Einsatzmöglichkeiten für Kernreaktoren bei Raumfahrzeugen

Wenn heute radioaktives Material bei Raumfahrzeugen (sowohl bemannt wie unbemannt) eingesetzt wird, dann meist in RTG, dabei wird die beim Zerfall freiwerdende Wärme in Strom umgewandelt, meist über die Eigenschaft bestimmter Metalle bei einem Temperaturgradienten Strom abzugeben. (thermoelektrischer Effekt, steckt auch im Kürzel RTG). Eingesetzt wird fast ausschließlich Plutonium-238 ein relativ seltenes Isotop, das aufwendig zu produzieren ist und in normalen Kernreaktoren kaum anfällt, bzw. wieder zerstört wird.

Kernreaktoren wurden bisher kaum eingesetzt. Die USA hatten einen Test mit SERT Mitte der Sechziger, Russland hat für eine bestimmte Satellitenklasse, die einen hohen Strombedarf hatten, kleine Kernreaktoren gebaut. Dies aber auch vor zwanzig Jahren eingestellt.

Ich will heute mal die Einsatzmöglichkeiten diskutieren.

Vom Aufbau her unterscheidet sich ein kleiner Kernreaktor – er kann ja nicht so groß sein, wie einer in einem Kraftwerk, nicht so stark von dem eines Kernkraftwerks. Hier wie da haben wir Brennstäbe aus angereichtem Uran, Moderationsstäbe aus Substanzen die Neutronen verlangsamen, damit sie möglichst viele Kernreaktionen durchführen und nicht entweichen und Kontrollstäbe die dafür sorgen, dass die Reaktion konstant bleibt. Nur ist das Uran in kleinen Kernreaktoren stärker angereichert, damit die Neutronen auch noch genügend Uranatome treffen, um die Kettenreaktion am Laufen zu halten. Der Unterschied beginnt im Kühlkreislauf. Der US-Reaktor bei SERT hatte kein aktives Kühlsystem, er nutzte wie RTG den thermoelektrischen Effekt und produzierte so aus 45 kW Wärmeabgabe lediglich 650 Watt elektrische Leistung. RTG erreichen heute etwas höhere Wirkungsgrade von 5 bis 6 %, aber das hängt auch von der Temperaturdifferenz ab. Der Reaktor war bei SERT nur 585 °C heiß. Die folgenden US-Entwicklungen, die es seitdem gab, setzen auf Heatpipes, die die Wärme nach außen abführen. In diesen verdampft Natriumdampf am Reaktor und kondensiert in der Kälte wieder, der Dampf kann dann eine Turbine antreiben, die Strom erzeugt. Derartige Reaktoren haben einen höheren Wirkungsgrad der bei Leistungen von 100 kW und mehr 25 Prozent erreicht.

Die russischen Reaktoren setzten in der ersten Generation auf Cäsiumdampf, die Zweite auf eine Natrium-Kaliumlegierung. Sie wird als Kühlmittel wie bei einem „normalen“ Kernreaktor eingesetzt also ohne Heatpipes. Der Wirkungsgrad war auch eher gering: von 150 kW thermischer Leistung blieben bei Topaz-2 noch 6 kW elektrische Leistung übrig.

Solange der Wirkungsgrad so gering ist, wie bei RTG gibt es nur wenige Gründe einen Kernreaktor anstatt RTG einzusetzen. Einer kann die Kostenfrage sein. Auch wenn die Kernreaktoren hochangereichertes Uran einsetzen, damit sie möglichst kompakt sind, sind die Kosten dafür doch deutlich niedriger als für Plutonium-238, dessen Kosten bei rund 10 Millionen Dollar pro Kilogramm liegen. Zudem sind sie sicherer – Plutonium 238 hat eine Halbwertszeit von 87 Jahren und strahlt entsprechend stark. Selbst wenn die Reaktoren aus reinem Uran-235 beständen so hat dieses doch eine Halbwertszeit von 700 Millionen Jahren und entsprechend strahlt es weniger stark. Richtig radioaktiv werden die Reaktoren erst, wenn die Kontrollstäbe zurückgefahren werden und die Kettenreaktion ermöglicht wird, dann entstehen die Transurane wie Neptunium, Plutonium und die kurzlebigen Spaltprodukte wie Isotope des Cäsiums, Strontiums und Iod. Das ist aber erst der Fall, wenn sie einen stabilen Orbit erreicht haben. Es gab den Vorfall mit Kosmos 954, einem Satelliten mit einem Kernreaktor. Diese Satelliten waren in niedrigen Umlaufbahnen und wurden zu Missionsende dann in eine höhere Umlaufbahn gebracht, doch bei Kosmos 954 verlor man vorher den Kontakt, sodass er in der Atmosphäre auseinanderbrach und in Kanada niederging. Später bekamen russische Satelliten ein System, das sie automatisch in eine höhere Umlaufbahn bringen sollte, doch auch das scheint mindestens einmal versagt zu haben.

