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Gefährliche Strahlung. Überfüllte Vorratskammern. Lagerkoller. Die NASA könnte viele Hindernisse für eine Marsmission umgehen, wenn sie nur schneller dorthin gelangen könnten. Aber träge Chemieraketen schneiden es nicht ab - und um herauszufinden, was als nächstes kommt, startet eine Gruppe von Ingenieuren die Forschung zu einem Motor, der zuletzt 1972 abgefeuert wurde.

Die Energie, die durch das Verbrennen von chemischem Brennstoff freigesetzt wird, brachte Astronauten zum Mond, aber diese Raketenwissenschaft sorgt für eine lange Reise zum Mars. Und obwohl die Suche nach einer auf Kernspaltung basierenden Abkürzung in die 1950er Jahre zurückreicht, sind solche Maschinen noch nie geflogen. Im August kündigte die NASA diese Bemühungen an, als die Agentur einen 18,8-Millionen-Dollar-Vertrag mit dem Nuklearunternehmen BWXT zur Konstruktion von Treibstoff und einem Reaktor für nukleare thermische Antriebe (NTP) bekannt gab, eine Raketentechnologie, die eine neue Ära der Weltraumforschung einleiten könnte.

"Die Stärken von NTP sind die Fähigkeit, den sehr schnellen Hin- und Rückflug [zum Mars] durchzuführen, die Fähigkeit, selbst nach zwei bis drei Monaten in die Missionen abzubrechen, die architektonische Robustheit und das Wachstumspotenzial noch mehr fortgeschrittene Systeme ", sagte Michael Houts, leitender Forscher für das NTP-Projekt am Marshall Space Flight Center der NASA, gegenüber ProfoundSpace.org. [Superfast Space Propulsion Konzepte (Bilder)]

Überlegene Benzinmeilenzahl

NTP-Raketen würden all das abziehen, indem sie etwa doppelt so viel Geld für den Einsatz von chemischen Raketen zur Verfügung stellen. Anstatt Brennstoff mit Sauerstoff zu verbrennen, würde ein Kernspaltungsreaktor als ein leistungsfähiger Ofen dienen, der flüssigen Wasserstoff erhitzt und das resultierende Gas für Schub ausstößt. Wie viel Schwung eine Rakete von ihrem Treibstoff bekommt, hängt weitgehend davon ab, wie schnell sie Partikel aus dem Rücken schleudern kann, was wiederum von ihrer Masse abhängt. Und die einzelnen oder doppelten Wasserstoffatome von NTP wären bis zu einem Dutzend Mal leichter als chemische Raketenausgänge.

Diese atomare Bohnenzählung könnte zu erheblichen Zeiteinsparungen führen. "Der nukleare thermische Antrieb kann es Ihnen ermöglichen, schneller zum Mars zu gelangen, in der Größenordnung von doppelt so schnell", sagte Vishal Patel, ein Forscher, der an der Substarter-Arbeit für BWXT bei der Ultra Safe Nuclear Corp. in Los Alamos, New Mexico, beteiligt ist. "Wir schauen uns schöne 3- bis 4-monatige Transitzeiten an."

Neue Tricks mit einer alten Technologie

Im Gegensatz zu wirklich exotischen Antriebsvorschlägen, die Antimaterie oder Kernfusion verwenden, haben Forscher lange Kernspaltungsraketen technologisch machbar betrachtet. Die konkrete Entwicklung begann 1955 mit dem Project Rover der Atomenergiekommission - drei Jahre vor der Gründung der NASA - und setzte sich mit dem NERVA-Raketenprototyp fort, der fast zwei Stunden lang in Bodentests feuerte, bevor die Budgetkürzungen 1972 eingestellt wurden.

Zu diesem Zeitpunkt hatte die NASA bereits Apollo 18 bis 20 sowie die Saturn V-Raketenproduktion eingestellt. Als Mars Pläne folgten, verlor das milliardenschwere NERVA-Projekt seinen Hauptzweck, sagte Houts. Die Technologie erlebte in den späten 80er und frühen 90er Jahren eine kurze Belebung mit dem Programm "Space Nuclear Thermal Propulsion" (SNTP), das auch vor den Flugtests keine Finanzierung mehr hatte.

Aber jetzt, mit Interesse zurück zum Mars, findet die bisherige Forschung in den aktuellen Projekten neues Leben.

