Eine Renaissance für Nukleare Triebwerke?
Ich habe mich kürzlich wieder über einen Artikel in der c’t, der Computer- und Technikzeitschrift die ich lese, geärgert. Eigentlich hatte ich vor hier den Artikel auseinander zu nehmen der vor allem enorm flach ist, also es fehlt wirklich an Tiefgang. Daneben hat er auch etliche inhaltliche Fehler. Aber da ich davon ausgehen muss, dass die meisten meiner Blogleser wohl keine c’t-Leser sind, dachte ich mir bringe ich mal wieder einen Grundlagenartikel und zwar ob inzwischen nukleare Treibwerke doch eine Alternative für Marsmissionen sind.
Wie funktioniert ein nuklearer Antrieb?
Ein nuklearer Antrieb – wenn man es ganz genau nimmt, muss man von einem nuklear-thermsichen Antrieb sprechen – unterscheidet sich vom chemischen Antrieb relativ wenig, von allen Alternativen zu diesem ist er am einfachsten zu verstehen. Beide bestehen aus einem Treibstoff, einem Treibstofffördersystem das den Treibstoff gegen den Brennkammerdruck einspritzt, einer Brennkammer, in der er erhitzt wir und die zum Schutz aktiv gekühlt wird und einer Düse wo er expandieren und den Schub auf die Rakete übertragen kann. Der einzige Unterschied ist, dass die Energie um das Gas zu erhitzen beim chemischen Antrieb aus einer chemischen Reaktion stammt und beim nuklearen antrieb aus der Kernfission im Reaktor stammt.
Ein nuklearer Antrieb ist also nichts anderes als ein Reaktor in der Brennkammer eines chemischen Antriebs. Für ihn gilt eigentlich das gleiche wie für jeden Reaktor in einem Atomkraftwerk. Solange die Kornrollstäbe eine Kernspaltung verhindern ist er relativ ungefährlich, seine Radioaktivität entspricht der des angereicherten Urans und die ist gering, selbst wenn er nur aus U-235 bestehen würde, so hat dieses doch eine enorm lange Halbwertszeit von rund 700 Millionen Jahren und gibt so wenig Strahlung ab. Sobald die Kernspaltung erfolgt, erhitzt sich der Reaktor und diese Hitze kann genutzt werden um das Arbeitsmedium zu erhitzen. Alle Versuche bisher und das trifft auch für den NASA Auftrag aus dem Artikel zu, beschränken sich auf eine Spitzentemperatur bei der der Reaktor oder auch nur Teile davon nicht schmelzen. Uran(IV)oxid hat eine Schmelztemperatur von 2.850°C unter der muss man also bleiben. Theoretisch wäre es möglich den Reaktor verdampfen zu lassen. Solche Ideen wurden aber nie praktisch umgesetzt. Als Spaltprodukte entstehen zuerst Atome die masseärmer als das Uran sind z.B. Cäsium und Strontium. Erst später entstehen aus dem Uran durch Neutroneneinfang und Umwandlung Elemente höherer Ordnungszahl wie Neptunium und Plutonium. Bei den kurzen Betriebszeiten im Orbit (einige Stunden) ist deren Anteil aber klein. Trotzdem strahlt der Reaktor nun stark, denn die beiden Hauptspaltprodukte Cäsium-137 und Strontium-90 haben Halbwertszeiten von 29 und 30 Jahren. Diese wurden auch bei der Tschernobylkatastrophe freigesetzt und sind bis heute auch bei uns (wo die radioaktive Wolke niederregnete z.B. in Bayern) nachweisbar. Die Folgen dieser Bestrahlung bemerkt man meiner Meinung nach bis heute bei Politikern in Bayern.
Das heißt: ein Reaktor in einem Raketentriebwerk ist „verhältnismäßig“ harmlos bis er angefahren wird, das senkt das Risiko bei Fehlstarts oder anderen Havarien. Danach strahlt er aber enorm stark durch die kurze Halbwertszeit der Isotope (neben den erwähnten entstehen auch andere wie Iod-131 mit einer Halbwertszeit von 8 Tagen das dann noch ein vielfaches stärker strahlt als Cäsium und Strontium. Das betrifft natürlich die Besatzung die vor dieser Strahlung abgeschirmt werden muss.
Die Vorteile von nuklearen Triebwerken
Auf den ersten Blick hat ein nukleares Triebwerk keinen Vorteil, denn die für den Schub aber vor allem Treibstoffeffizienz wichtige Größe, der spezifische Impuls hängt auch von der Temperatur der Gase ab und bei einer chemischen Reaktion sind viel höhere Temperaturen möglich bei LOX/Wasserstoff z.B. 3700 K. Der Vorteil ergibt sich aus der Molekularmasse der Abgase. Der spezifische Impuls hängt mit der mittleren Geschwindigkeit der Gase zusammen und die steigt wenn die Molekularmasse sinkt. Vereinfacht gesagt: Verteilt man die Energie auf schwere Moleküle so ist jedes langsamer unterwegs als ein leichtes Molekül. Da keine chemische Reaktion stattfindet kann man als Arbeitsmedium das leichteste Gas nehmen das existiert, das ist Wasserstoff mit Atommasse 2 u. Das Verbrennungsprodukt von Wasserstoff und Sauerstoff, Wasserdampf hat dagegen Atommasse 18 und bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen auch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid mit Atommasse 28 und 44 u. Dieser Effekt ist so viel bedeutender, dass nukleare Triebwerke einen doppelt so hohen spezifischen Impuls wie chemische Triebwerke haben.
