Nukleare Triebwerke – brauchen wir die?
Vor einigen Tagen vergab die DARPA einen Auftrag für die Erforschung nuklearer Triebwerke. Der Auftrag ist (gemessen an den Summen in der Raumfahrt) klein, aber es ist der erste Auftrag, von dem ich seit Jahren höre.
Zeit sich nochmals damit zu beschäftigen. Das grundlegende Prinzip eines nuklearen Triebwerks unterscheidet sich nicht von dem eines chemischen Triebwerks. Hier wie dort wird ein Arbeitsmedium auf hohe Temperaturen erhitzt und verlässt die Düse mit hoher Geschwindigkeit, diese Ausströmgeschwindigkeit multipliziert mit dem Materiedurchsatz erzeugt den Schub der die Stufe antreibt. Der einzige Unterschied ist, dass die hohe Temperatur die das Gas für eine hohe Ausströmgeschwindigkeit erreichen muss, beim chemischen Treibstoff aus einer chemischen Reaktion stammt, die exergonisch ist und beim nuklearen Antrieb durch die Wärmeabgabe eines Reaktors, bei dem eine Kernreaktion stattfindet.
Wie kommen nun nukleare Triebwerke zu einer höheren Ausströmgeschwindigkeit als chemische Triebwerke? Das geschieht nicht durch die Temperatur – bei den Temperaturen, die bei der chemischen Reaktion entstehen, würde der Reaktor verdampfen, sondern der Tatsache das nur Wasserstoff der einzige Treibstoff ist. Nach der Gastheorie hat jedes Gasmolekül bei einer bestimmten Temperatur eine mittlere Geschwindigkeit, die abhängig von seiner Masse ist. Reiner Wasserstoff ist neunmal leichter als das Reakationsprodukt von Wasserstoff und Sauerstoff, Wasser und 22-mal leichter als das Verbrennungsprodukt von Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid. Dadurch ist die Geschwindigkeit der Gasmöleküle höher. Diese Geschwindigkeit wird bei einer Düse dann in eine Richtung kanalisiert und führt so zu der Ausströmgeschwindigkeit. Als spezifische Impulse werden je nach Temperatur für nukleare Reaktoren Spitzenwerte von 7.300 bis 8.100 m/s genannt, also Werte die mindestens 50 % höher als bei LOX/LH2 sind.
Der Reaktor
Der Reaktor ist im wesentlich ein Reaktorkern, der jedoch sehr kompakt sein muss, also mit hoher Anreichung arbeitet, denn er muss sehr viel Energie auf kleinem Volumen abgeben. Wie jeder andere Kernreaktor ist er vor Start der Kettenreaktion „relativ“ harmlos. Das heißt, er gibt die Strahlung a,b die diese Menge an Uran natürlicherweise abgibt, das ist selbst bei 100 % U-235 wegen der hohen Halbwertszeit von 700 Millionen Jahre nicht ungefährlich, aber solange man nicht dauernd in der Nähe ist, vertretbar. Sobald er läuft, entstehen kurzlebige Spaltprodukte, wie Iod, Strontium, Cäsium und höhere Actinioide wie Neptunium und Plutonium die wegen ihrer viel kürzeren Halbwertszeit erheblich mehr strahlen.
Das bedeutet, der Reaktor ist sicher, bis er gestartet wird, weshalb die Technologie nur für Oberstufen gedacht ist. Bei einem Unfall vor der Zündung wird so viel Uran freigesetzt, aber die radioaktive Belastung hält sich in Grenzen. Die freiwerdende Strahlung ist aber ein Problem für eine Mission. Selbst wenn man den Reaktor nur einmal einsetzt und ihn danach abtrennt, wird die Besatzung während der Betriebsdauer doch einer hohen Strahlung ausgesetzt, die man abschirmen muss, z.B. indem man den für eine längere Mission sowieso benötigten Wasser und Gasvorrat zwischen Stufe und Kabine legt oder beim Start einen Strahlenschutzraum aufsucht, den es auch wegen der Strahlenbelastung der Sonne geben muss.
Das ist ein Aspekt, den man nicht so gerne sieht. Er ist aber noch das kleinere Problem. Das System muss ja auch getestet werden. Man kann die Stufe bis zu einem bestimmten Maße ohne Reaktor testen, also Treibstofftanks, Pumpensystem, Düse. Die Energie, die ein Reaktor liefert, muss man dann durch chemische Verbrennung herstellen, wobei in der Kompaktheit das wahrscheinlich nicht möglich ist, sodass man sich entweder auf einen Betrieb mit niedrigem Schub beschränken muss oder den Test auf das Anlassen des Triebwerks beschränkt.
Doch dann muss man den Reaktor irgendwann selbst testen. Im Prinzip passiert dabei folgendes: Sobald die Kontrollstäbe des Reaktors herausgezogen werden, findet die Kernreaktion statt, die ohne Kühlung zu einer Explosion des Kerns führen würde. Die Turbopumpe fördert nun Wasserstoff aus dem Tank und entlässt ihn über dem Kern. Er kühlt den Kern herab, wird selbst heiß und expandiert durch die Düse. Die Temperatur des Wasserstoffs ist begrenzt auf die Temperatur bei der die Materialien des Kerns, also die Metalle der Umhüllungen der Brennstäbe oder die Verbindungen in Brennstäben, Moderatoren und Kontrollstäben selbst anfangen zu schmelzen oder zu verdampfen. Genannt werden maximale Temperaturen zwischen 2200 und 2700 K. Für den Brennschluss müssen die Kontrollstäbe wieder eingefahren werden und der Reaktor mit etwas Wasserstoff noch gekühlt werden. Grade das Einfahren von Kontrollstäben in einen mehrere Tausend Grad heißen Reaktor stelle ich mir nicht so einfach vor, zumal bei der hohen Temperatur die Brennstoffelemente sich ausgedehnt haben dürften.