Auf der anderen Site hat man bei RTG noch nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft, so hat die NASA die Forschung an RTG die einen Sterling-Motor nutzen eingestellt, dieser hätte den Wirkungsgrad um den Faktor 3-4 erhöht, allerdings und das war sein Manko, hat er bewegliche Teile, die ausfallen können.

Bei Reaktoren ist es so, dass je größer sie sind, desto effizienter werden sie, wenn man die Leistung auf das Gewicht bezieht. Die UDA haben zuletzt zwei Studien gemacht. Das eine war SAFE, ein Reaktor der 400 kW thermische Leistung hatte und der Kilopower Reaktor mit 10 kW Leistung. Nicht nur der Wirkungsgrad war unterschiedlich (25 und 10 %) sondern der kleine Reaktor (allerdings mit Stirling-Technologie und Radiatoren da für eine bemannte Marsmission vorgesehen) wiegt mit 750 kg mehr als SAFE mit 512 kg.

Für praktische Einsatzgebiete ist ein wichtiger Wert die Leistung pro Masse. Weniger bei normalen Satelliten, als vielmehr bei Raumsonden, die auf eine viel höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden und die daher leichter sind, als auch für Ionenantriebe, hier in Konkurrenz zu Solarzellen. Für bemannte Missionen ist die Abwärme ein Vorteil, allerdings wird sie bei den derzeitigen Konzepten für die Marsmissionen nicht genutzt. Vor allem aber ist die Leistung konstant, anders als bei Solarzellen die bei steigender Entfernung von der Sonne an Leistung verlieren. Hier einige Werte für die elektrische Leistung pro Masse bei etablierten Systemen:

Stromversorgung Leistung bei 1 AE Sonnendistanz
RTG (HPHS) 5,6 W/kg
Konventionelle Solargeneratoren 85 W/kg
Flexible Solargeneratoren 120 bis 170 W/kg (je nach Größe)
Solargeneratoren mit Solarkonzentratoren 170 bis 300 W/kg

Klar ist, dass kleine Kernreaktoren mit ihren schlechten Werten in Erdnähe und auch noch beim Mars deutlich schlechter als selbst konventionelle Solarzellen liegen. Ein Reaktor also bei gleicher Leistung mehr wiegt. Der SAFE Reaktor liegt deutlich höher in der Region von flexiblen Solarzellen und ist daher ihnen, selbst im Erdorbit überlegen – von dem fehlenden Problem sehr große Solarzellen zu entfalten mal ganz abzusehen. Auf der anderen Seite liefern die kleinen Reaktoren für den Betrieb der Raumsonden zu viel Leistung, für einen Ionenantrieb aber zu wenig – Dawn, um eine Diskussionsgrundlage zu haben, hatte 11 kW Leistung bei etwas über 1 t Gewicht. Für eine Raumsonde ist SAFE aber schon überdimensioniert, immerhin kann man die hohe Leistung aber nutzen, um mit dem Ionenantrieb gleich aus einem Erdorbit zu starten, das addiert bei dieser Leistung kaum Extrazeit, erhöht die Nutzlast aber deutlich. Umgekehrt ist SAFE für den Antrieb einer bemannte Marsmission schon wieder zu klein, denn dann reden wir nicht über 1 oder 2 t Masse, sondern 30 bis 50 t. Ich sehe für Reaktoren der SAFE-Klasse (oder noch mehr Leistung) folgende Einsatzmöglichkeiten:

