Nukleartechnik für die Raumfahrt

@ Pirx

Pirx
Kann man den Thread nicht in einen zu nuklearen Antriebskonzepten integrieren?

NTREES ist KEIN Antrieb sondern eine Brennelement-Testanlage

Ja, ich habe nichts dagegen, habe den Thread auch nicht aufgemacht.

@Jura:
mit einem Schub von 35kN bekommt man doch wohl bei einem Transferschiff mit 35000kg jede Sekunde einen Geschwindigkeitszuwachs von 1m/s. Ich denke wenn der Antrieb 5t hätte der Treibstoff 17t und 18t Nutzlast und ein ISP von 8500m/s würde man auf eine hohe Kreibahn kommen. Man benötigt keine 150MW Antriebe. Selbst mir 10kN ist man immer noch schnell genug auf Geschwindigkeit um die Graviationsverluste klein zu halten.
Von einem Nuklearantrieb von dortaus an halte ich nicht viel. SEP kann leichter entwickelt werden und ist mindestens noch den Faktor fünf effektiver, was gerade für den Rückflug zur Erde und anschliessende Wiederverwendung sehr viel besser ist. Ausserdem werden zukünftige Verbesserungen bei Solarmodulen automatisch zu schnelleren Reisen oder höherer Nutzlast führen, sowas ist Nuklear unmöglich weil man den ISP einfach durch Grenzen der Materialien nicht viel höher treiben kann.

@ Klakow

Raumfahrtingenieure haben dazu grundsätzlich andere Meinung als die Forenschreiber, wir müssen dabei den ganzen Flug mit einer erforderlichen und Notwendigen x Nutzlast betrachten und berechnen unter Einbeziehung aller erdenklicher Aspekte. Ich habe schon gepostet, mit einen Bimodularen Triebwerk können wir den Mars in 30 Tagen erreichen. Darüber wurde auf einen Kongress in Moskau schon 2011 gesprochen.

Fakt, ohne die Kernenergie ist die weitere Eroberung und Besiedlung des Weltraumes nicht möglich. Wir brauchen schon auf den Mondbasen stationäre kleine Atomanlagen für Stromerzeugung als auch für SEP und Festkernantriebe. 

In der weiteren Zukunft mit neuartigen Antrieben z.B. mit einen Quantentriebwerk (wird geforscht), können wir ev. den Mars in 3-5 Tagen erreichen. Dazu ein Zitat aus einer russischen Publikation zu Leonow Triebwerk

Максимальная скорость космического аппарата с квантовым двигателем может достигать 1000 км/с против 18 км/с у ракеты. Но главное, имея длительный импульс тяги, аппарат с КД может двигаться с ускорением. Так, полет до Марса на космическом корабле нового поколения с квантовым двигателем в режиме ускорения ±1g составит всего 42 часа, причем с полной компенсацией невесомости, до Луны – 3,6 часа.
Наступает новая эра в космических технологиях
 

Hallo Jura,

was ist ein Quantentriebwerk?

Gruß,
Jens

@ Klakow

Raumfahrtingenieure haben dazu grundsätzlich andere Meinung als die Forenschreiber, wir müssen dabei den ganzen Flug mit einer erforderlichen und Notwendigen x Nutzlast betrachten und berechnen unter Einbeziehung aller erdenklicher Aspekte. Ich habe schon gepostet, mit einen Bimodularen Triebwerk können wir den Mars in 30 Tagen erreichen. Darüber wurde auf einen Kongress in Moskau schon 2011 gesprochen.

Fakt, ohne die Kernenergie ist die weitere Eroberung und Besiedlung des Weltraumes nicht möglich. Wir brauchen schon auf den Mondbasen stationäre kleine Atomanlagen für Stromerzeugung als auch für SEP und Festkernantriebe. 

In der weiteren Zukunft mit neuartigen Antrieben z.B. mit einen Quantentriebwerk (wird geforscht), können wir ev. den Mars in 3-5 Tagen erreichen. Dazu ein Zitat aus einer russischen Publikation zu Leonow Triebwerk

Tut mir leid, mein Russisch ist dicht bei NULL.