Dazu gibt es zahlreiche Detailfragen zu lösen, so will man ja eine möglichst schnelle Aufheizung auf die maximale Temperatur, weil je höher die Temperatur desto höher die Geschwindigkeit des Gases, auf der anderen Seite darf, der Reaktor sich nicht überhitzen, die Kühlung muss also sehr genau funktionieren. Nach einem Test ist der Reaktor hochgradig radioaktiv. Seine Entsorgung ist nun vergleichbar mit der eines Kernkraftwerks. Schon in den Sechziger Jahre ging das nur ferngesteuert hinter einer Schutzwand mit dickem Bleiglas und damals machte man sich wenig Gedanken, wohin man mit dem Atommüll soll.
Kurz: ich sehe massive Probleme die Technologie ähnlich intensiv zu testen, wie wir das bei normalen Raketentriebwerken tun. Wenn ja, haben wir ein ziemliches Atommüllproblem. Das macht nukleare Triebwerke nicht besser.
Rein theoretisch kann man die Leistung eines nuklearen Triebwerks noch steigern, indem man Temperaturen zulässt, bei denen der Reaktorkern verdampft. Dann muss man durch andere Maßnahmen verhindern, dass zu viel Material mit dem Wasserstoff verloren geht wie einen Wirbelkernreaktor oder eine Eindämmung von Magnetfeldern. Doch das ist bisher nur Theorie und wegen der dabei massiven Verseuchung der Umwelt praktisch nicht auf der Erde durchführbar.
Vergleich mit dem chemischen Treibstoff
Neben dem hohen spezifischen Impuls und selbst unter Ausblendung der Radioaktivität haben nukleare Triebwerke auch Nachteile. Sie funktionieren nur mit Wasserstoff, das heißt aber auch die Tanks wiegen deutlich mehr als selbst die schweren Tanks bei der Kombination LOX/LH2. Der Kernreaktor selbst wiegt auch einige Tonnen. Eine hypothetische Oberstufe als Ersatz für die S-IVB der Saturn V für eine Marsmission hatte folgende Daten:
| NERVA Stufe |
| 66.000 kg |
| 12.500 kg |
| 266.8 kN max. |
| 1601 s |
| 7.840 m/s |
| 64.000 kg |
Gegenüber der S-IVB hat sie einen viel geringeren Schub (267 zu 1025 kN) dafür ein doppelt so schlechtes Voll- zu Leermasseverhältnis. Ich habe mir auf Basis der Daten für eine beim Start 150 t schwere Stufe die Nutzlast für eine Marsbahn berechnet, einmal mit dem Schub und Vol-l/Leermasseverhältnis der obigen Nervastufe und einmal mit einem Voll/Leermasseverhältnis von 14, wie für die Ares EDA geplant und einem J-2X als Triebwerk. Ziel ist in beiden Fällen ein C3 von 14 km²/s²:
| Parameter | Nerva Stufe | Konventionelle stufe |
|---|---|---|
| Voll-/Leermasseverhältnis | 5,28 | 11,51 |
| Schub: | 266,8 kN | 1309 kN |
| Nutzlast bei 150 t Startmasse | 63,800 kg | 44.600 kg |
| Gravitationsverluste | 597 m/s | 999 m/s |
Hinsichtlich Nutzlast ist die nukleare Lösung aufgrund des niedrigen Schubs und der höheren Leermasse zwar immer noch besser, aber nur noch um 50 % mehr Nutzlast. Aufgrund der exponentiellen Auswirkung des spezifischen Impulses würde man mehr erwarten, wenn die Leermasse nicht auch höher wäre und es höhere Graviationsverluste gäbe.
Reaktoren als Energiequelle für Ionentriebwerke.
Wenn man Kernreaktoren im Weltall einsetzt, dann wäre meiner Ansicht nach die bessere Lösung einen normalen, gut abgeschirmten Kernreaktor einzusetzen. Es gibt Technologien die sind weltraumtauglich. SERT-II nutzte einen Stirling-Motor mit niedrigem Wirkungsgrad. Russische Reaktoren flüssige Metalle als Medium die Wärme abzutransportieren.
Für bemannte Missionen benötigt man Reaktoren mit wirklich hohen Leistungen, nicht die maximal einige Kilowatt, die bisher erreicht wurden. Wir reden dann von Megawatt elektrischer Leistung. Sonst ist die Reisedauer zu lang. Ich habe mal das Hyperium Power Modul als Beispiel genommen, das ist gedacht als „Blockkraftwerk“ es ist autonom und daher wäre es auch für eine Raumfahrtmission gedacht. Es wiegt zwischen 15 und 20 t und erzeugt zwischen 27 und 30 MW elektrisch. So kommt man auf eine Leistung von mindestens 1350 W/kg Masse. Solarzellen liegen je nach Technologie bei maximal 85 bis 170 W/kg, bisher entwickelte Reaktoren bei maximal 200 W/kg meist aber deutlich schlechter. Bei so hoher Leistung pro Masse ist der Reaktor nicht das schwerste Subsystem, denn Ionentriebwerke mit der heutigen Technologie haben auch ein Gewicht und das liegt bei maximal 600 bis 700 Watt Stromverbrauch pro Kilogramm Masse. Größere Triebwerke mögen günstiger sein, aber in der Realität kommt zum Gewicht der Ionentriebwerke noch die Hochspannungswandler als Gewicht hinzu und man wird die Triebwerke redundant auslegen. Beides verschlechtert das Strom/Gewichtsverhältnis. Das bedeutet schon bei einem „konventionellen“ Reaktor, nicht einem hochgezüchteten wie bei NERVA ohne jede Abschirmung, wiegt der Reaktor bei einem Ionenantrieb weniger als die Triebwerke. Da er nun nicht mehr vom Gewicht das kritischste System ist, kann er so abgeschirmt werden, das er einen Wiedereintritt übersteht. Für eine Mission mit 150 t Startmasse im Orbit würde ein Hyperion Modul ausreichen je nach Reisedauer sogar ein noch kleinerer Reaktor. Die Nutzlast ist bei Ionentriebwerken abhängig von der Betriebsdauer. Für 15 km/s – ausreichend um auch die Geschwindigkeit für eine Marsumlaufbahn zu reduzieren, kommt man bei der gleichen Nutzlast wie der Nerva Stufe auf eine Gesamtbetriebsdauer von 65 Tagen, knapp die Hälfte davon in einer Erdumlaufbahn – das wäre bei einer Reisedauer von 8 Monaten ein tolerierbarer Zusatzaufwand zumal man bei Ionentriebwerken ja die Reisedauer wieder verkürzen kann, indem man eine Bahn mit einem Aphel jenseits des Mars einschlägt, der Zusatzaufwand an Treibstoff fällt da nicht ins Gewicht.