Die Nachteile
Ich klammere mal das Strahlenproblem aus, egal ob bei einem normal arbeitenden Reaktor oder einer Havarie nach einer Zündung, weil das kein Teil der Raketentechnik ist und soweit ich weiß auch sich bisher noch niemand um Lösungsansätze für die Abschirmung und das Zusatzgewicht bei realen Raumschiffen Gedanken gemacht hat. Ich beschränke mich auf meine Leisten, sprich Wissen bei Raketenantrieben.
Als erstes mal hat Wasserstoff auch einen riesigen Nachteil – seine geringe Dichte. Schon die Tanks in der Kombination LOX/LH2 wiegen dreimal so viel wie bei der Kombination LOX/Kerosin, aber geht man auf reinen Wasserstoff über, mit einer Dichte von unter 0,07 g/cm³ so werden die Tanks echt schwer. Der Tank für eine Stufe mit dem NERVA-II Triebwerk hätte bei 144 t Wasserstoff rund 25 t gewogen, also ein sechstel des Inhalts.
Ebenso sind die Reaktoren schwer. Das Triebwerk dieser Stufe hätte 9 t gewogen, bei einem Schub von 867 kN. Zum Vergleich: das J-2 Triebwerk der Saturn V in derselben Schubklasse hat 1.020 kN Schub und wog 1.578 kg, also bei mehr Schub nur ein sechstel des Gewichts.
Der Grund dafür ist relativ einfach. Man benötigt enorm viel Energie um viel Schubkraft zu erzeugen. Nehmen wir obiges J-2, das verbrennt 40 kg Wasserstoff pro Sekunde. 1 kg Wasserstoff liefert bei der Verbrennung 14,9 MJ das sind 14,9 MWs. 40 kg also fast 6.000 MWs, das ist die freiwerdende Energie die der thermischen Leistung eines 6.000 MW Reaktors (thermisch) ~ 1.500 bis 2.000 MW elektrisch entspricht. Selbst bei hoch angereichertem Uran wiegt ein solcher Reaktor einige Tonnen. Der obige Reaktor für NERVA-II hätte eine Leistung von 4.500 MW gehabt.
Trotzdem sind nukleare Triebwerk relativ schubschwach. Obige Stufe hätte 178 t gewogen bei nur 867 kN Schub.
Daneben kann der Wasserstoff nicht komplett genutzt werden. Es geht sowohl in der Hochlaufphase wie Abschaltphase Wasserstoff verloren, weil der Reaktor sich erst erhitzen und abkühlen muss, dieser Wasserstoff wird auch entlassen. Aber er hat eine viel geringere Temperatur und trägt nur wenig zum Schub bei. So waren von den 144 t Wasserstoff knapp 129 t als nutzbar eingestuft. Dagegen können chemische Triebwerke den Treibstoff bis auf kleine Reste (typisch < 0,3 Prozent der Startmenge) nutzen.
Was sich auch nicht geändert hat ist das man die Triebwerke prinzipiell nicht testen kann. Man kann das Prinzip ohne Reaktor testen, indem man den Wasserstoff elektrisch beheizt wie dies beim DRACO Kontrakt vorgesehen ist. Aber Hunderte oder Tausende von MW die ein Reaktor für Einsätze benötigt, kann man so sicher nicht aufbringen und wenn, dann ist damit immer noch nicht der Reaktor getestet, das hat man damals gemacht, aber ich glaube kaum das jemand heute einen Reaktor in der Wüste testen würde der dann radioaktiven Wasserstoff freisetzt und nach dem Test selbst hoch strahlend ist.
Neue Technologien?
Die USA haben nukleare Triebwerke in den sechziger Jahren getestet und das Programm Anfang der Siebziger Jahre eingestellt. Das ist lange her. Gibt es neue Gesichtspunkte die einen Antrieb attraktiver machen?
Ja die gibt es. Man traut sich heute noch etwas höhere Temperaturen zu als damals. Damals wurde bei maximal 2.270 K getestet, das ergab einen spezifischen Impuls von 8090 m/s, heute geht man bis auf 2.860 K, das sind je nach Auslegung des Triebwerks 8.670 bis 8.940 m/s.
Am miserablen Masseverhältnis des Triebwerks hat sich leider nichts geändert. Es liegt bei noch kleineren Triebwerken als damals unter 4, nur als Vergleich, das J-2 liegt bei 64.
