Speed von Lady Voldemort

Atomkraft tut not. Es gibt keine Alternative dafür. Wir brauchen sie unbedingt… 

Damit wir uns nicht missverstehen: Ich will mit dieser Einleitung nicht in die energiepolitische Debatte dieses Landes einsteigen. Meine Meinung dazu ist (und damit können wir diesen Punkt dann auch gut sein lassen): Wir haben hier auf der Erde das Privileg nur gut acht Lichtminuten von einem Mega-Fusionsreaktor entfernt zu leben, den wir "Sonne" nennen. Dieser Superatommeiler schafft uns eine kuschlige, habitable Zone innerhalb derer wir unseren Strom auch mit indirekter nuklearthermischer Energieerzeugung gewinnen können.

Mir geht es heute um etwas anderes, und deshalb verlassen wir jetzt unseren Planeten.

 Mit nuklearelektrischem Antrieb zum Neptun: Kurze Reisezeiten und viel Nutzlast

Wenn wir nämlich im Weltraum richtig vorankommen wollen, dann wird es ohne Atomenergie nicht gehen. Sobald wir uns nämlich von unserem netten gelben Fusionsöfchen entfernen und – sagen wir mal – jenseits des Jupiter Forschung betreiben wollen, dann ist da recht schnell Ende im Gelände. Dann ist Schluss mit der von der Sonne gespendeten Energie und uns bleibt nichts anderes übrig, als selbst welche zu machen. Dort draußen müssen wir die benötigte Energie mittels Isotopenzerfall, Kernspaltung und vielleicht auch eines Tages mittels Kernfusion herstellen.

Am Mars kommt auf einer gegebenen Fläche nur noch ein Viertel der Sonnenenergie an, die auf Höhe der Erdbahn zu empfangen ist. Und auf Höhe der Jupiterbahn leuchtet nur noch eine matte, kleine Funzel am Himmel, die es dort grade mal ein zwanzigstel der irdischen Einstrahlung bringt.

Und damit kommen wir zu ihr, "Deren-Name-nicht-genannt-werden-darf". Sie ist die Lady Voldemort der europäischen Raumfahrt. Die "Nukleare Energieversorgung für Raumfahrzeuge" (ups, nun ist es doch raus). Keinem Politiker würde es im Traum einfallen, hier ein Fass aufzumachen. Kein Wissenschaftler, kein Raumfahrtmanager, der in der Hierarchie seiner jeweiligen Institution vorankommen will, wird sich öffentlich damit beschäftigen. Es ist das Gebiet für die Ketzer, die politisch Unkorrekten, die Kandidaten für Askaban.

In Europa ist selbst die Diskussion um simple Radioisotopengeneratoren ein Minenfeld, denn in der Folge müsste man auch ein in hohem Maße belastetes Reizwort wie "Es-dessen-Name-auch-nicht-genannt-werden-darf" (Plutonium) verwenden.

Somit hat Europa keine Chance, ohne die Hilfe anderer Nationen jemals einen Himmelskörper jenseits der Jupiterbahn zu erreichen. Dieses Faktum könnten wir jetzt stehen lassen, doch die Hoffnung stirbt zuletzt und vielleicht kommt doch noch einmal etwas in Bewegung. Aus diesem Grund unternehmen wir jetzt einen kurzen Exkurs:

Die Raumfahrt benötigt nukleare Energiequellen für die folgenden Hauptanwendungen, die wenig, ein wenig mehr, und richtig viel Strom erfordern.

1. Wenig Strom, nämlich ein bis zwei Watt, erzeugen nukleare Heizelemente. Die braucht man überall da, wo vor allem mechanische Komponenten oder Instrumente in langen Weltraumnächten einzufrieren drohen. Die beiden an sich mit Solarenergie betriebenen Mars-Rover Spirit und Opportunity sind beispielsweise damit ausgerüstet. Verwendet werden in der Regel Pellets mit Plutonium 238. Aber auch Elemente mit wesentlich kürzeren Halbwertszeiten wie Polonium 210 sind in der Raumfahrt schon verwendet worden. In jedem Fall wird man hier auf Alpha-Strahler zurückgreifen, um die Abschirmungen dünn zu halten. Übrigens (pst, nicht weitersagen): auch der europäische Exomars-Rover wird solche Heizelemente, so genannte RHU – Radioactive Heater Units – enthalten, weil es nämlich kaum anders geht. Die werden wir Europäer ganz unauffällig in Russland kaufen und in keinem Papier für das allgemeine Publikum werden sie jemals erscheinen und niemals wird ein Projektwissenschaftler bei einer Präsentation des Projektes für die breite Öffentlichkeit je von sich aus darauf hinweisen.