Allerdings gibt es dann wieder andere Probleme, so ist die Größe eines Ionentriebwerks abhängig von der maximalen Feldstärke, die man aufbauen kann. Ionentriebwerke mit einigen kW Stromverbrauch und Schub im Sub-Newton Bereich haben etwa 20 cm Durchmesser und sind heute State of the Art. Bei der obigen Mission von 150 t Startmasse reden wir über 5.000 mal mehr Schub und entsprechend einem Durchmesser eines Triebwerks bei gleicher Technologie von über 14 m. Daher werden heute Ionentriebwerke für bemannte Missionen erprobt, die sehr hohe Ausströmgeschwindigkeiten haben, da dann mehr Schub bei gleicher Größe möglich ist. Trotzdem sollte man nicht vergessen, dass wir um einen Faktor 1000 von den Triebwerken entfernt sind, die man bei alleiniger Nutzung von Ionentriebwerken benötigt. Entsprechend will die NASA nach ihren derzeitigen Plänen Ionentriebwerke nur als Zusatzantrieb einsetzen und plant vier Triebwerke mit einer Gesamtstromaufnahme von etwa 50 kW als Ergänzung zum chemischen Antrieb.
Sofern sich hier nichts ändert, wird man nur mit Ionenantrieben auch nicht auskommen. Sofern sie aber nur eine Ergänzung sind, reicht dann auch ein kleinerer Reaktor der auch für andere Aufgaben nutzbar ist. Während die Teile einer Marsexpedition die im Weltall arbeiten problemlos Solarzellen und Batterien als Stromquelle nutzen können benötigt die Forschungsstation auf dem Mars einen Kernreaktor. Er liefert nicht nur Strom, sondern auch Abwärme und man wird die gesamte Ausrüstung wie fahrende Forschungsstationen von Wohnmobilgröße, auch elektrisch betreiben. Bedenkt man das die ISS heute schon 220 kW Peakleistung hat, so würde sich meiner Ansicht nach eine Entwicklung lohnen, die in etwa der gleichen Größenordnung wäre und die man dann auch für Ionentriebwerke nutzen kann.
Ein normaler Reaktor könnte aber durch Solarzellen ersetzt werden. Der Freaktor macht dort sinn wo es zu wenig Sonne gibt, also hinter dem Jupiter.
Aber bei dem neuen Forschungsprojekt geht es um einen Nuklearthermischen Reaktor für den Erdnahen Raum. Da ist so was für Wissenschaftsmissionen nicht wirklich notwendig.
Auf die Leistung pro Kilogramm Masse eines großen Reaktors kommt man mit Solarzellen nicht. Normale starre Flügel erreichen 85 W/kg Masse, Flexible Arrays sind demonstriert bis 120 W/kg, größere könnten auf 150 bis 170 W/kg kommen. Alles darüber ist noch nicht erprobt. Demgegenüber erreicht schon der kleine Reaktor SAFER 200 W/kg.
Kernreaktoren wären für das äußere Sonnensystem interessant, nur fürchte ich sind das dann nur Raumsonden und für die investiert man wenig in neue Technologie. Vor einigen Jahren wurde ja schon die Weiterentwicklung der RTG Technologie eingestellt, da zu wenig Bedarf.
JA, es gibt da einen 25% Gewichtsvorteil für den Reaktor. Aber der Reaktor benötigt >Revsionen, muss in untervallen mit Brennelementen beschickt werden, oder er muss stark überdimensioniert werden um die Wartungsaufwände zu reduzieren. Für Dampferzeuger, Pumpen, Kühlsysteme Steuergeräte müssen Erssatzteile vorgehalten werden und es benötigt eine Wartungsmanschaft.
Verzichtet man auf Kühlmittelpumpen und arbeitet mit Konvektion, sinkt die Reaktorleistung auf ein Bruchteil (bei US Atom-Ubooten wird bei Schleichfahrt ohne Pumpen gefahren). Aber die Dampfturbine bleint ein drehendes Bauteil welches ausfallen kann. Der Ideale Reaktor wird dann in der realität dann 10 oder 20 mal so schwer oder er kann nur für wenige Monate betrieben werden.
Dbei ist noch nicht mal berücksichtigt, dass eine Mittelspannungsschaltanlage und ein MS-Trafo benötigt werden.
Mit LENR zum Mars und Nuclear News
Das was heute Musk macht, ist eine wahre Revolution der Raketensysteme mit einer unglaublichen Senkung der Transportkosten. Auf der anderen Seite sind atomare Antriebe sehr vielversprechend, senken die Flugdauer zum Mars auf 30 Tage oder noch weniger. Davon träumte schon S. Koroljow in 14 tagen zum Mars reisen, das ganze Programm der Russen war zunächst auf Mars so ausgelegt, die N1 und nukleare Triebwerke. Die NASA arbeitet schon seit über 20 Jahren ohne Unterbrechung an der Erforschung von nuklearen Triebwerken, einige der Forscher bekamen vor einigen Jahren hohe US-Auszeichnungen. Natürlich die Entwicklung der NERVA mit ihren schwachen Impuls ist schon Geschichte und absolut nicht aktuell, die neuen Entwicklungen gehen von einen spezifischen Impuls von 950s bis 1000s aus, mehrfach auf unterschiedlichen Kongressen vorgestellt.