Viel geändert hat sich heute in der Missionsdurchführung. Damals wollte man eine Marsexpedition mit einer Zündung durchführen, also wie bei der Mondmission. Dazu braucht man ein schubstarkes Triebwerk weil sich während der langen Brennzeit – bei der obigen Stufe 1.200 Sekunden – die Stufe sich laufend von der Erde entfernt und dabei an Geschwindigkeit verliert. Sinkt der Schub ab, so nähert sich ein nukleares Triebwerk einem Niedrigschubtriebwerk. Man kann dies mit den heutigen Kommunikationssatelliten vergleichen. Die größten wiegen 6 t, haben aber nur ein Triebwerk mit 0,4 kN Schub. Anstatt nun den Übergang GTO → GEO auf einmal durchzuführen, tun sie dies in mehreren Umläufen, jeweils mit Zündungen rund um das Perigäum.
So kann man auch bei einem nuklearen Antrieb verfahren, lediglich das letzte Manöver – von einer hochelliptischen Umlaufbahn um die Erde zum Mars muss dann in einem Schritt erfolgen. Von einer 200 x 120.000 km Bahn sind das noch etwa 800 m/s von insgesamt 3.700 m/s, das heißt man könnte das Verlassen der Erde in vier Teile aufteilen, in denen die Geschwindigkeit um je etwa 800 m/s erhöht wird. Die Gravitationsverluste sind so reduzierbar und damit auch der Treibstoffbedarf.
So entdeckte ich in einer Studie der NASA über Modellierung von nuklearen Triebwerken dass diese nur noch mit 33 bzw. 112 kN Schub arbeiten, lange nicht dem hohen Schub wie in den Sechzigern und entsprechend kleiner sind die Reaktoren, allerdings nicht viel leichter, weil je größer ein Reaktor ist um so besser ist sein Schub/Gewichtsverhältnis. Aber man braucht weniger angereichertes Uran, ein bedeutsamer Kostenfaktor.
Das nächste sind die Tanks. In den Neunziger Jahren wurde die Aluminiumlegierung 2195 eingeführt, erstmals beim Space Shuttle SLWT. Diese ist bei gleicher Belastung 26 Prozent leichter als die in den Sechzigern eingesetzte Legierung 2210. Inzwischen fertigt man auch Wasserstofftanks aus CFK-Werkstoffen. Boeing hat zusammen mit der NASA einen Demonstrator gebaut der 29 % weniger wiegt als ein Tank aus der Legierung 2195. Inzwischen hat Boeing einen 4,3 m CFK-Tank auf das TRL 6 Niveau gebracht womit die Technologie einsatzbereit wäre. In Europa arbeitet Airbus an einem CFK-Tank für die Ariane 6 Oberstufe der bis zu 2 t mehr Nutzlast bringen soll.
Berücksichtigt man nur die beiden bekannten Gewinne durch bessere Materialien von 26 und 29 %, so kann heute ein Tank auf 53 Prozent des Gewichts der Siebziger Jahre gedrückt werden. Bei 25 t Gewicht für die Tanks bei obiger Stufe sind das fast 12 t mehr Nutzlast.
Die größte Gewichtseinsparung kann aber durch die Tankform erfolgen. Alle Abbildungen die ich gesehen habe, gehen von zylindrischen Tanks aus. Auch diese hier im Heise Artikel. Das ist aber wenn der Tank sowieso schwer ist, sehr ungünstig. Besser wäre ein kugelförmiger Tank. Aus zwei Gründen: Das Volumen/Oberflächenverhältnis einer Kugel ist besser als bei einem Zylinder, deswegen formen sich Wassertropfen ja zu einer Kugel. Das zweite ist das ein Kugeltank nach der Berechnung der Kräfte nur die halbe Wandstärke des Zylindermantels benötigt. Fasst man beides zusammen so hat ein Kugeltank bei gleichem Volumen nur 47 Prozent des Gewichts eines Zylindertanks mit L=2*D, dem Zylindertank mit dem besten Oberfläche/Volumenverhältnis.
Natürlich ist das Volumen kleiner. Eine SLS hat einen Durchmesser von 8,38 m, ein Kugeltank mit diesem Durchmesser hätte ein Volumen von 308 m³, würde aber nur 21 t Wasserstoff fassen. Dann müsste man mehrere dieser Tanks übereinander anbringen. Problematisch wird bei der Konstruktion die Anbringung einer Nutzlast oberhalb der Kugeltanks, da würde die Last ein das Gewicht wieder erhöhendes Gerüst nötig machen, doch wenn man aus Sicherheitsgründen sowieso Raumschiff und Stufe getrennt startet, braucht man nur an der Spitze einen leichtgewichtigen Adapter zum Andocken. Der Schub ist später so gering, dass das Raumschiff kaum Kraft auf die Tanks ausübt. Bei dieser Konstruktion von hintereinander geschalteten Kugeltanks kann man leider keine leeren Tanks abtrennen, was sonst noch ein zusätzlicher Vorteil wäre.