2. Radioisotopengeneratoren für den Betrieb von kleinen, unbemannten Forschungsstationen auf dem Mond (wie die aus den Apollo-Tagen) oder als Energiequelle aller Raumsonden (Pioneers, Voyagers, Galileo, Cassini, New Horizon), deren Ziel jenseits des Jupiters liegt. Sie führen meist einige wenige bis einige dutzend Kilogramm Plutonium 238 mit, um aus der Zerfallswärme Strom zu erzeugen um damit einige hundert Watt bis einige Kilowatt an Energie zu erzeugen. Technisch sind sie seit 40 Jahren "state of the art". In den USA. Nicht bei uns.

3. Spaltreaktoren für nuklearthermische und nuklearelektrische Antriebe von Boostern, Oberstufen und Transferraumschiffen, sowie für die Energieversorgung von bemannten Basen auf Mond und Mars.

Dieser letzte Punkt hört sich für den Laien vielleicht wie Science Fiction an, aber auf diesem Gebiet sind im letzten halben Jahrhundert eine ganze Reihe von Test- und Einsatzgeräten entwickelt worden. Ihre Leistungen waren aber, bis auf einen Fall, auf einige dutzend Kilowatt beschränkt. Richtig Sinn machen würden sie erst, wenn sie Energiemengen von einigen hundert Megawatt produzieren würden.

Wenn wir bemannt zum Mars (oder darüber hinaus) gelangen wollen, ohne dabei auf nicht enden wollenden Hohmann-Bahnen entlang zu schleichen, dann sind wir auf Atomenergie angewiesen. Wir sind ausgerechnet deswegen darauf angewiesen, um – so paradox es im ersten Moment klingt – den Auswirkungen harter Strahlung zu entgehen. Je kürzer die Reisezeit, desto weniger lange ist ein Astronaut der rauen (Strahlungs-)See des interplanetaren Raumes ausgesetzt.

Raumfahrtantriebe, wie wir sie heute kennen, verbrennen meist feste oder flüssige Chemikalien. Um damit hohe Geschwindigkeiten, gleichbedeutend mit kurzen Reisezeiten, zu erzielen braucht es ungeheure Mengen davon. Mehr noch: Chemische Antriebe sind heute fast am Ende ihrer technischen Möglichkeiten angelangt. Sie können graduell noch geringfügig verbessert werden, aber jedes zusätzliche Prozent an Leistung erfordert ein enormes Mehr an technischer Finesse. Chemische Triebwerke sind wie Dragster. Sie beschleunigen sportlich, doch saufen sie Sprit ohne Ende.

Ionen- und Plasmaantriebe der unterschiedlichsten Funktionsweisen gehen wesentlich effizienter mit dem Treibstoff um. Sie zeichnen sich durch hohe spezifische Impulsleistungen aus, die bis zu 20mal besser sind, als die chemischer Antriebe. Elektrische Triebwerke werden schon seit langem in der Raumfahrt verwendet. Wenn Zeit keine Rolle spielt, nur sehr geringe Schübe benötigt werden, und man sich nicht weit von der Sonne entfernt, dann können sie mit Solargeneratoren betrieben werden. Problematisch wird es aber dann, wenn die drei Punkte nicht zutreffen.

Michael Khans Blog-Beitrag vom Februar 2008 behandelt speziell die Problematik solarenergiebetriebener Ionentriebwerke. 

Um das Potential dieser Triebwerke wirklich auszuschöpfen, braucht es Strom ohne Ende. Ein Beispiel dafür ist das VASIMR-Plasmatriebwerk (VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) des ehemaligen NASA-Astronauten Franklin Chang-Diaz. Ein Raumfahrzeug könnte mit diesem Antrieb innerhalb von 40 Tagen den Mars erreichen. Vorausgesetzt, man verfügt über eine Energiequelle von über 200 Megawatt Leistung mit einem Leistungsgewicht von einem Kilogramm Masse pro Kilowatt Leistung. Das ist mit einem Solargenerator unmöglich.