Hier habe ich einige signifikante News der letzten Monate zusammengetragen.
1. Eine Woche vor Neujahr 2020 gab Dennis Bushnel, Chefforscher für künstliche Intelligenz, Marsbesiedlung und Raumfahrt am NASA Langley Research Center, dem amerikanischen Wissenschafts- und Bildungsportal Medium ein ausführliches Interview über den Zustand und die dringenden Aufgaben des amerikanischen Projekts zur Vorbereitung eines Fluges zum Mars, das im Rahmen eines neuen Plans zur Weltraumforschung (The Vision for Space Exploration) entstanden ist, der am 14. Januar 2004 von Präsident George W. Bush nach der Katastrophe des Raumschiffes Columbia angekündigt wurde. Laut Dennis Bushnell forscht die NASA seit 24 Jahren, also seit 1997 oder 1998, an Cold Fusion und LENR. Er sagte: „Es wird erwartet, dass die Energieeffizienz von LENR (low energy nuclear reactionse) die Energie chemischer Reaktionen um das 20.000- bis 3-Millionenfache übertrifft. Wenn wir dies erreichen, wird dies den Weltraum wirklich revolutionieren.“
Laut dem wissenschaftlichen Hauptexperten der NASA gehören zu den Vorteilen von LENR-Reaktoren auch die Fähigkeit, Brennstoff für sie auf dem Mars zu erhalten oder ihn unter Verwendung von Transmutationen aus vorhandenen chemischen Elementen herzustellen, die im LENR-Prozess realisiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Atomraketenmotoren, deren Einsatz auf der Erde aufgrund des unvermeidbaren Risikos einer radioaktiven Kontamination der Umwelt gefährlich ist (ein Beispiel hierfür ist der Unfall der neuen russischen nukleargetriebenen Burewestnik-Marschflugkörper während der Tests am 8. August 2018 im Weißen Meer ) ist während des Betriebs von LENR-Reaktoren die Strahlung vernachlässigbar oder fehlt vollständig. Die experimentellen Ergebnisse und die theoretische Analyse wurden als separate Artikel in der April 2020-Ausgabe des renommierten Kernphysik-Journals Physical Review C veröffentlicht.
2. Die UK Space Agency (UKSA) arbeitet mit Rolls-Royce zusammen, um das Potenzial für Kernenergie und Technologie im Weltraum zu untersuchen.
In dem neuen Forschungsvertrag werden Planetenwissenschaftler zusammenarbeiten, um das Potenzial der Atomenergie als reichlichere Energiequelle zu erforschen, um die Erforschung des Weltraums zu ermöglichen. Dr. Graham Turnock, CEO von UKSA, stellte außerdem fest, dass: „Atomkraft und Antrieb im Weltraum sind ein revolutionäres Konzept, das neue Wege für zukünftige Weltraummissionen eröffnen könnte, die uns zum Mars und darüber hinaus führen. Diese Studie wird uns helfen, das aufregende Potenzial von Raumfahrzeugen mit Atomantrieb zu verstehen und die Frage zu beantworten, ob diese aufkommende Technologie uns helfen kann, weiter und schneller im Weltraum zu reisen als jemals zuvor. “
3. Am 9. Dezember 2020 veröffentlichte die US-Regierung ein Dokument zur Nationalen Raumfahrtpolitik, in dem sie die Aufgabe festlegte, Atomkraft- und Antriebssysteme für Raumfahrzeuge zu entwickeln und umzusetzen.
4. Ein amerikanische Unternehmen hat der NASA eine neue Technologie für den Nuklearantrieb im Oktober 2020 angeboten. Die Entwickler versichern, dass der neue Motor sicherer, zuverlässiger und effizienter als seine Vorgänger ist. Jetzt haben Wissenschaftler und Ingenieure von Ultra Safe Nuclear Technologies ihr Design eines nuklearen thermischen Raketentriebwerks vorgestellt, das zuverlässiger als frühere Versionen dieser Antriebssysteme ist und es Ihnen ermöglicht, den doppelten spezifischen Impuls zu erzeugen. Um den Motor anzutreiben, schlagen die Ingenieure vor, Kernbrennstoff in Mikrokapseln aus Zirkoniumcarbid zu verwenden. Sie enthalten Uran, das zu mehr als 5% und zu weniger als 20% angereichert ist. Diese Art von Brennstoff gilt immer noch als wenig angereichert, wird jedoch nicht in Kernkraftwerken verwendet, da er viel radioaktives Element zur Stromerzeugung enthält. Laut den Entwicklern ist die vorgeschlagene Brennstoffart sicherer als zuvor vorgeschlagene Kernbrennstoffe. Darüber hinaus kann der Motor bei hohen Temperaturen laufen. Darüber hinaus kann ein solcher Kraftstoff unter Verwendung vorhandener Technologien erzeugt werden. Damit wäre möglich in drei Monaten zum Mars fliegen zu können.