Ich gebe dir beim Mond und alle Zielen recht, die weiter von der Sonne als der Mars weg sind, oder wie beim Mond eine gebundene Rotation haben.
Für alle anderen Ziele aber auf keinen Fall, solange es nicht gelingt Konzepte zu reallisieren die nicht nur wenige % des Kernbrennstoffes nutzen, sondern über 95% (Stichwort LMSR mit Thoriumbrennstoff).
Die Kernfusion sehe ich leider noch nicht wirklich kommen.
Solarsysteme sind heute eigendlich schon sehr billig, in kristalliner Form liefern Sie locker über 20 Jahre Strom, sind Wartungsarm, Redundant wenn man sie richtig verschaltet und es gibt damit keinerlei Gefahren.
Es ist zwar nicht sehr effektiv (>=50%), aber man kann deren Energie in einem modifizierten Fischer-Tropsch Verfahren nutzen um aus CO² und Wasser,  viele verschiedene syntetische Öle herzustellen und dabei auch Sauerstoff herzustellen. Damit ha man sowohl einen lagerfähige Energieträger, wie auch den nötigen Sauerstoff.

Falls das mit einem Quantentriebwerk wirklich funktioniert (ich hoffe das sehr), stehen wir eh vor einer Revolution unserer gesamten Welt. Das wird dann sicher nicht beim Mars enden, es würde mich dann nicht wundern, wenn wir damit noch dieses Jahrhundert uns auf den Weg zu den nächsten Sternen machen.
In dem Fall wird natürlich eine andere Energiequelle als die Strahlung von der Sonne benötigt.
Mich würde es dann aber nicht wundern, wenn beim ersten Flug sowas ähnliches wie beim ersten Kontakt aus Star Trek passieren würde. Neben dem ganzen Kaos in der Welt, gibt es heute Entwicklungen die zumindest für eines Sorgen, eine Nachrichentenreiche Zeit.

Den Thread zu "NTREES" mit dem allg. Thread zur Nukleartechnik zusammengeführt.

@ Klakow

Raumfahrtingenieure haben dazu grundsätzlich andere Meinung als die Forenschreiber, wir müssen dabei den ganzen Flug mit einer erforderlichen und Notwendigen x Nutzlast betrachten und berechnen unter Einbeziehung aller erdenklicher Aspekte.

Hallo Jura,
wenn Du Klakow anscheinend zu den Forenschreibern zählst (erstens kenne ich ihn nicht, und zweitens sind wir alle Forenschreiber), inwieweit bist Du dann Raumfahrtingenieur ?  Studium, Berufserfahrung, oder was?
Ich denke daß allgemein Raumfahrtingenieure vielem von dem was hier geschrieben zustimmen können.

War auch nicht persönlich gemeint, war in Plural.

Nachteile von elektrischen Antrieben

Bei nüchternen Betrachtung habe alle System ihre Vor- als auch Nachteile, der Autraggeber muss letztendlich entscheiden. Zu TEM Analysen bei Mondtransporten und der ökonomischen Vorteile habe ich berichtet. Möchte nur gaz kurz auch auf die Nachteile von elektrischen Antrieben verweisen. Fakt:

1 - Elekrische Antriebe brauchen hoher Stromverbrauch bei kleinem Schub.
2 - Sehr hohe Gravitationverluste, geht auf Treibstoffverbrauch.
3 - Keine Möglichkeit von dynamischen Operationen um einen Objekt auszuweichen.
4 - Um nur 1m/s zu beschleunigen muss ein Triebwerk mit 0,2 N Schub etwa 130-135 Minuten arbeiten.
5 - Im Schatten der Planeten wo kein Licht fällt, gibt es auch keine Energie.

6 - Bei Versorgung der Monbasen erfogt der Flug in der Nähe der Hill-Sphäre. Flugdauer etwa 5-6 Monate, bedingt durch die ballistischen Eigenschaften mit niedriger v, wird der Raumschlepper nicht in die Mondumlaufbahn einschwenken.

7 - Knackpunkt hier ist der Schub, bedingt durch den Zusammenhang von v + Strom + Schub

8 - Wenn wir die Formel  c = w * 2L / S umsetzen (Leistung = Ausströmgeschwindigkeit*Schub/2* Wirkungsgrad), so brauchen wir für einen Schub von 1 N für 30000 m/s und einen Wirkungsgrad von 70% einen Stromverbrauch von über 21000 W.