Nur zum Vergleich: Die Solargeneratoren der Internationalen Raumstation erzeugen unter günstigsten Verhältnissen etwa 110 Kilowatt und sind dabei so groß wie ein Fußballfeld. Heutige Solargeneratoren haben ein Leistungsgewicht von etwa 18-20 Kilogramm pro Kilowatt. Die technische Entwicklung könnte dies mittelfristig vielleicht bis auf etwa 7 Kilogramm pro Kilowatt herunterbringen. Stretched Lens Arrays könnten es eines Tages vielleicht sogar bis in die Nähe von 3 Kilogramm/Kilowatt schaffen. Doch dies gilt immer nur für einen Einsatz auf Höhe der Erdbahn oder noch näher an der Sonne. Das ist vielleicht gut genug, um mittels VASIMR-Antrieb (unbemannt) Nutzlasten vom niedrigen in den hohen Erdorbit, oder Güter vom Erdorbit in den Mondorbit zu transportieren. Für Reisen zum Mars und darüber hinaus sind sie nicht geeignet.

Derlei Überlegungen allerdings werden nur in den USA, in Russland und höchstwahrscheinlich auch in China angestellt. Nicht jedoch in Europa. Dabei bräuchten wir zunächst gar nicht über "Space Based Reactor" nachzudenken. Für Europa wäre es schon eine echte Mutprobe, wenn man sich wenigstens zur Entwicklung eines schlichten Isotopengenerators für Tiefraumsonden durchringen könnte. Saturn und Titan, die Planeten Uranus und Neptun mit ihren Mondsystemen, die Kuiper-Objekte, all das wären lohnende Ziele die man nicht nur den anderen Raumfahrtnationen überlassen sollte.

Ich bin Raumfahrt-Fan seit frühester Kindheit. Mein Schlüsselerlebnis ereignete sich 1963. Ich lag mit Masern im Bett. Und im Fernsehen kam eine Sendung über Scott Carpenters Mercury-Raumflug. Dazu der Kommentar von Wolf Mittler, dem Stammvater der TV-Raumfahrt-Berichterstattung. Heute bin ich im "Brotberuf" bei Airbus Safran Launchers in München im Bereich Träger- und Satellitenantriebe an einer Schnittstelle zwischen Wirtschaft und Technik tätig. Daneben schreibe ich für Print- und Onlinemedien und vor allem für mein eigenes Portal, "Der Orion", das ich zusammen mit meinen Freundinnen Maria Pflug-Hofmayr und Monika Fischer betreibe. Ich trete in Rundfunk und Fernsehen auf, bin Verfasser und Mitherausgeber des seit 2003 erscheinenden Raumfahrt-Jahrbuches des Vereins zur Förderung der Raumfahrt (VFR). Aktuell erschien in diesen Tagen beim Motorbuch-Verlag "Interkontinentalraketen". Bei diesem Verlag sind in der Zwischenzeit insgesamt 16 Bücher von mir erschienen, drei davon werden inzwischen auch in den USA verlegt. Daneben halte ich etwa 15-20 mal im Jahr Vorträge bei den verschiedensten Institutionen im In- und Ausland. Mein Leitmotiv stammt von Antoine de Saint Exupery: Wenn du ein Schiff bauen willst, dann trommle nicht Menschen zusammen, um Holz zu beschaffen, Werkzeuge zu verteilen und Arbeit zu vergeben, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten unendlichen Meer. In diesem Sinne: Ad Astra

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  1. Mars in 40 oder in >100 Tagen

    Wenn der Nuklearantrieb die bemannte Marsreise von mehr als 100 auf 40 oder weniger Reisetage reduziert, macht er ein Apollo-ähnliches Programm mit mehreren Marsbesuchen in kurzen Zeitabständen überhaupt erst möglich.