5. Das in den USA ansässige Unternehmen General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) hat ein Designkonzept für einen NTP-Reaktor (Nuclear Thermal Engine) vorgestellt, mit dem künftige Astronautenmissionen zum Mars für von der NASA finanzierte Forschung betrieben werden sollen. Eine Studie von Analytical Mechanics Associates (AMA) untersuchte den Entwurfsbereich, der durch wichtige Leistungsparameter sowie Qualitätsmetriken definiert ist. Das GA-EMS-Design hat wichtige Betriebsparameter übertroffen und den NTP-Reaktor hinsichtlich der Herstellbarkeit optimiert, was der höchste Qualitätsindikator ist. „GA-EMS ist einzigartig positioniert, um ein kostengünstiges und sicheres NTP-Reaktorsystem für zukünftige Weltraummissionen zu entwickeln und bereitzustellen „, sagte Scott Forney, Präsident von GA-EMS.“ Dies ist eine aufregende gemeinsame Anstrengung, die direkt mit unserer über 60-jährigen Forschung in Einklang steht . und Entwicklungen in der Kernenergie, einschließlich des Entwurfs und des Einsatzes von Kernreaktoren, sowie unsere Expertise in Raumfahrtsystemen. Wir freuen uns, unsere Ideen in die nächste Generation der Weltraumforschung für unser Land und die ganze Welt einzubringen. “
6. Das US-Energieministerium startete (Sommer 2020) zusammen mit der NASA ein Projekt zur Schaffung eines Kernreaktors für Mond und Mars. Private Unternehmen werden an seiner Entwicklung beteiligt sein. Wir sprechen hier über die Entwicklung eines Oberflächenspaltungsreaktors (Spaltoberflächenstromversorgungssystem), dessen Entwicklung vor mehr als zehn Jahren erstmals diskutiert wurde. Jetzt ist es möglich, dass nach dem Erfolg von SpaceX der Bau nichtstaatlichen Unternehmen anvertraut wird. Dieser Reaktor muss die Bedürfnisse zukünftiger menschlicher Kolonien erfüllen.
7. Meldung vom April 2021: Blue Origin und Lockheed Martin erhielten von DARPA den Auftrag, ein Konzept für ein Raumschiff zu entwickeln, das die Fähigkeiten eines Atomantriebssystems von General Atomics demonstriert. Der Vertrag mit Blue Origin beläuft sich auf 2,5 Mio. USD und mit Lockheed Martin auf 2,9 Mio. USD. Gleichzeitig wurde bereits berichtet, dass der Vertrag über die Entwicklung eines Kernreaktors mit General Atomics abgeschlossen wurde und sich auf 22 Millionen US-Dollar beläuft, schreibt Ecoruspace. Das ultimative Ziel dieses Projekts in DARPA ist ein Orbital-Test im Jahr 2025. Ja, und die Russen mit ihren TEM-1MW kommen nicht weiter, die Entwicklung hat ihre technische Möglichkeiten überschritten. Es wird aber weiter gearbeitet, der erster Flug erst nach 2030.
8. Die NASA muss die „aggressive“ Entwicklung weltraumgestützter nuklearer Antriebstechnologien fortsetzen, wenn sie damit in den nächsten zwei Jahrzehnten Menschen zum Mars fliegen will, so ein Bericht (Februar 2021) eines Komitees nationaler Akademien der Wissenschaften. Eine Studie der National Academies of Sciences vom 12. Februar, die von der NASA gesponsert wurde, besagt, dass die aufkommenden Technologien für nukleare Thermik (NTP) und nuklearen elektrischen Antrieb (NEP) erheblich verbessert werden müssen, um bei der bevorstehenden Mission zum Mars im Jahr 2039 eingesetzt zu werden. Diese Technologie steht jedoch vor einer Reihe von Herausforderungen, die über die Entwicklung des Kernreaktors selbst hinausgehen. Dazu gehört die Möglichkeit, den Kraftstoff auf die erforderliche Temperatur von 2700 Kelvin zu erwärmen und das System innerhalb einer Minute auf Betriebstemperatur zu bringen. Andere Probleme sind ein Mangel an Bodentesteinrichtungen für NTP-Systeme und Schwierigkeiten bei der Speicherung von flüssigem Wasserstoff während des Fluges.
Nuclear Electric Propulsion (NEP), bei dem ein Kernreaktor Energie für den Antrieb von Elektromotoren erzeugt, muss auch seine Strom- und Temperaturregelungssysteme auf ein Niveau erweitern, das weit über das hinausgeht, was bisher für den Betrieb mit Reaktoren der Megawattklasse nachgewiesen wurde. In dem Bericht wird jedoch darauf hingewiesen, dass seit 2005 bei verwandten Technologien nur geringe Fortschritte erzielt wurden und die geleistete Arbeit auf Niedrigenergiesysteme beschränkt war.
Anmerkung zu Quantentriebwerk
Die Arbeiten dazu laufen in USA, China und Russland. Ein Quantentriebwerk erzeugt Schubkraft nach neuen physikalischen Prinzipien ohne eine reaktive Masse auszustoßen. Auf den ersten Blick scheint so, dass dies gegen das Gesetz der Impulserhaltung verstößt. Aber um diese Widersprüche zu beseitigen, entwickelte Leonow die grundlegende Theorie der Superunifikation, die die elektromagnetische Struktur des kosmischen Vakuums und die Natur der Trägheit aufzeigt. Seine Arbeit umfasst über 700 Seiten und hunderte mathematische Formeln. Basierend auf der Theorie der Superunifikation bestätigte Leonow die Gültigkeit von Einsteins Konzept als Grundlage der Krümmung (Deformation) der quantisierten Raumzeit. Dieses Konzept wurde im Design des Quantentriebwerks (KvD-1-2009) umgesetzt. Im Zusammenspiel mit dem Weltraum ist es möglich, künstlich die Schubkraft (Verformung) der Raumzeit innerhalb des Arbeitskörpers des Triebwerks zu erzeugen, ohne dabei das Gesetz der Impulserhaltung zu verletzen. Neuste Infrarotvideos von UFOs der Navy F-18 Piloten die vom Pentagon veröffentlicht, und von den besten Experten der NASA, darunter von Dr. Travis Taylor, analysiert wurden, zeigen eine Eiskalte Umgebung des außerirdischen Raumschiffes. In der Umgebung des Objekts, deutlich zu sehen eine Diskusartige Form mit einer Glaskuppel in der Mitte und seine Wendemanöver, war auf den Aufnahmen keine Wärmesignatur zu sehen!!! Das widerspricht unseren physikalischen Gesetzen und nach Dr. Taylor kann es sich nur um ein Raumschiff mit Gravitationsantrieb handeln, das erklärt auch seine unglaubliche Wende- und Fluggeschwindigkeit als auch die Fähigkeit unseren Raum-Zeit-Kontinuum zu verlassen, mehrfach von Menschen, Piloten und Radaranlagen beobachtet.
