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.<\/p>\n
Wie kommen nun nukleare Triebwerke zu einer höheren Ausströmgeschwindigkeit als chemische Triebwerke? Das geschieht nicht durch die Temperatur \u2013 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.<\/p>\n
Der Reaktor<\/h3>\n
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 \u201erelativ\u201c 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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
Vergleich mit dem chemischen Treibstoff<\/h3>\n
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:<\/p>\n