Unbemannter Transport von Ausrüstung einer Marsexpedition

Anders als bei Apollo wird eine Marsmission aus verschiedenen Teilen bestehen, die getrennt gestartet werden . Nur beim bemannten Teil kommt es darauf an, die Reisezeit zu minimieren, die unbemannten Teile könnte man auch Monate oder sogar ein oder zwei Startfenster vorher auf den Weg bringen, man sollte das sogar tun und erst die Besatzung losschicken, wenn alles andere bereit ist. Folgende Elemente könnte man problemlos unbemannt starten:

  • Das Habitat (Wohnung und Labor), das auf der Marsoberfläche landet.
  • Vorräte, schweres Gerät, mobiles Fahrzeug das nahe des Habitats abgesetzt werden.
  • Eine Rückstartstufe, vollgetankt mit Kapsel für den Start von der Oberfläche in den Marsorbit
  • Eine Transferstufe mit Vorräten, welche die Besatzung von der Marsumlaufbahn auf einen Kurs zur Erde bringt.

Das wären vier Starts, die unbemannt erfolgen könnten, der einzige bemannte Start würde dann chemisch erfolgen, wäre aber auch deutlich aufwendiger als die obigen. Man könnte das sogar noch auf die Spitze treiben und die Besatzung gar nicht erst in eine Marsumlaufbahn einschwenken lassen, sondern direkt mit einer Kapsel landen. Dann würde ein weiterer unbemannter Start ein Habitat für die Rückkehr zur Erde in die Marsumlaufbahn bringen. Das Habitat für die Hinreise würde den Mars passieren und in eine Sonnenumlaufbahn eintreten. Nur dafür braucht man erheblich größere Reaktoren: bei 50 t Startmasse,14 km/s Gesamtgeschwindigkeitsänderung, 500 Tagen Betriebszeit und Ionentriebwerken mit 40 km/s Ausströmgeschwindigkeit ergibt sich als Abschätzung eine Leistung von etwa 400 kW, soll es schneller gehen entsprechend mehr.

Zumindest, was die Masse angeht, sind diese Optionen besser. Mit einem Kernreaktor wird man etwa 50 % der Startmasse in einen Erdorbit in einen Marsorbit bringen können, chemisch wären es nur 20 %. Bei der direkten Landung sieht es mit 33 zu 50 % nicht so gut aus. Der grundsätzliche Nachteil sind die langen Reisezeiten bedingt durch den Ionenantrieb. Das ist nur bei unbemannten Missionen tolerierbar.

Raumsonden

Für Raumsonden ergeben sich dagegen neue Möglichkeiten. Missionen zu Jupiter und alle anderen äußeren Himmelskörper profitieren besonders stark. Man könnte vom Erdorbit aus starten, was die Nutzlast für Jupiter verfünffacht. Jenseits von Saturn hat man das Problem das, wenn man schnell zu Uranus und Neptun gelangen will, (schnell heißt hier auch 8 bis 12 Jahre) man chemisch die Überschussgeschwindigkeit, mit der man ankommt, nicht abbauen kann. Mit einem 100 kW Reaktor ist das aber kein Problem. Auch Missionen zu den Monden der Planeten würden profitieren. Anstatt über Jahre nach und nach die Bahn durch Vorbeiflüge anzupassen, könnte man mit dem Reaktor einen Ionenantrieb zusätzlich hinzunehmen und so die Zeit deutlich verkürzen. (siehe dieser Artikel)

Da allerdings keine größeren Missionen ins äußere Sonnensystem geplant sind und auch Europa Clipper sich mit Vorbeiflügen an Europa begnügt wird man wohl keine größeren Reaktoren zur Einsatzreife entwickeln. Die Problematik der Nachfrage zeigt sich ja auch bei den schon erwähnten Stirling-Motoren für RTG: obwohl sie den Bedarf an Plutonium-238 mit seinen hohen Kosten deutlich senken könnten, hat man vor Jahren die Entwicklung eingestellt, einfach weil es zu wenige Missionen gibt, die noch RTG einsetzen. Bis Jupiter kommt man noch mit speziellen Solarzellen – Juno setzt solche ein, Juice auch und wahrscheinlich auch die Lucy Mission, zumindest was die Abbildungen angeht. Solarzellen sind dann zwar herblich schwerer als RTG, aber eben in der Herstellung auch viel preiswerter. Erst ab Saturn wird man RTG oder Kernreaktoren benötigen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.