9 - Wenn wir den Schub erhöhen so müssen wir die Leistung auch erhöhen, auch hier sind Grenzen die wir mathematisch berechnen können, ansonsten wird der Antrieb zu schwer für seine Aufgaben. 

10-Je nach Art der Antriebe haben wir auch hier enorme Materialbeanspruchung für die lange Brenndauer, hohe Ströme und der Funktionsdauer von 10-15 Jahren. Wir brauchen redundante Systeme für den hohen Stromverbrauch bei einer Marsreise.

Die Fertigstellung der russischen TEM wäre ein absolutes Novum in der Raumfahrt, aber auch hier sind physikalische Grenzen als auch technische und technologische Probleme (habe kurz berichtet). 

11-Aus den Berechnungen geht auch hervor, das eine hohe Geschwindigkeit mit einen hohen Schub nicht vereinbar ist.

Klakow

Falls das mit einem Quantentriebwerk wirklich funktioniert (ich hoffe das sehr), stehen wir eh vor einer Revolution unserer gesamten Welt
 

Ja, das kann ich nur zustimmen. Für mich aber in den nächsten 70-100 Jahren kaum machbar (wenn überhaupt). Auch Fakt, seit der V2 haben wir keine grosse Umwälzungen im Triebwerksbau für Trägerrakten mit seinen niedrigen ISP erlebt. Etwas mehr Hoffnug bringen ev. die Detonationstriebwerke, werden zur Zeit bei NPO Energomasch entwickelt, sind sehr klein, kompakt und billig. Der ISP bei Kerosin könnte 450- 500s beim Start betragen.

@Jura:
Hallo Jura, ich bin zwar "nur" Dipl. Ing. der Nachrichtentechnik, aber ein Kind der Apollozeit. Ich habe zumindest Apollo 8 als Neunjähriger Live gesehen. Das ich überhaupt studiert habe, liegt an Apollo.
Ich war und bin immer raumfahrbegestert gewesen.

Zu dem was du über elektrische Antriebe schreibst.
Alles was du darüber schreibst ist mir bekannt, allerdings gibt es hierzu zwei wichtige Dinge klarzustellen, die im zusammenhang stehen.
Ob diese Antriebe viel Leistung benötigen ist nicht relevant, ausschlaggebend ist hier vor allem die Massespezifische Leistung von Solarsystemen in kg/kW und das geht heute schon runter bis zu 4,5kg/kW und das bei einem System was für 3G ausgelegt ist.
Bei den eigendlichen Antrieben sehe ich mindestens ein System, DS4G, dass das Zeug hat hier zum Systemchanger zu werden, damit sollen bis zu 2,5N mit einem gerade mal 20cm durchmessendem Antrieb möglich sein.
Das System ist wie es aussieht sehr gut skallierbar. Ich halte es für machbar damit Systeme aus Solarflügeln und Antrieben herzustellen mit denen sich bei ca. 12t Masse einen Schub von über 1kN bei 50km/s ISP machbar ist.
Selbst die Gravitationsverluste sind damit nicht mehr so bedeutend. 
Da die Antriebe selber sehr leicht sind, könnte man die Kernkomponenten durchaus öfter austauschen.
Die Elektrik selber stellt heute kein Problem mehr dar, selbst Leistungen im Megawatbereich sind sehr leicht beherschbar, das ist alles stand der Technik.
Wie schon gesagt, für optimal würde ich einen Transport vom LEO  in eine hohe Umlaufbahn mit einem Feststoffkernreaktor ansehen, wenn auch nur für den Personentransport.

Dipl. Ing. der Nachrichtentechnik

Da sind wir ja schon zwei.

Klakow

Ob diese Antriebe viel Leistung benötigen ist nicht relevant, ausschlaggebend ist hier vor allem die Massespezifische Leistung von Solarsystemen in kg/kW und das geht heute schon runter bis zu 4,5kg/kW und das bei einem System was für 3G ausgelegt ist

Zunächst, bei allen Respekt, die Leistung unter Einbeziehung des Missionsprofil und der Nutzlast ist ausschlaggebend. Ein Transport von 300 Tonnen und 15MW ist mit DS4G zum Mars nicht möglich.