    Nuklearantrieb wäre in so einer Situation ein Muss selbst wenn die Entwicklung eines geeigneten Nuklearantreibs noch ein oder zwei Jahrzehnte in Anspruch nimmt. Früher als 2030 wird ja in keinem der bekannten NASA-Pläne oder Pläne der Russen der Mars erreicht.
    Wenn schon Mars, dann richtig und wiederholbar.

  2. Forsch doch auf dem Mond

    Ich habe es nicht ganz gelesen, aber bevor man zum Uranus will: wie wäre es, wenn man die ganze Forschung/Entwicklung zu dem Thema auf den Mond verschiebt. Dann sind im Fall eines Falles nicht so viele Betroffene vorhanden. Frei nach ITIL: kleine Bombe lange Schnur.

    Und das soll keine Polemik sein!

  3. Einziges Problem

    Die ganze RTG Geschichte ist eigentlich relativ harmlos, es gibt nur ein Problem damit den Leuten zu sagen, dass man da mehrere hundert Kilo radioaktives Material auf eine Rakete setzt. Das ergibt im Worst-Case eine schöne schmutzige Bombe, sonst gibt es keine Probleme.

    lg, Daniel

  4. Die ganze RTG Geschichte ist eigentlich relativ harmlos, es gibt nur ein Problem damit den Leuten zu sagen, dass man da mehrere hundert Kilo radioaktives Material auf eine Rakete setzt. Das ergibt im Worst-Case eine schöne schmutzige Bombe, sonst gibt es keine Probleme.

    Ausgesprochen unwahrscheinlich, dass es selbst bei der Explosion der Rakete zu einer massiven Freisezung kommt, denn das in einem RTG enthaltene Plutonium, übrigens nicht einige Hundert Kilo, sondern einige Dutzend, sind in eine hochwarmfeste keramische Matrix eingebettet.

  5. Nuklearthermischen Triebwerke?

    Zwar bieten nuklearthermische Antriebe nicht so hohen spezifischen Impuls wie VASIMR, aber immer noch das Doppelte selbst eines kryogenen chemischen Triebwerks (=Ende der Fahnenstange bei chemischen Triebwerken, Ausströmgeschwindigkeit dort 4.5 km/s, bei nuklearthermischem Antrieb bis zu 9 km/s) dafür wirklich hohen Schub bei relativ geringer Systemmasse.

    Ob ein VASIMR-Raumschiff, das den ganzen Reaktor vor sich herschieb, immer noch Sinn macht, bleibt nämlich abzuwarten. Die Frage lassen die Medienberichte und Perssemitteilungen zu VASIMR nämlich gern unter den Tisch fallen. Mein Blog-Beitrag von 2008 passt immer noch, auch wenn man nicht nur auf solarelektrische Energieversorgung abhebt. Für den Antrieb macht es keinen Unterschied, welche Art von Masse er vor sich herschieben muss – es kommt nur darauf an, wie viel Masse.

    Das dazu passende Stichwort ist das NERVA-Konzept.

    http://www.daviddarling.info/…pedia/N/NERVA.html

  6. Flexible Marsreisen

    Der Vorteil eines Nuklearantriebs für bemannte Mars-Flüge besteht nicht nur in der kürzeren Zeit für den Hinflug sondern vor allem auch in der Möglichkeit, viel flexibler die Rückreise antreten zu können. Denn bei Hohmann-Bahnen muss man ja warten, bis die relativen Positionen von Erde und Mars zueinander passen.

    Zwar kann man auch mit chemischen Antrieben bemannte Mars-Missionen fliegen, aber die dafür benötigten Zeiträume (und auch die medizinischen Probleme in Bezug auf Stahlung und lange Schwerelosigkeit) würde wohl dazu führen, dass man nach zwei oder drei solcher Missionen, bei denen eine Fahne aufgestellt wird und ein paar Steine eingesammelt werden, diese Flüge wieder einstellt.

    Bemannte Mars-Flüge machen für mich nur dann Sinn, wenn sie zu einer dauerhaften menschlichen Präsenz auf dem Roten Planeten führen. Das dafür benötigte Transportsystem erfordert Leistungen, wie sie nach dem derzeitigen Stand der Technik wohl nur durch nukleare Energie erreicht werden kann.

    Und bei interstellaren Missionen (unbemannt) kommt man ohne solche Energiequellen sowieso nicht aus.