"Das Wichtigste ist, [die NERVA-Rakete] war extrem gut dokumentiert", sagte John Helmey, Projektleiter für das NTP-Projekt von BWXT. "Wir fangen nicht bei Null an. Wir bauen auf wirklich gute Arbeit, die in diesem Zeitraum gemacht wurde", sagte er zu ProfoundSpace.org. Im Laufe des Vertrags, der bis zum Jahr 2019 läuft, wird BWXT konzeptionelle Entwürfe entwickeln, die sich auf Brennelemente und den Reaktorkern konzentrieren.

Drei Hauptherausforderungen unterscheiden moderne Bemühungen von der älteren Forschung.

Nuclear-Testing-Regeln haben sich geändert, sagte Jonathon Witter, BWXT NTP-Projektleiter Ingenieur. Das Potenzial für Spuren von Radioaktivität in den Motorabgasen bedeutet, dass Ingenieure keine Wolken aus Wasserstoffgas mehr in die Atmosphäre entweichen lassen können. Stattdessen plant BWXT, einen Trick zu testen, der im Stennis Space Center der NASA entwickelt wurde und das Wasserstoffgas mit Sauerstoff verbrennt, um leicht zu fangendes Wasser zu erhalten. Frühe Demonstrationen in kleinem Maßstab werden nicht-nukleares Wasserstoffgas verwenden, um diese Abgaseinfangmethode zu testen, aber Wasser aus zukünftigen Atomtests könnte mit Standardtechnologie dekontaminiert werden.

Die Ingenieure gestalten die Brennelemente auch neu mit neuen Materialien, die die Uran-Brennstoffpartikel umgeben, so Witter. Die Effizienz der Rakete hängt auch von der Temperatur ab, und BWXT geht davon aus, dass ein Keramik- und Wolfram-Verbundwerkstoff einen besseren Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht.

Darüber hinaus lief NERVA mit 90 Prozent hoch angereichertem Uran, das heute als Waffenklasse eingestuft werden kann. Aber weil der Spaltprozess mehr als genug Hitze abwirft, sind diese Niveaus übertrieben, sagte Patel. Die Designs von BWXT werden Material verwenden, das auf knapp unter 20 Prozent angereichert ist, was es in die weniger streng regulierte Kategorie mit niedrigem angereichertem Uran (LEU) versetzt. Neben der Zulassung von sichereren Reaktoren könnte der geringe Anteil an spaltbarem Material die Tür zu mehr öffentlich-privaten Partnerschaften öffnen.

"Die LEU-Sache ermöglicht wirklich die Idee, dass nichtstaatliche Organisationen sich darauf einlassen können", sagte Patel. "Es ist potenziell Spielveränderung."

Ein dunkles Pferd für den Roten Planeten

Aber ein umfangreiches Design und viele Jahre des Testens trennen das Potenzial von NTPs vom Ein-Jahreszeiten-Ausflug bis zum Roten Planeten und die Geschichte von Fehlstarts in der Nuklear-Weltraumtechnologie macht es für die frühen Mars-Missionen der NASA, die in den 2030er Jahren geplant sind. "Es ist eine von mehreren fortschrittlichen Antriebsoptionen", sagte Houts. "Es gibt viele gute Optionen, die chemische Systeme verwenden, und Optionen, die elektrischen Antrieb nutzen."

Scott Hall, ein Entwickler eines solchen elektrischen Antriebsprototyps, der kürzlich an der Universität von Michigan Schallplatten brach, sagt, er würde gerne sehen, dass eine dieser Technologien in den Weltraum gelangt, aber er glaubt nicht, dass dies bald der Fall sein wird.

"Optimistisch, es wird 15 Jahre dauern", sagte Hall von seinem leistungsstarken Ionentriebwerk, "und realistisch gesehen ist es wahrscheinlich eher 50 ... Der Prozess bewegt sich nur so langsam, und ich kann mir vorstellen, dass die nuklearen Typen in einem ähnlichen Boot sind."

Aber ob es ein Jahrzehnt oder zehn Jahre dauert, Houts glaubt, dass Nukleartechnologie die Weltraumforschung verändern könnte. Er zitiert Mars-Kraftwerke und die Möglichkeit von Raumfahrzeugen, die von natürlich vorkommenden Ressourcen wie Wasser oder Methan als Beispiele für weit entfernte Möglichkeiten auftanken.

"Wir reden von einem System der ersten Generation. Die Systeme darüber hinaus könnten extrem fortschrittliche Fähigkeiten haben", sagte er.