Auch mit VASIMR und 12-15MW sind nur bescheidene FLüge mit kleiner Nutzlast möglich, dabei dauert die Beschleunigung um die Erde 30 Tage, danach zum Mars noch 90 Tage ohne Abbremsung. Erst nach weiteren 130 Tagen kommt er auf die Marsumlaufbahn. Ja, wie berichtet, ist der Flugverlauf anders als mit chemischen Triebwerken (Der Flugverlauf wird an die Niedrige v optimiert).

Somit ist die Flugzeit mit chemischen Antrieben vergleichbar. Rekord hält aber Mariner 7, brauchte genau 131 Tage zum Mars. Für 30 Tage Flug sind mindestens 200/300 MW (etwa 1kg/KW) notwendig oder andere technologische Lösungen. Optimal wäre hier ein Bimodularer Antrieb mit einen sehr hohen Schub und Ausstömgeschwindigkeit.

Vor Jahren als RKK Energija seine atomare Antriebe präsentierte, war auch Jesco v. Putkkamer in Moskau dabei. Er sagte uns, das ein bemannter Marsflug der NASA von der Entwicklung der nukleare Triebwerke (Festkern) abhänig ist der um 2035 erfolgen könnte.

@Jura:
Ich hab sowas schon mal durchkalkuliert, siehe hier: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=12520.msg288314#msg288314
Derzeit gibt es allerdings fertig nur Systeme die 4,5kg/kW haben, aber diese sind zur Stromversorgung für Orion für Beschleunigungen bis 3G ausgelegt, ein Solararray für SEP Systeme müste aber nur 0,01G aushalten.
Weiterhin sind das faltbare Ausleger in Form von dreiecken, was auch sicher nicht Optimal ist.
Ob 1kW/kg heute schon machbar ist weis ich nicht, 0,5kW/kg aber sicher. Selbst dann kommen immer noch recht ordentliche Geschwindigkeitszunahmen pro Tag heraus.

@ Klakow

Fakt, ohne die Kernenergie ist die weitere Eroberung und Besiedlung des Weltraumes nicht möglich. Wir brauchen schon auf den Mondbasen stationäre kleine Atomanlagen für Stromerzeugung als auch für SEP und Festkernantriebe. 

Nützlich ist die Nuklearenergie in der zukunft schon, aber das sie zwingend Notwendig ist, sehe ich nicht.

Mit Solarzellen lässt sich der Strombedarf viel leichter decken, für Mondbasen ist es sogar noch einfacher, da Silizium zur Solarzellenproduktion unbegrenzt auf dem Mond vorhanden ist.

Für Solarzellen die zu den äußeren Planeten fliegen wird man auf einfache Konzentratorfolienspiegel setzen und dafür sorgen, dass die Zellen auch dort die gleiche Menge Licht erhalten wie hier

Mit Solarzellen lässt sich der Strombedarf viel leichter decken, für Mondbasen ist es sogar noch einfacher, da Silizium zur Solarzellenproduktion unbegrenzt auf dem Mond vorhanden ist.

Aber erst , wenn Du die komplette Fertigungsstraße dafür histellen kannst, mit allen Maschinen (Abbau, Aufbereitung, Reinigung, Höchstreinigung 99,999, Wafer- bzw. Aufdampfanlagen, Kontaktierung etc.) sowie Entsorgung von Schadstoffen. Und eine Menge anderer Dinge, wo Du auf der Erde einfach gedankenlos hingreifst, weil, sie sind ja sowieso da.
Und so ganz nebenbei kann es sein , daß aus Effizienzgründen andere Basismaterialien als Silizium verwendet werden. Es gibt mittlerweile eine Menge Alternativen.

holleser
Mit Solarzellen lässt sich der Strombedarf viel leichter decken, für Mondbasen ist es sogar noch einfacher, da Silizium zur Solarzellenproduktion unbegrenzt auf dem Mond vorhanden ist.
 

Ja, und auf dem Mond dauert eine Mondnacht 14 Tage.

Für Mond- und Marsbasen kommen kompakte nukleare Anlagen in Betracht an denen schon heute geforscht wird. Auch die Raumsonden Voyager, Galileo, Ulysses, Cassini oder New Horizons haben Radioisotopengeneratoren an Bord.  Mondsonde Chang’e-3 hat einen RTG an Bord, um auch während der etwa 14-tägigen Mondnacht weiterarbeiten zu können.