Fazit
Ich halte nach wie vor nichts von nuklearen Triebwerken, anders als andere die sich mit Raumfahrt befassen wie Eugen Reichl. De Fakto wäre es günstiger einen relativ kleinen Reaktor zu nehmen und mit dem erzeugten Storm Ionentriebwerke anzutreiben. Eine Reise zum Mars dauert ohne Zusatzbeschleunigung rund 190 Tage. Ein 1 MW Reaktor könnte eine 60 t schwere Nutzlast soweit beschleunigen das sie rund 50 Tage früher ankommt. Und 1 MW ist keine hohe Leistung für ein nukleares Triebwerk, dass würde nicht mal 1 kN Schub haben. Ionentriebwerke sind noch schubschwächer als nukleare Triebwerke, aber sie können lange laufen; über Monate. Sie wären auch geeignet chemischen Treibstoff zu sparen indem sie unbemannte Teile in hochelliptische Orbits befördern und erst dann kommt die Besatzung mit einer kleinen und leichten Kapsel dazu, und zündet eine chemische Stufe um die letzte Geschwindigkeitsänderung aufzubringen. Bei den meisten Teilen einer Marsexpedition, die unbemannt starten müssen, kann man sie sogar komplett von einem niedrigen Erdorbit zum Mars bringen, wenn man nur genügend Zeit hat.
Ionentriebwerke haben für sehr schwere Lasten aber ein anderes Problem: Auch sie werden mit steigendem Schub immer größer und ein Ionentriebwerk von 838 cm Durchmesser – dem der SLS-Kernstufe, würde hochgerechnet von kleinen Triebwerken maximal 4 bis 5 MW Strom verbrauchen. Der Grund liegt in der Felddichte, die nicht unendlich gesteigert werden kann. So werden für bemannte Missionen hohe Beschleunigungsspannungen diskutiert, die den spezifischen Impuls steigern und damit auch den Schub, allerdings steigt der Energieaufwand quadratisch mit dem Impuls an und von der Treibstoffersparnis, die es als Nebeneffekt gibt, hat man bei den geringen Δv einer Marsexpedition wenig. Aber für die unbemannten Teile ist es immer eine Alternative.
Allerdings – um zu dem Artikel zurückzukommen – ist dieses NASA Projekt nun auch nicht der Beginn der Entwicklung von nuklearen Triebwerken, dazu ist der Kontrakt mit einem Umfang von 22,2 Millionen Dollar einfach zu klein. Dieses kleine Detail verschweigt der Artikel übrigens auch.
Wieder ein guter Blog.
Und dein Endfazit bringt eigentlich das Wichtigste auf den Punkt.
„No Bucks, No Buck Rogers“.
Aus wissenschaftlichen Gründen nimmt der Nutzen des Menschen auf dem Mars immer mehr ab. Die Automatisierung war in den 60ern noch nicht so weit da hat eine bemannte Mission mehr Sinn gemacht als heute wo Rover 10 Jahre halten.
„Aus wissenschaftlichen Gründen nimmt der Nutzen des Menschen auf dem Mars immer mehr ab.“
Das ist richtig, allerdings könnte man das gleiche über die Erde sagen 😉
Nein, im Ernst, eine Kolonie auf dem Mars ist auf den ersten Blick wissenschaftlich fast sinnlos und ohnehin nicht realisierbar, zumindest in den nächsten 20 – 30, vielleicht sogar 50 Jahren nicht.
Allerdings kennen wir in der Geschichte der Menschheit durchaus Fälle, wo ein sinnloses, unerreichbares Ziel doch zum Wachstum der Wissenschaften beigetragen hat. Das uralte Ziel der Alchemie, Gold zu erzeugen war nicht realisierbar und wie wir heute wissen eigentlich dumm. Über Jahrhunderte habe es aber zu Entwicklung einiger Verfahren geführt, was am Ende zur Entstehung moderner Chemie führte.
So ähnlich wie Astrologie: die ersten Himmelsbeobachtungen hatten vor Jahrtausenden das Ziel die Zukunft vorherzusehen. Die Logik war damals so: Wenn ich durch die Himmelsbeobachtung ermitteln kann wann der beste Zeitpunkt ist die Felder zu bestellen (damals äußerst wichtig, konnte den Unterschied zwischen Überleben und Hungertot bedeuten), dann vielleicht kann man auch noch andere Informationen dem Himmel entlocken? Heute erscheint das Absurd, aber mit dem Kenntnisstand vor 5 Tausend Jahren schien es durchaus plausibel zu sein. Wie dem auch sein, die Beobachtungen der ersten Astrologen haben während der Jahrhunderte zur Entwicklung der Astronomie geführt, am Ende ein Gewinn für die Wissenschaft. (Natürlich die heutige Astrologie hat überhaupt keinen Sinn und hat keinen positiven Einfluss auf irgendwas, hilft höchstens einigen Betrügern)
Zurück zum Mars: Wenn beim Versuch dort zu gelangen ein günstigerer Zugang zum All daraus kommt, wird davon auch die Wissenschaft profitieren.
Eigentlich bereits jetzt ist ein positiver Einfluss feststellbar: In gewissen Sinne ist Starlink ein Kind der Bemühungen Mars zu erreichen. Starlink gibt bereits 1,5 Millionen Abonnementen einen besseren Zugang zu Internet als bisher. Ja, das ist kein direkter Einfluss auf die Wissenschaft, erhöht aber den Lebensstandard von Millionen Menschen (nicht alle Abonnementen sind Singlehaushalte, es sind also mehr als 1,5 Milionen). Ein höherer Lebensstandard der Menschen hatte in der Geschichte meistens auch einen positiven Einfluss auf die Wissenschaft.