Vor einiger Zeit wurde in Russland erfolgreich ein Quantentriebwerk getestet und die Grundlagen der modernen Physik ernsthaft korrigiert da er kein Treibstoff benötigt. Mit dieser Lösung ist die Energieeffizienz dieses Triebwerks unglaublich hoch. Es wird also etwa 1.000.000 Mal besser sein als die derzeit besten bekannten chemischen Triebwerke. Im Juni 2014 wurde bei Tests die Theorie der Superunifikation bestätigt. Bei einem Gerätegewicht von 54 kg betrug der vertikale Schubimpuls 500-700 kgf bei einer verbrauchten elektrischen Leistung von nur 1 kW, die Beschleunigung entlang der Führungen betrug 10 bis 12g. Kosmonaut Aleksander Kubasow der als Testleiter bei den Versuchen fungierte, hat sich selbst überzeugt über die Leistung des Triebwerks, hat aber auch bestätigt, das er zunächst nicht daran geglaubt hat. Nach seinen Worten sieht sich W. Leonow heute wie Diesel in seiner Zeit vor den Droschken, von denen er überzeugt war, dass sich der Wagen auch ohne die Pferde bewegen könnte. Ein sehr gutes Beispiel. Die Verwirklichung dieser Technologie wäre eine wahre Revolution bei den Antrieben, bin aber was die nahe Zukunft betrifft persönlich sehr vorsichtig bis skeptisch. Aber in 500-1000 Jahren wäre alles möglich als auch Technologien und Antriebe von denen wir heute nicht wagen zu träumen.
Zum Vergleich, ein moderner Raketentriebwerk liefert heute pro 1 KW Leistung einen Schub von 1 Newton. Das Prototyp des Quantentriebwerks von 2014 mit einer Leistung von 1KW erzeugte einen Schub von 5000 Newton. Die vielversprechendste Energiequelle für so ein Triebwerk wäre beispielsweise der Cold-Fusion-Reaktor (Kaltfusionsreaktors) nach dem Schema des italienischen Ingenieurs Andrea Rossi. Ein zukünftiges Raumschiff mit einer Masse von 100 Tonnen, wird ein Quantentriebwerk von nur 10 Tonnen haben der jahrelang arbeiten kann und eine max. Geschwindigkeit von 1000 km/s erreichen. Der Erfinder mit seiner Kvanton Firma sagte dazu, dass ein Marsflug hätte nach den Berechnungen nur 41 Stunden gedauert und der Mond wäre in 3,6 Stunden erreichbar.
Fazit: Den Einsatz von LENR oder eines Quantentriebwerk, also mit einer Leistung die der chemischen Antriebe um 1 bis 3 Millionen mal übertrifft, werden wir aber nicht mehr erleben, es gibt noch zu viel ungelöste Probleme aber durch solche Entwicklungen erfolgt die wahre Revolution der Antriebe. Zunächst kommen die Festkernantriebe zum Einsatz, hier erfolgt schon die Senkung des Treibstoffes um 50% bei Marsflügen, als auch deutliche Verkürzung der Flugzeit.
Optimal wäre eine Kombination von Festkern- und Ionenantrieb, damit wären Flüge in 30 Tagen zum Mars möglich, solche Konzepte sind aber nicht neu und mit heutigen Technologien möglich. Der einzige Knackpunkt sind nach wie vor die elektrischen Triebwerke, die Entwicklung ist hier recht zäh.
R2DTOO, das erste nukleare Demo- Triebwerk
Fakt: Die NASA arbeitet schon seit 20 Jahren ohne Unterbrechung, wird von den meisten kaum wahrgenommen, an der Entwicklung von nuklearen Triebwerken.
Das USNC-Technologies Unternehmen unterstützt die nuklearen Bestrebungen der NASA parallel zur Herstellung kommerzieller Weltraumnukleartechnologien. Die Geschichte von USNC-Tech beginnt im Jahr 2016 mit der Gründung der Advanced Projects Division der Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC). Zu dieser Zeit unterstützte die Abteilung die Bemühungen der NASA in der Weltraumnukleartechnologie. Im Jahr 2019 wurde USNC-Tech als unabhängige Tochtergesellschaft ausgegliedert, die sich auf die Entwicklung der nächsten Generation von Weltraumnuklearsystemen konzentriert.
Die Forscher von USNC-Tech unterstützen seit 2016 die Bemühungen der NASA bei NTPs. Im Jahr 2019 produzierte USNC-Tech als Teil der NTP-Studie der NASA-Branche das NTP-Konzept Ready 2 Demonstrate Technology On Orbit (R2DTOO). Das R2DTOO-Konzept ist als schnelle Demonstration der Schlüsseltechnologie formuliert, die für ein NTP-System benötigt wird, um bemannte Marsmissionen zu unterstützen. Die in R2DTOO verwendete neuartige Technologien kann eine zentrale Rolle bei den NTP-Entwicklungsbemühungen spielen, es kein Vergleich zu Nerva Konzepten.
Das R2DTOO NTP-Konzept verwendet eine spezielle Variante des FCM-Brennstoffs von USNC – einen vollkeramischen mikroverkapselten (FCM) Brennstoff mit High-Assay Low Enriched Uran (HALEU), um den Reaktor des Triebwerks anzutreiben. Der HALEU wird aus wiederaufbereiteten zivilen Kernbrennstoffen gewonnen, die zwischen 5 und 20 % angereichert sind. Der Brennstoff wird dann in Partikel eingekapselt (mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm) die mit Zirkoniumcarbid (ZrC) beschichtet sind. Danach werden die Partikel in eine dichte Siliziumkarbid-Matrix eingeschlossen, die wir als vollkeramischer mikroverkapselter Brennstoff oder FCM -Brennstoff bezeichnen. Nach Angaben des Unternehmens ist der FCM-Brennstoff extrem robust und ermöglicht eine neue Familie von inhärent sicheren weltraumoptimierten Reaktordesigns, die die Sicherheit der Astronauten und den Umweltschutz gewährleisten. Dieses einzigartige NTP-Konzept liefert einen hohen Schub und einen spezifischen Impuls, der bisher nur durch hochangereichertes Uran erreicht werden konnte. Damit wird die Strahlenbelastung für die Raumfahrer und der cislunaren Bahnen auf ein Minimum gesenkt.