  7. Holzherr und Holtkamp

    Noch sind wir nicht bei Perry Rhodan. An den bahnmechanischen Gegebenheiten kommt man auch mit einem nuklearelektischen Antrieb nicht vorbei. Wenn die Erde auf der einen Seite der Sonne steht und der Mars auf der anderen, dann ist auch hier wenig zu machen. Die 40 Tage gelten natürlich nur für die optimale Stellung der Planeten. Aber man hätte mit so einem Antrieb sicher eine ganz nette Auswahl an möglichen Bahnen. Interessant sicher auch die Bestimmung von Bahnen bei denen man die halbe Zeit beschleunigt und die andere Hälfte abbremst.

  8. Paunlinsche

    Man kann, denke ich, praktisch jede Variante nuklearer Antriebe sicher gestalten. Am schwierigsten wäre das natürlich bei nuklearthermische Antriebe mit Starts von der Erde aus. Da gab es ja in den sechziger und frühen siebziger Jahren in den USA eine Blüte mit dem Projekt NERVA, in dem bei Tests mehrere Stunden an Triebwerksaufzeit akkumuliert wurden. Ähnliche Leistungen haben seinerzeit die Sowjets im Rahmen des Projektes RD-0410 erzielt. Die Entwicklungsarbeiten wurden zumindest auf US-Seite nie vollständig eingestellt, und es gibt heute einen Referenz-Design dessen spezifische Impulsleistung mehr als doppelt so gut ist, wie das des weltweit leistungsfähigsten Sauerstoff-Wasserstoff-Triebwerks (925 Sekunden).

    Die Chancen, einen Spaltreaktor für den Antrieb eines Raumschiffes zu entwickeln, das von der Erde aus startet, ist allerdings selbst bei Nationen, die der Atomenergie unbefangen gegenüberstehen, eher gering. Nuklearthermische Antriebe könnten aber eine Chance haben, wenn man die Teile des Reaktors in unkritischem Zustand in den Weltraum bringt, und erst dort aktiviert.

  9. Daniel

    Wie Michael Khan schon feststellt sind RTG’s überhaupt kein Problem. In den sechziger Jahren hat es sogar mal die Explosion einer Trägerrakete gegeben bei dem ein RTG an Bord war. Der war völlig unbeschädigt, man hat ihn aus dem Wasser gefischt und bei einem späteren Flug erneut verwendet. Diesen Herbst wird übrigens schon der nächste in den Weltraum gestartet, weil eine solche Einheit das US-Mars Science Laboratory antreiben wird.

  10. Michael

    Stimmt. Die Masse des Reaktors wäre ein entscheidendes Kriterium. Ein Kilogramm Reaktormasse pro Kilowatt Strom ist natürlich ein Traumwert, den man nicht ohne weiteres aus dem Ärmel schütteln kann und über den wahrscheinlich noch manches Jahr an Entwicklungsarbeit vergeht. Aber ein Plasma-Marschtriebwerk mit 5, 6 oder 7 Kilonewton Schub wäre einige Anstrengung wert. Das würde die Raumfahrt revolutionieren.

  11. Bemannte Marsmissionen

    Vermutlich werden bemannte Marsmissionen sowieso eine internationale Zusammenarbeit erfordern. Daher muss Europa zumindest in diesem Zusammenhang nicht zwangsmäßig die Nukleare Technik beisteuern.

  12. Knox – Marsmissionen

    Man muss hier schon unterscheiden zwischen RTG’s (Radio-Isotopengeneratoren) die meines Erachtens zur Grundausstattung eines Gemeinwesens gehören, das von sich behauptet Raumfahrt im Spitzenfeld zu betreiben und “Space Based Reactors”, die für wirklich große Mengen an Strom bei zukünftigen Anwendungen notwendig wären. Das ist tatsächlich eine andere Liga.

    Andererseits spiegelt eine solche Aussage eine typisch europäische Haltung wieder. In der Raumfahrt gibt es diese “die-anderen-werden-das-schon-richten” Einstellung beispielsweise bei der Position zur bemannten Raumfahrt, wo man auch sagt: “Brauchen wir nicht, fliegen wir halt bei den Russen oder Amerikanern mit”. Und eine solche Positionierung ist in Europa auch auf anderen Gebieten, nicht nur in der Raumfahrt zu beobachten.