Ein Kind der Mars-Bemühungen ist sicherlich auch Falcon Heavy. Diese Rakete wurde zuerst entwickelt um zum Mars zu fliegen, dieses Ziel wurde verfehlt. Jetzt ist es aber geplant mit Falcon Heavy z.B. eine Raumsonde zum Asteroiden Psyche zu fliegen und eine andere Mission zum Jupitermond Europa (Europa Clipper). Auch der Nancy Grace Roman Space Telescope wird in den All mit Falcon Heavy fliegen. Alles Beispiele für sehr interessante wissenschaftliche Projekte.
Theoretisch könnte man diese Projekte auch mit SLS fliegen, das würde allerdings das aktuelle Budget nicht hergeben, zwei Milliarden $ pro Flug sind einfach zu viel. Selbst wenn Geld nicht der begrenzende Faktor wäre: Der Einsatz der SLS würde die Projekte auch stark verzögern.
In nächster Zeit brauchen wir eher Panzer als Raketen. Der Luxus der 1960er ist vorbei.
Micha
Moin zusammen,
ich würde gerne das Thema Tank und ISP etwas anders beleuchten. Warum Wasserstoff als Treibstoff wenn man Lithium hat? Für Lithium benötigt man keinen Tank. Man könnte den Treibstoff einfach in Form von Stäben „lagern“ und mittels eines Extruders dem Triebwerk zuführen. Um das Lithium vor dem Start vor Luftoxidation zu schützen könnte man es coaten.
Kein Tank notwendig
Guter ISP (Atomgewicht 7 vs. 2 für Wasserstoff)
Leicht verfügbar
Man müßte das einmal durchrechnen ob die Gewichtseinsparungen durch den Wegfall des Tanks durch den schlechteren ISP aufgezehrt werden.
Und bitte, nicht die Geschichte von wegen wir benötigen das wertvolle Lithium für Batterien.
Zum Thema nuklearthermischer Antrieb gibt es auf Project Rho/Atomic Rockets viele alte Entwürfe. Ist diese Seite hier bekannt? Vor allem die alten Zurbrin Konzepte sind dort breit diskutiert.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php
Ja, ich kenne die Seite. Sie ist wirklich gut.
(Zur Info: Sie ist hauptsächlich für die schreiber sogenannter „Hard Science Fiction“ gedacht. (Oder um die sEite selbst zu zitieren: „Diese Seite war hauptsächlich für Science-Fiction-Autoren gedacht, die ein wenig wissenschaftliche Genauigkeit wünschen, damit sie SF so schreiben können, wie Gott und Heinlein es beabsichtigt haben.“)
http://toughsf.blogspot.com/
Dieser Blog ist ebenfalls gut. (Dessen Artikel zum Epstein Antrieb ist soviel ich weiß von Atomic Rockets übernommen worden. Der Space Tether Artikel ist imo. ebenfalls gut.)
Du schreibst schon: Atommasse 7, 3,5-mal schwerer als Wasserstoff = 87 % niedriger Impuls und damit auf dem Niveau des chemischen Antriebs. Seiten bei denen die Autoren nicht mal die physikalischen Grundlagen kennen, besuche ich nicht.
@Bernd: Die Artikel sind soviel ich weiß Zusammenfassungen von Studien, welche teilweise bis in 1950er zurückgehen.
Ich habe mal aus reiner Neugier mal ein paar nach den Seiten nach dem Suchbegriff „Lithium“ durchgegangen und meist wird er nur als Moderator bzw. Kühlmittel verwendet.
Als Treibstoff eher selten, meist nur in Kombi mit Wasserstoff. Ich habe aber „Lithium-Deuterite“ als Treibstoff in einem alten Zubrin Konzept mit einem Flüssigsalzreaktor aus den frühen 90ern aufgelistet gesehen.
Es sind wie gesagt nur meist Ideen und Konzepte von der NASA und Leuten aus der Luft und Raumfahrtindustrie. Ob sie tatsächlich funktionieren würden ist eine andere Sache. (Zubins selst sehe ich inzwischen äußerst skeptisch, da er dazu tendiert etweige Probleme einfach „wegzuwinken“.)
Der Artikel erwähnt sogar den Zusammenhang zwischen Molekularmasse und spezifischem Impuls, nämlich die Quadratwurzel also einfach den Impuls für Wasserstoff durch die Quadratwurzel des Massenunterschieds (Wurzel aus 3,5 = 1,87) teilen und man hat den spezifischen Impuls für Lithium.
„For thermal drives in general, and NTR-SOLID in particular, the exhaust velocity imparted to a particular propellant by a given temperature is proportional to 1 / sqrt( molar mass of propellant chemical ).“
Die Tabellenwerte für andere Chemikalien sind falsch, man kann auch Tools wie CEA2 bemühen um die Ergebnisse zu bekommen.
Und Zubrin? Den hat als Raumfahrt-Clown inzwischen Musk abgelöst. Verfasst noch mehr Zeugs das nicht durchführbar ist.
Du meinst den C’t Artikel, oder?
