins All jahrzehntelang mit der Erforschung nuklearer Antriebe. Vor einigen Jahren hat die NASA ihr Nuklearprogramm neu gestartet, um einen bimodalen Kernantrieb zu entwickeln – ein zweiteiliges System bestehend aus einem NTP- und einem NEP-Element –, das Transite zum Mars in 100 Tagen ermöglichen könnte. Im Rahmen des NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms für 2023 hat die NASA ein Nuklearkonzept für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt. Diese neue Klasse bimodaler Kernantriebssysteme nutzt einen „Wellenrotor-Topping-Zyklus“ und könnte die Transitzeit zum Mars auf nur 45 Tage verkürzen.

Der Vorschlag mit dem Titel „Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle“ wurde von Prof. Ryan Gosse, dem Hypersonics Program Area Lead an der University of Florida und Mitglied des Florida Applied Research in Engineering (FLARE)-Teams, eingebracht . Gosses Vorschlag ist einer von 14 Vorschlägen, die das NIAC dieses Jahr für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt hat, die einen Zuschuss von 12.500 US-Dollar zur Unterstützung der Reifung der beteiligten Technologien und Methoden beinhaltet. Weitere Vorschläge umfassten innovative Sensoren, Instrumente, Fertigungstechniken, Energiesysteme und mehr.

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Kernkraftantriebe basieren im Wesentlichen auf zwei Konzepten, die beide auf gründlich getesteten und validierten Technologien basieren. Beim nuklear-thermischen Antrieb (NTP) besteht der Zyklus aus einem Kernreaktor, der flüssigen Wasserstoff (LH2) als Treibmittel erhitzt und ihn in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umwandelt, das dann durch Düsen geleitet wird, um Schub zu erzeugen. Es wurden mehrere Versuche unternommen, dieses Antriebssystem zu testen, darunter das Project Rover, eine 1955 ins Leben gerufene Gemeinschaftsinitiative der US Air Force und der Atomic Energy Commission (AEC).

Im Jahr 1959 löste die NASA die USAF ab und das Programm trat in eine neue Phase ein, die Raumfahrtanwendungen gewidmet war. Dies führte schließlich zum Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), einem Kernreaktor mit festem Kern, der erfolgreich getestet wurde. Mit dem Ende der Apollo-Ära im Jahr 1973 wurde die Finanzierung des Programms drastisch gekürzt, was dazu führte, dass es abgebrochen wurde, bevor Flugtests durchgeführt werden konnten. Unterdessen entwickelten die Sowjets zwischen 1965 und 1980 ihr eigenes NTP-Konzept (RD-0410) und führten einen einzigen Bodentest durch, bevor das Programm eingestellt wurde.

Der nuklearelektrische Antrieb (NEP) hingegen basiert darauf, dass ein Kernreaktor ein Hall-Effekt-Triebwerk (Ionentriebwerk) mit Strom versorgt, das ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das ein Inertgas (wie Xenon) ionisiert und beschleunigt, um es zu erzeugen Schub. Zu den Versuchen, diese Technologie zu entwickeln, gehört die Nuclear Systems Initiative (NSI) der NASA. Projekt Prometheus (2003 bis 2005). Beide Systeme bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen chemischen Antrieben, darunter einen höheren spezifischen Impuls (Isp), Kraftstoffeffizienz und praktisch unbegrenzte Energiedichte.

Während sich NEP-Konzepte dadurch auszeichnen, dass sie wochen- oder monatelang einen hohen spezifischen Impuls liefern, ist das Schubniveau im Vergleich zu herkömmlichen Raketen und NTP recht niedrig. Der Bedarf an einer elektrischen Energiequelle wirft laut Gosse auch das Problem der Wärmeabgabe im Weltraum auf – wo die thermische Energieumwandlung unter idealen Bedingungen 30–40 % beträgt. Und während NTP-NERVA-Designs die bevorzugte Methode für bemannte Missionen zum Mars und darüber hinaus sind, weist diese Methode auch Probleme auf, angemessene Anfangs- und Endmassenanteile für Missionen mit hohem Delta-V bereitzustellen.

Daher werden Vorschläge bevorzugt, die beide Antriebsarten (bimodal) umfassen, da sie die Vorteile beider vereinen würden. Gosses Vorschlag sieht ein bimodales Design vor, das auf einem NERVA-Reaktor mit festem Kern basiert und einen spezifischen Impuls (Isp) von 900 Sekunden liefern würde, doppelt so viel wie die aktuelle Leistung chemischer Raketen. Der von Gosse vorgeschlagene Zyklus umfasst auch einen Druckwellenlader – oder Wellenrotor (WR) – eine Technologie, die in Verbrennungsmotoren verwendet wird und die durch Reaktionen erzeugten Druckwellen nutzt, um die Ansaugluft zu verdichten.

In Kombination mit einem NTP-Motor würde der WR den durch die Erhitzung des LH2-Brennstoffs im Reaktor erzeugten Druck nutzen, um die Reaktionsmasse weiter zu komprimieren. Wie Gosse verspricht, wird dies Schubniveaus liefern, die mit denen eines NTP-Konzepts der NERVA-Klasse vergleichbar sind, jedoch mit einem Isp von 1400–2000 Sekunden. In Kombination mit einem NEP-Zyklus, sagte Gosse, werden die Schubniveaus noch weiter erhöht:

„In Verbindung mit einem NEP-Zyklus kann der Arbeitszyklus Isp bei minimaler Zugabe von Trockenmasse weiter erhöht werden (1800–4000 Sekunden). Dieses bimodale Design ermöglicht den schnellen Transit für bemannte Missionen (45 Tage zum Mars) und revolutioniert die Erforschung des Weltraums unseres Sonnensystems.“

Basierend auf konventioneller Antriebstechnologie könnte eine bemannte Mission zum Mars bis zu drei Jahre dauern. Diese Missionen würden alle 26 Monate starten, wenn Erde und Mars am nächsten sind (auch Mars-Opposition genannt) und mindestens sechs bis neun Monate im Transit verbringen. Ein Transit von 45 Tagen (sechseinhalb Wochen) würde die Gesamtmissionszeit auf Monate statt auf Jahre verkürzen. Dies würde die großen Risiken, die mit Missionen zum Mars verbunden sind, einschließlich der Strahlenbelastung, der Zeit in der Schwerelosigkeit und damit verbundenen gesundheitlichen Bedenken, erheblich reduzieren.

Zusätzlich zum Antrieb gibt es Vorschläge für neue Reaktordesigns, die eine stabile Stromversorgung für Langzeitmissionen an der Erdoberfläche gewährleisten würden, bei denen Solar- und Windenergie nicht immer verfügbar sind. Beispiele hierfür sind der Kilopower Reactor Using Sterling Technology (KRUSTY) der NASA und der hybride Spalt-/Fusionsreaktor, der im Rahmen der NIAC 2023-Auswahl der NASA für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt wurde. Diese und andere nukleare Anwendungen könnten eines Tages bemannte Missionen zum Mars und zu anderen Orten im Weltraum ermöglichen, vielleicht früher als wir denken!

Weiterführende Literatur: NASA