Wie attraktiv sind nuklearbetriebene Raketen?

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der bemannten Raumfahrttechnologie sind die Landung auf fremden Planeten und die Schaffung neuer Heimaten zu den großen Zukunftszielen der Menschheit geworden. Unter ihnen hat der Mars als der Erde im Sonnensystem am ähnlichsten Planet das Glück, eine der ersten Wahlen für die Einwanderung des Menschen auf andere Planeten zu sein.

Der Bau eines Hauses auf dem Mars ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Beispielsweise benötigt ein Raumschiff mit herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken für einen Hin- und Rückflug von der Erde zum Mars mindestens zwei Jahre. Je länger die Flugzeit im Weltraum ohne eine die Strahlung abschwächende Atmosphäre ist, desto mehr Ausfälle können auftreten und desto größer ist das Risiko von Verletzungen und sogar lebensbedrohlichen Situationen für das Personal. Daher ist es für die bemannte Marserkundungsmission erforderlich, die Flugzeit so weit wie möglich zu verkürzen und die Antriebstechnologie für die Luft- und Raumfahrt zu erneuern.

Kürzlich gaben die NASA und die Defense Advanced Research Projects Agency bekannt, dass sie bei der Entwicklung nuklearbetriebener Raketentriebwerke zusammenarbeiten und die Technologie bis 2027 im Orbit erproben wollen. Diese Technologie dürfte die Reisezeit von Astronauten zu und von Weltraummissionen deutlich verkürzen und den Grundstein für bemannte Marserkundungsmissionen legen.

Eine von den US-Medien veröffentlichte Abbildung einer Atomrakete im Rahmen des Projekts „Agile Lunar Operations Demonstration Rocket“.

Generell wird erwartet, dass nuklearbetriebene Raketen im Hinblick auf Leistungsabgabe und Ausdauer unvergleichliche Vorteile gegenüber herkömmlichen chemischen Raketen haben.

Unter allen zur Diskussion stehenden Raketenantriebssystemen der Zukunft haben nuklearbetriebene Raketen deutliche Vorteile. Man geht davon aus, dass sie die Flugzeit von Raumfahrzeugen verkürzen, die gefährliche Belastung der Astronauten durch Schwerelosigkeit und kosmische Strahlung verringern und sich positiv auf die Gesundheit auswirken. Darüber hinaus sollen sie die Konstruktion der Lebenserhaltungssysteme von Raumfahrzeugen vereinfachen, die Belastungen und die Systemkomplexität verringern und so die Zuverlässigkeit verbessern.

Darüber hinaus verfügen nuklearbetriebene Raketen über eine starke Dauerbetriebsfähigkeit, eine bessere Anpassungsfähigkeit an Missionen und lassen sich in ihrem Startzustand leicht anpassen. Wenn die Mission vorübergehend abgebrochen wird, wird erwartet, dass sie nach einer gewissen Zeit der Reise durch den Weltraum ohne Auftanken sicher zur Erde zurückkehrt. Beim Start von fremden Planeten wie dem Mars sollen nuklearbetriebene Raketen künftig die Abläufe vereinfachen und den Rückflug zuverlässiger machen.

Allerdings kann man Atomraketen nicht verallgemeinern. Je nach der Art der Freisetzung der Kernenergie können nuklearbetriebene Raketen in drei Typen unterteilt werden: durch radioaktiven Isotopenzerfall, durch Kernspaltung und durch Kernfusion.

Das Funktionsprinzip eines Raketentriebwerks mit radioaktivem Isotopenzerfall besteht darin, die durch den Zerfall radioaktiver Isotope erzeugte Strahlung in Wärmeenergie umzuwandeln, das Arbeitsmedium zu erhitzen und Schub zu erzeugen. Die Studie geht davon aus, dass es bei mehrmonatigen Missionen kontinuierlich einen geringen Schub erzeugen kann, jedoch nicht als Hauptantrieb für bemannte Marserkundungsmissionen geeignet ist.

Konzept einer nuklearbetriebenen Rakete

Für Forscher in verwandten Bereichen sind es vor allem die Kernfusionsraketentriebwerke, die die größte Faszination auslösen. Ihr Funktionsprinzip besteht darin, leichtere Atomkerne zu schwereren Atomkernen zu verschmelzen, wobei im Verlauf dieser thermonuklearen Reaktion enorme Energiemengen freigesetzt werden. Leider ist das Problem der Kontrolle der Kernfusion noch nicht gelöst und die Hochenergie-Laserzündungstechnologie ist noch nicht zuverlässig genug, sodass sich dieser Motortyp noch in der theoretischen Forschungsphase befindet und häufig in Science-Fiction-Werken zu sehen ist.

Die nuklearbetriebenen Raketen, auf deren Entwicklung sich die Vereinigten Staaten derzeit konzentrieren, basieren auf dem Funktionsprinzip der Kernspaltung und werden auch als nukleare thermische Raketen bezeichnet. Man kann sie einfach als „in den Himmel gehende“ Kernkraftwerke verstehen, die ebenfalls Kernbrennstoff verbrauchen. Nach dem Start strömt das Arbeitsgas durch den Kernreaktor, nimmt Wärme auf, wird dann beschleunigt und aus der Düse ausgestoßen, um Schub zu erzeugen. In Zukunft könnten Kernspaltungsraketentriebwerke in der Lage sein, die Produkte in einem Plasmazustand erscheinen zu lassen. Das Arbeitsgas wird erhitzt und mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, wodurch ein größerer Schub oder spezifischer Impuls erzeugt wird.

Der Einsatz nuklearbetriebener Raketen bedeutet nicht, dass die bemannte Marserkundungsmission „sicher und zuverlässig“ durchgeführt werden kann. Stattdessen müssen neue Probleme gelöst werden. So wird beispielsweise mit der steigenden Zahl der Astronauten und ihrer täglichen Bedarfs- und Arbeitsgeräte das Gewicht der Raumfahrzeuge deutlich zunehmen, was zwangsläufig höhere Anforderungen an die Schubkraft des nuklearbetriebenen Raketentriebwerks mit sich bringt.

Gleichzeitig müssen die mit der Kernenergie verbundenen Sicherheitsrisiken ernst genommen werden, insbesondere die Gefahr der nuklearen Strahlung für die Gesundheit der Astronauten. Berichten zufolge wurden bei der neuen Generation nuklearbetriebener Raketenprogramme bahnbrechende Fortschritte im Bereich der Sicherheit vor nuklearer Strahlung erzielt.

In naher Zukunft werden nuklearbetriebene Raketen in der Praxis zum Einsatz kommen und die Reise zum Mars wird kein Traum mehr sein, sondern ein entscheidender Schritt in der Geschichte der menschlichen Weltraumforschung. (Autor: Yu Haichuan)