(Den konnte ich leider nicht lesen. Verdammte Paywall.)
Moin zusammen, genaugenommen habe ich Lithium auf den Tisch gebracht weil es von allen einfach zu lagernden Treibstoffen den mit Abstand höchsten ISP bringt. Man kann damit Masse für Tank komplett und teilweise für die Struktur einsparen. Eine Rakete ohne Tanks ist leichter und kleiner. Und Lithium ist , bezogen auf den ISP, weitab von allen chemischen Kombinationen. Dazu die höhere Temperatur und eine Wärmekapazität die nur 3 Translationsfreiheitsgrade hat. Ob das irgend einen Einfluß auf den effektiven ISP hat weiß ich nicht. Und neben dem ISP geht halt auch die Massendifferenz ein. Richtig spannend würde Lithium als Plasma bei einem nuklearelektrischem Antrieb.
Ein Punkt der bei den nuklearthermischen Antrieben (Nerva) zu erwähnen ist – der mögliche Gewinn an Delta V bringt auf einem interplanetarischen Transfer nicht wirklich einen Zeitgewinn. Selbst mit einem doppeltem Delta V kommt man um einen Hohmann Transfer nicht herum. Alles was man anfangs in einen Geschwindigkeitszuwachs rein steckt, muß man hinten zum Bremsen zusätzlich aufwenden.
Nuklear-elektrische Antriebe (Plasma, Ionenantrieb) hingegen könnten da echte Vorteile bringen.
Das Argument gilt aufgrund der physikalischen Gesetze für jeden Antrieb. Ich habe das ausgelassen weil ich nirgendwo eine konkrete Planung gesehen habe, also nutzt man nukleare Triebwerke nur um die erde zu verlassen oder auch um beim Mars abzubremsen oder diesen nach zwei Jahren wieder zu verlassen? Sind es dann getrennte Stufen oder eine. Nirgendwo scheint es irgendeine Planung oder gar Simulation zu geben.
Anmerkung und Richtigstellung
Die NASA und das US-Militär teilten am Mittwoch mit, dass sie Lockheed Martin mit der Entwicklung einer nuklear angetriebenen Stufe beauftragt haben, mit dem Ziel, die Technologie für Missionen zum Mars einzusetzen. BWXT ist für die Entwicklung des Kernreaktors und des Raketentreibstoffs verantwortlich.
Zu den Kosten: Möchte anmerken, dass der nach modernen Maßstäben lächerliche Betrag für ein so grundlegendes Projekt nicht endgültig ist. Wie im 21. Jahrhundert üblich, werden Weltraumentwicklungen nach dem Prinzip der öffentlich-privaten Kofinanzierung mit der Erwartung einer späteren Kommerzialisierung der Entwicklung durchgeführt. Beide Hauptauftragnehmer – sowohl Lockheed Martin als auch BWX Technologies – werden ihre eigenen Mittel für die Entwicklung ausgeben. Ihr Umfang, auch nur annähernd, wird jedoch nicht bekannt gegeben. Darüber hinaus hat die NASA im Budget bereits weitere 50 Millionen US-Dollar für interne Projektunterstützung, technisches Fachwissen und andere Beratungen bereitgestellt. Aber der Starttermin, soll 2027 erfolgen, ist recht sportlich.
Zum Vergleich: Das Ende der 1960er Jahre zu Bodentests gebrachte Atomraketentriebwerk NERVA dürfte laut NASA das Budget fast eine Milliarde Dollar gekostet haben, das sind mehr als acht Milliarden im Jahr 2023, inflationsbereinigt. Aber so ein Vergleich könnte zu falschen Schlussfolgerungen führen, da die heutige Entwicklung nicht bei null beginnt. DRACO wird nach seiner Fertigstellung, sofort in den Orbit gehen und dort in einer Höhe zwischen 700 und 2000 Kilometern sein Triebwerkstestprogramm starten.
Der Wirkungsgrad eines thermischen Kernraketentriebwerks (NTP), sein spezifischer Impuls, kann 950 Sekunden erreichen, mit neuen Technologien von 1400 bis 2000 Sekunden (NASA-Programms Innovative Advanced Concepts). Das DRACO-Ziel ist bescheidener und liegt in der Größenordnung von 700 Sekunden, da die Effizienz für den Demonstrator keine Rolle spielt.
Und Russland hat so was schon, ist sogar geeignet beim einsatz auf der Erde:
https://de.wikipedia.org/wiki/Burewestnik_(Marschflugk%C3%B6rper)
Wenn es denn nicht der nächste „Bomber Gab“ oder „Missile Gap“ ist.
Zitat von Gast: Ein Punkt der bei den nuklearthermischen Antrieben (Nerva) zu erwähnen ist – der mögliche Gewinn an Delta V bringt auf einem interplanetarischen Transfer nicht wirklich einen Zeitgewinn…Nuklear-elektrische Antriebe (Plasma, Ionenantrieb) hingegen könnten da echte Vorteile bringen.