  13. Typisch europäische, typisch russisch

    @Astra Es gibt historisch gewachsene Einstellungen zu den “Machtfragen” und wie sie richtig schreiben gehört bei den Europäern die folgende Haltung dazu: “Brauchen wir nicht, fliegen wir halt bei den Russen oder Amerikanern mit”.
    Damit verkaufen sich die Europäer unter ihrem wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Potential, denn die EU ist eigentlich der grösste Wirtschaftsblock der Welt.

    Umgekehrt zeigen die Russen immer wieder Grossmachtsambitionen, die nur historisch erklärt werden können und nicht ihrer gegenwärtigen wirtschaftlichen Verfassung entspricht mit einer Wirtschaftsleistung, die deutlich kleiner ist als die von Deutschland.

    Im Zusammenhang mit einer nuklearen Antriebsquelle für den Flug zum Mars liest man in der Wikipedia (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Bemannter_Marsflug ): “Der leitende Konstrukteur Witali Lopota von RKK Energija gab Anfang 2010 bekannt, dass in Russland mit der Entwicklung eines Megawatt-Kernreaktors für einen neuartigen Raumschiffantrieb begonnen wurde.[5][6][7] Bis 2012 sollen die Planungen sowie die Computermodellierung und -simulation abgeschlossen sein. Die Entwicklung der kerntechnischen Anlage soll bis 2015, das dazugehörige Transportmodul bis 2018 fertiggestellt werden. Mit der Umsetzung des Kernreaktors wurde Rosatom beauftragt; die Triebwerke, Verdichterturbinen und Generatoren werden von Roskosmos entwickelt. Die Gesamtkosten werden auf mehr als 17 Milliarden Rubel veranschlagt, im Haushalt von 2010 sind 430 Millionen Rubel für Rosatom und 70 Millionen Rubel für Roskosmos vorgesehen.[8] Geplant ist ein bis zu 20 mal höherer spezifischer Impuls als bei chemischen Raketentriebwerken; die Flugzeit zum Mars kann damit auf vier bis sechs Wochen verkürzt werden”

    Es wäre undenkbar, dass Deutschland ein solches Projekt startet wie es sich die Russen vorgenommen haben. Im Prinzip sind beide – Russland und Deutschland (und damit auch die EU) – nicht ganz in der Realität angekommen. Russland nimmt sich zuviel, Deutschland (und die EU) zu wenig vor.

  14. Nicht ganz Europa

    Europa ist keine völlig homogene Region. Während in Deutschland in näherer Zukunft wohl alles was mit Nuklear-Energie zusammenhängt tabu ist (“Deren-Name-nicht-genannt-werden-darf”, wie Eugen sehr treffend gesagt hat), glaube ich, dass unsere französischen Nachbarn hier etwas pragmatischer vorgehen werden. Dort legt man höchsten Wert auf Unabhängigkeit und wenn für fortgeschrittene Raumfahrtmissionen Nukleartechnik erforderlich ist, werden sich die Franzosen nicht immer auf die USA oder Russland verlassen wollen.

    Nicht umsonst gibt es doch dort das kleine gallische Dorf, das den Römern erfolgreich Widerstand leistet…

  15. Nicht ganz Europa

    Das Problem ist hier auch, dass die großen drei (Frankreich, Deutschland, Italien) nie gleichzeitig der selben Meinung sind. Jahrelang wollte Frankreich ein größeres Engagement in der bemannten Raumfahrt und Deutschland hat gebremst, seit einer Weile ist es mal wieder umgekehrt. Und Italien wollte schon immer ganz was anderes. Das Ergebnis ist immer das selbe: Es kommt nichts bahnbrechendes zu Stande, weil man sich immer auf die kleinste gemeinsame Beliebigkeit einigt oder Entscheidungen auf den St. Nimmerleinstag verschiebt. Nur die seltenen wissenschaftlichen Missionen sind ganz nett, aber selbst da bleibt man weit unter den Möglichkeiten.

  16. Speed von Lady Voldemort

    Dieses Problem dürfte besonders auf Deutschland zutreffen und ist eine wirklich traurige Angelegenheit.

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