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.

3 thoughts on “Nukleare Triebwerke – brauchen wir die?

  1. 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.

    1. 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.

  2. 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.

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