Das ist genau so wie bei der Wahl zwischen Pest oder Cholera. Nun aber zu offiziellen Fakten, aus einer mathematischen Simulation:
Der Flug eines nuklearen Raumschleppers zum Mond mit 10 Tonnen Nutzlast, 0,5 MW Leistung, maschinelle Energieumwandlung, sehr hohe Startmasse, Top-Triebwerke mit 100km/s, dauert rund 200 Tage, bedeutet 100 Tage beschleunigen und 100 Tage bremsen. Ein wahre Geduldsprobe mit starken Nerven…
Ein bemannter Flug zum Mars mit 15MW und einer Gesamtmasse um 490 Tonnen, benötigt rund 3 Monate zum Beschleunigen um erst die Erdanziehung zu verlassen…So ein Flug, hin und zurück, dauert um die 3 Jahre. Also kein Vorteil gegenüber chemischen Antirieben, nur die Masse des Raumschiffes ist deutlich kleiner. Ein weiterer Nachteil, die geringe Nutzlast, also das Landemodul. Mit 200 MW wäre der Mars aber in einigen Wochen erreichbar…Mit dem heutigen Starship in 100 Tagen.
Ein Flug zum Jupiter mit 10 Tonnen Nutzlast und mit den gleichen Raumschlepper von 0,5 MW, dauert nur 1,5 Jahre. Also insgesamt eine Reise von rund 4 Jahren von der Erde zu Jupiter und zurück zu Erde (800km Bahn zum Nachtanken, ev. Reparaturen). Hier sehe ich einen gewissen Vorteil. Eine Nutzlast von 10 Tonnen zum Jupiter hat noch keiner vollbracht. Systeme mit 1 bis 6MW und einer Lebensdauer von 10-15 Jahren werden solche Flüge aber revolutionären…wenn nicht die Triebwerke…und die maschinelle Energieumwandlung…So eine Turbine mit 60.000 Umdr./Minute muss auch fehlerfrei viele Jahre laufen…Ein Horrorgedanke…
Bezüglich Mond und Mars-Reisen, wären die vollständig wiederverwendbaren Systeme wie Starship eindeutig im Vorteil. Selbst ein Marsflug, hin und zurück, wäre in 3-4 Monaten möglich, auch ohne auf dem Mars Nachzutanken. Entsprechende Berechnungen liegen mir vor, die Lösung ist recht simpel….
Nerva war gestern, die heutigen Triebwerke die in der Entwicklung sind, kommen auf 1000s bis 1500s, also kein Vergleich zu chemischen Antrieben. Es ist auch die Frage der Investitionen, da NASA und Roskosmos haben nur begrenzte Mittel. Ein weiterer Vorteil der heutigen Nerva, ist ihre sehr geringe Masse, haben sehr hohes Schub/Gewicht Verhältnis. Bei Kostenanalyse, wenn Starsip auch richtig fliegen wird, wird er aber die beste Lösung sein.
Schon zu Beginn der Raumfahrt, hat die Sowjetunion weltweit das erste Lithium-MPD-Triebwerk mit 17 kW Leistung gebaut und erfolgreich im Weltraum getestet. Einige der damaligen Experimente von RKK Energia wurden bis in die heutigen Tage nicht übertroffen, aber später ist die ganze MPD-Entwicklung eingeschlafen, dabei solchen Triebwerken gehört die Zukunft. Die heutigen Tests um die 200 N und 100km/s und mehr sind schon beachtlich.
Man sollte nur Äpfel mit Äpfeln und Birnen mit Birnen vergleichen. Alle nuklear-elektrischen Antriebe setzen kleine reaktoren im unteren MW Bereich ein, während die erprobten nuklear-thermsichen Reaktoren im Gigwattbereich liegen. Würde man auch nklear-thermische Antriebe nur mit Reaktoren der Leistungsklasse der elektrischen antriebe bestücken schon wäre man bei einer ähnlichen Reisedauer.
Auch der spezifische Impuls von 1000 bis 1500 s ist falsch. Theoretisch erreichbar wenn man den reaktor verdampfen lässt, praktisch aufgrund der Unantestbarkeit und radioaktiven Verseuchung nicht möglich. Die DRACO Imitative begnügt sich mit spezifischen Impulsen die unterhalb von NERVA liegen bei 700 s.
https://www.thespacereview.com/article/4631/1
Noch ein Tipp: Niemand nimmt einen Kommentator ernst der nicht mal den Namen des Blogautors richtig schreibt obwohl er wirklich schwer auf der Seite zu übersehen ist.
Zitat B. Leitenberg: „Und Russland hat so was schon, ist sogar geeignet beim einsatz auf der Erde“
Auch der Sturmvogel mit Isotopen-Quelle, bisher 7 Tote, kann nicht ohne Trägerrakete fliegen. Die Amerikaner haben auch mit Vought SLAM versucht, einen strategischen Marschflugkörpers mit einem nuklearen Staustrahltriebwerk mit unbegrenzter Reichweite zu entwickeln. Die SLAM sollte eine Mach 4,2 erreichen und die Flugreichweite in 9,1 km Höhe sollte 182.000 km betragen. In geringer Höhe (300 Meter) und Mach 3 Geschwindigkeiten sollte die Reichweite 21.300 km betragen. Der französischen Militärexperten Corantin Brüstlin bemerkte dazu:
„Das Kernkraftwerk hebt die Beschränkungen für die Menge des Brennstoffs auf, was es der Rakete ermöglicht, Flugbahnen zu verwenden, die vom Feind nicht verfolgt werden, und schwach geschützte Objekte anzugreifen. Natürlich wird das Vorhandensein einer solchen Rakete es ermöglichen, das feindliche Raketenabwehrsystem zu durchbrechen.