Das Triebwerk hat auf dem Papier heute einen spezifischen Impuls von 900 s und einen Schub von ungefähr 10 000 Pfund. Ein weiterer Vorteil ist das hohe Schub-Gewichts-Verhältnis (über 50) und der Grad der Treibmitteleffizienz. Diese Leistungsklasse ist so positioniert, dass sie die Machbarkeit eines nuklearen Triebwerks zeigt und in den nächsten 5 bis 6 Jahren auch gebaut und getestet werden kann.
Das Nerva- Konzept verwendete einen hochangereichten Uran, dabei wurde ein spezifisch Impuls von 811 bis 869s erreicht. In den 80er Jahren begannen die USA im Rahmen Star Wars neue Arbeiten an nuklearen Triebwerken. Das Konzept umfasste einen von James R. Powell am Brookhaven National Laboratory entwickelten Kugelbettreaktor, der höhere Temperaturen und eine verbesserte Leistung gegenüber NERVA versprach. Von 1987 bis 1991 wurde es als geheimes Projekt mit dem Codenamen Project Timber Wind finanziert, für das 139 Millionen US-Dollar ausgegeben wurden. Fortschritte bei Hochtemperaturmetallen, Computermodellierung und Nukleartechnik im Allgemeinen haben zu erheblichen Verbesserungen geführt.
Während einer der NERVA-Triebwerke eine Masse von etwa 6803 kg hatte, bot das endgültige (SNTP-Space Nuclear Thermal Engine Program) der gleichen Klasse 33% mehr Schub und hatte eine Masse von nur 1650 kg, während der spezifische Impuls von 841s deutlich auf 1000 Sekunden weiter verbessert wurde. So hatte Timberwind 250 einen Vakuumschub von 2.451 kN, einen Spezifischer Impuls im Vakuum von 1000 s und einen Schub-Gewichts-Verhältnis von 30. Die anderen Konzepte Timberwind 45 und Timberwind 75 hatten ähnliche Daten, nur unterschiedlichen Schub. Im Gegensatz zum Timberwind-Projekt wurde das Space Nuclear Thermal Propulsion (SNTP) – Programm für nukleare Beschleunigungsstufen entwickelt. Bei chemischen Triebwerken geht das Schub/Gewicht Verhältnis bis auf 180/200 (Merlin, RD-275M, RD-270) hoch. Bei neuen Methantriebwerken RD-0169A oder RD-182 oder RD-183 liegt die Grenze bei 107 bis 120.
Zur Erinnerung: Das Nerva XE Triebwerk hatte eine Masse von 18,1 t und einen Schub von 25 t, also insgesamt einen sehr schlechten Schub-Gewichts-Verhältnis von 1,3 das kaum für eine Serienproduktion gedacht wäre. Das nukleare Triebwerk R2DTOO ist die Zukunft der Raumfahrt, aber noch tausende Jahre von Mass Effect Reisen entfernt.
Mit der Weiterentwicklung des R2DTOO für bemannte Mond- und Marsflüge, so meine Schätzung, können wir auch mit einen spezifischen Impuls von 950 bis 1000s rechnen. Was mich etwas wundert, die große Euphorie der 60er Jahre die über die Entwicklung der Gaskerntriebwerke noch herrschte, ist heute nicht mehr vorhanden, weder bei den Russen noch in USA. So ein Antrieb, mit 3.000s und einen Schub um 500t, wäre optimal für Marsflüge oder für einen bimodalen Antrieb.
Noch ein Wort zu Atom-Kritiker. Ja, es wird immer sie geben, aber die Kritiker vergessen, über die enormen Gefahren von chemischen Antrieben, insbesondere von Heptyl, ist sechsmal giftiger als Blausäure. In einen Bericht von 2004 wies das UN-Entwicklungsprogramm darauf hin, dass diese Substanzen im Zusammenhang mit dem Betrieb des Baikonur-Kosmodroms „…eine krebserzeugende, erbgutverändernde und teratogene Wirkung auf biologische Organismen haben“. Menschen die mit Heptyl gearbeitet haben und dort wo die Raketenstufen niedergehen, ist hohe Krebsrate, gelbe Kinder (als folge toxischer Vergiftung), Erkrankungen der Leber, der Nieren, der Atemwege und Schädigungen des Zentralnervensystems als auch kurze Lebenserwartung auf der Tagesordnung. Es gibt stichhaltige Beweise für die Existenz eines direkten Zusammenhangs zwischen den Starts von Sojus- und Proton-Trägerraketen und den Massengesundheitsstörungen in den betroffenen Gebieten. Als Beispiel, schon 2-3 Tage nach dem Start der Trägerrakete vom Kosmodrom Baikonur leidet die Bevölkerung des Altai-Distrikts in mehreren Schulen innerhalb einer Woche unter akuten gastrointestinalen Störungen, Hautläsionen, Zentralnervensystem, Bluthochdruck, Laryngospasmus usw. und die Schülern sind in einem Zustand der Drogenvergiftung, die äußern sich mit Aufregung, Aggression und Bewusstseinsveränderung.
Während die Verbrennungsprodukte von flüssigem Raketentreibstoff bis zu 95 % biologisch neutraler Bestandteile (Wasser, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und andere) enthalten, sind die Verbrennungsprodukte von Festtreibstoffen nur zu 15-25 % neutral. Und hier ist neben der Toxizität auch die Beteiligung von Chlorverbindungen und Stickoxiden an der Zerstörung des atmosphärischen Ozons und der Bildung von Säureniederschlägen zu berücksichtigen. Jedoch die Gesamtmenge an Schadstoffen in Form von gasförmigen und kondensierten Bestandteilen, die durch 32 Starts in Russland von Trägerraketen in die Atmosphäre im Jahr 2009 gelangten, belief sich auf 6301,1 Tonnen, was einen Bruchteil eines Prozents der Gesamtemissionen der Industrie, Wärmekraft- und Transportanlagen in den Regionen, in denen Raketen- und Weltraumaktivitäten durchgeführt werden.
Das gute daran, nach offiziellen Angaben (Stand 2013) gab es in der gesamten Geschichte des Betriebs der Raketen- und Raumfahrttechnik in Russland nur zwei Fälle, in denen ein Fragment einer Raketenstufe eine Kuh tötete und ein Nichtwohngebäude zerstörte. Es gab keine Todesfälle.
Antigravitation Konferenz
Forscher aus der Elektro-, Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie veranstalten regelmäßig Online-Konferenzen zur Zukunft der Bewegungstechnologie.
Das Konzept der Antigravitation ist schon lange keine Fantasie mehr – dieses Thema wird von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt aktiv diskutiert. Aber seit November letzten Jahres scheint es, dass sie begonnen haben, es viel ernster zu nehmen. Experten der NASA, des Massachusetts Institute of Technology (MTI), der DARPA (der US Defense Advanced Research Projects Agency) sowie der Harvard University veranstalten regelmäßig Konferenzen. Das Hauptthema dieser virtuellen Treffen ist die Entwicklung von Anti-Schwerkraft-Motortechnologien.
Auf den Konferenzen sprachen bekannte Ingenieure, Physiker, Doktoren der Naturwissenschaften und sogar gewöhnliche begeisterte Experimentatoren als Redner in ihren Kreisen. Auch das Publikum der Treffen ist multipolar: von Autoren wissenschaftlicher Artikel bis zur Quantenphysiker. Die nächste Konferenz ist für November dieses Jahres geplant. Die Zusammensetzung seiner Teilnehmer wird mehr als maßgeblich sein. Von den 71 Personen sind sechzehn aktuelle oder ehemalige NASA-Mitarbeiter, weitere 14 arbeiten in Harvard und MTI. All dies gibt starke Gründe anzunehmen, dass sich die wissenschaftliche Welt sehr ernsthaft mit dem Thema Antigravitation beschäftigt.
Bisher sprechen wir nicht über echte Aktionen oder Experimente, es wird aber daran bei NASA, China und Russland geforscht. Es sei jedoch daran erinnert, dass das Institut für Schwerkraftforschung der Gede Science Foundation einen Preis von 1 Million Euro für jeden ausgeschrieben hat, der ein reproduzierbares Experiment mit Antigravitation durchführen kann. Bisher hat noch niemand die Auszeichnung erhalten, obwohl bereits einige recht vielversprechende Vorschläge eingereicht wurden.
Schon vor einige Jahren hat die führende wissenschaftliche Zeitschrift „Nature“ über eine mögliche Entdeckung der fünften Naturkraft in Ungarn berichtet. Fakt ist: Die fünfte Naturkraft wurde aber 1996 entdeckt und in englischen Sprache mit über 700 Seiten publiziert, oder besser gesagt, die Superkraft, deren Träger die quantisierte vierdimensionale Raumzeit und das Quantum der Raumzeit selbst (Quantum) ist. Diese Superunifikationstheorie ist von kolossaler praktischer Bedeutung, darunter in Quantentriebwerken, deren der Entdecker, Leonow, im praktischen Versuch bestätigt hat.
Möchte hinzufügen das selbst Einstein hatte erhebliche Probleme zwei Naturkräfte zu vereinigen. Danach mit der Entdeckung der atomarer Wechselwirkungen hatten die Physiker 4 Naturkräfte und der Weg zu einer Weltformel scheint aber in die weite Ferne gerückt zu sein. Vielleicht spielt die fünfte Kraft die entscheidende Rolle zu einer mathematischen Weltformel ?
Der berühmte englische theoretische Physiker und Popularisierer der Wissenschaft Paul Davis hat diesem Problem sein modernes populäres Buch „Superpower“ gewidmet, in dem er feststellte: „Die gesamte Natur unterliegt letztendlich der Wirkung einer bestimmten Supermacht, die sich in verschiedenen Hypostasen manifestiert. Darin verschmelzen Materie, Raum-Zeit und Wechselwirkung zu einem untrennbaren harmonischen Ganzen, das eine solche Einheit des Universums erzeugt, die sich vorher niemand vorgestellt hat.“ Mächtige Worte die meinen Geschmack sehr nahe sind.
Fakt: Das gegenwärtige physikalische Standardmodell ist ein klägliches Konstrukt, wurde vor einem halben Jahrhundert starr fixiert und lässt keine Änderungen zu. Es berücksichtigt weder die Schwerkraft (Graviton) noch die mögliche Existenz von Dunkler Materie.
Auf der Suche nach der Weltformel, der Grand Unified Theory (GUT), werden immer häufiger Grenzen von Raum und Zeit überschritten und stellen mittlerweile selbst die lange Zeit tabuisierte Frage unverhohlen: Was war vor dem Urknall? All diese Fragen kann uns heute die Stringtheorie, das erfolgreichste Vereinheitlichungsschema überhaupt, beantworten. Die mathematischen Berechnungen sind Atemberaubend, die Stringtheorie lässt einer unglaublichen Zahl (10 hoch 500) Multiversen als auch Paralleluniversen zu (Einige Begebenheiten auf der Erde sprechen dafür ?).
Das besondere daran: Auch die spontane Entstehung von Universen, also quasi aus dem nichts, was wir schon lange aus der Quantenmechanik über das spontane Entstehung von Teilchen wissen, ist so möglich. Aber auch diese Theorie hat ihre Gegner und der sichtbarer Weg zu einer Weltformel ist nicht in Sicht, vielleicht in 500 oder in 1000 Jahren…