In der immer komplizierter werdenden globalen militärpolitischen Situation wird dies ein sehr ernstzunehmender Trumpf sein.“
Wir müssen auch bedenken, das weder die USA noch Russland kaum ein kontinuierliches Radarfeld über die gesamten Grenzen haben. In der UdSSR zum Beispiel gab es Ende der 1980er Jahre ein System-Luftverteidigungssystem mit einem kontinuierlichen Radarfeld über dem gesamten Territorium, das von 800 Radaren verschiedener Typen gesteuert wurde, es standen 2.500 Abfangjäger und 10.000 Raketen zur Verfügung und Rust ist trotzdem auf dem roten Platz gelandet.
Noch eine Episode. Am 11. März 22 hat eine ukrainische Drohne aus dem Raum Odessa ihren Funkkontakt verloren, und flog über Rumänien, Ungarn bis nach Kroatien wo sie dort abstürzte. Weder die AWACS-Systeme der NATO noch die AGS-Bodenüberwachung haben diese 15-Meter-Drohne während ihrer 350-Meilen-Reise durch mehrere Länder entdeckt? Zu diesem Zeitpunkt patrouillierten zwei AWACS E-3C-Flugzeuge im Luftraum von Ungarn, Rumänien und Kroatien: amerikanische und britische. Weder der eine noch der andere sah ein Ziel von mehr als 5 m2.
Die einzige zuverlässige Möglichkeit wäre die Burevestnik-Rakete anhand ihrer radioaktiven Spur zu erkennen, die sie auf ihrem Weg hinterlässt. Der Nachteil: Solche Spuren werden erst am 3 Tag sichtbar, wenn die radioaktiven Elemente die obere Atmosphäre erreichen.
Aber soweit ist es nicht, es wird noch Jahre und Jahre dauern bis der Sturmvogel fliegt !
@ B. Leitenberg
Bezüglich deiner Aussage zu Isp der nuklearen Triebwerke, so kann ich eindeutig sagen, dass du absolut falsch liegts. Details kann ich posten. Auch dein Vergleich mit Äpfeln und Birnen, zeigt nur, dass du meinen Beitrag nicht verstanden hast.
Ich wiederhole: Ich habe die aktuelle Entwicklung eines nuklearen Antriebs dargestellt, als auch seine Vorteile und Nachteile als auch einige Daten dazu präsentiert. Ein TEM mit maschineller Energieumwandlung hat absolut keine Bezugspunkte zu einen Festkerntriebwerk, der wäre nicht in der Lage 10-15 Jahre Nutzlasten mit 100 km/s von A nach B zu transportieren. Also werde etwas mehr sachlicher. Nun ja, ein eingefleischter Kritiker ist kein Visionär, er sieht nur das, was er auch sehen möchte.
Darüber habe ich berichtet: https://www.youtube.com/watch?v=kxEGiCiYKiA , eine effiziente Möglichkeit mit selbstheilenden Materialien und den stärksten elektrischen Triebwerken. Für Mondreisen noch zu langsam, die Strecke ist zu kurz, aber ein Flug zum Jupiter oder Saturn wäre in 6- 12 Monaten mit 10 Tonnen Nutzlast möglich, erfordert aber 100-150 km/s, wäre ein Traum für die Planetenforscher.
Einige Bemerkungen zu spezifischen Impuls bei nuklearen Triebwerken:
1. Schon die damaligen russischen Triebwerke, einer wurde vollständig getestet, hatten einen Isp um die 910s, war aber recht schwer, hatte ein Verhältnis von 1,8. Der andere, der fertiggestellt wurde, aber leider nicht getestet, hatte einen Isp von 2.000s und einen sehr hohen Schub.
2. Die heutige Realität der nuklearen Festkerntriebwerke, führend ist hier die USA:
a) Isp über 1000s
b) Schub zu Gewicht über 30
c) das bedeutet, das ein nuklearer Triebwerk von 1,5 Tonnen, soll schon einen Schub von rund 50 t erzeugen
d) technologisch ist das heute möglich, erfordert aber noch hohe Hürden und Finanzen
3. Durch Komprimierung des erhitztes Treibstoffs eines nuklearen Festkerntriebwerks, ist es möglich den spezifischen Impuls deutlich zu erhöhen, also über 1.400 s. Vorsichtige Berechnungen sprechen sogar von über 2.000 Sekunden.
4. Bei chemischen Antrieben haben wir das Apogäum noch nicht erreicht, theoretisch ist noch viel Luft nach oben. Ein neues Konzept bei chemischen Raketentriebwerk, das einen speziellen Gasionisator in der Brennkammer enthält, ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und eine Erhöhung des spezifischen Impulses um das 2,7-fache, ceteris paribus.