Zitat

holleser
Mit Solarzellen lässt sich der Strombedarf viel leichter decken, für Mondbasen ist es sogar noch einfacher, da Silizium zur Solarzellenproduktion unbegrenzt auf dem Mond vorhanden ist.
 

Ja, und auf dem Mond dauert eine Mondnacht 14 Tage.

Für Mond- und Marsbasen kommen kompakte nukleare Anlagen in Betracht an denen schon heute geforscht wird. Auch die Raumsonden Voyager, Galileo, Ulysses, Cassini oder New Horizons haben Radioisotopengeneratoren an Bord.  Mondsonde Chang’e-3 hat einen RTG an Bord, um auch während der etwa 14-tägigen Mondnacht weiterarbeiten zu können.

Die lange Mondnacht ist ein echtes Problem ohne nukleare Energiequelle. Isotopenbatterien reichen für eine bemannte Basis sicher nicht, auch wenn man die erzeugte Wärme voll nutzt, neben dem elektrischen Strom.

Es gibt aber im Bereich der Pole einige Gipfel, die praktisch immer im Sonnenlicht sind. Da ist auch das vermutete Wasser ganz in der Nähe. Ich habe aber keine Ahnung, ob es andere Gründe gibt, die dagegen sprechen, eine Basis dort einzurichten.

Auf dem Mars, mit seinem 24-Stunden Tag sieht es viel besser aus für Solarenergie.

Zum Einsatz kommen kompakte nukleare Anlagen von 250 und 500 KW, werden auch von RKK Energija als Mitentwickler bevorzugt.

Zum Einsatz kommen kompakte nukleare Anlagen von 250 und 500 KW, werden auch von RKK Energija als Mitentwickler bevorzugt.

Hallo,
gibt es da Angaben zur Masse?

Zitat von: Jura am 19. Januar 2015, 21:07:59

Zum Einsatz kommen kompakte nukleare Anlagen von 250 und 500 KW, werden auch von RKK Energija als Mitentwickler bevorzugt.

Hallo,
gibt es da Angaben zur Masse?

Zunächst, es sind Anlagen von 100 bis 500 KW geplant, darunter für  Mond- und Marsbasen als auch Energiequelle für kleine Raumschlepper und Satlliten mit elektrischen Antrieb. Nähere Angaben für die Öffentlichkeit wurden nicht publiziert.

Laut Lopota werden bei RKK Energija Untersuchungen durchgeführt für einen militärischen Satelliten mit etwa 150MW Leistung.

für 500kW ist aber auch nur eine überschaubare Solarzellenfläche nötig. Vom Gewicht her dürfte das den Reaktor wieder schlagen, zu dem Ja auch noch eine Abschirmung und Kühlflächen gehören. Es wird übrigens kein Hochreines Silizium benötigt. Polikristalienes Selizium ist sehr einfach herzustellen und könnte dabei auf Gestein vom Mond oder Asteroiden als Rohstoff zurückgreifen. 
Wenn hier von Größeren Mondbasen die Rede ist, könnte man auch die Solarzellen über den Gesamten Mondäquator verteilen. Somit würden immer 50% produzieren. Die Energieübertragung auf der Dunkelseite sollte einfach sein, da aufgrund der niedrigen Temoeraturen Supraleiter ohne zusätzliches Kühlmedium eingesetzt werden könnten.

Laut Lopota werden bei RKK Energija Untersuchungen durchgeführt für einen militärischen Satelliten mit etwa 150MW Leistung.

Wie bitte 150MW  .. wollen die SKID wieder beleben oder etwas in der art? Kann mir bitte Jemand erklären für was man Kurz- bis Mittelfristig 150 MW im Orbit braucht? 

@ LOXRP1

Ich muss mich aber korrigieren, die Leistung soll ab 150 bis 500 MW betragen. Dazu der Link, aber keine Details. Rein technisch ist das möglich, gut für komplexe millitärische Überwachung und Überlegenheit. Ob er kommt ??

In OKBM Afrikantov entwickeln auch den ersten kommerziellen Gaskernreaktor der Welt. Ja, die weitere Entwicklung ist vielversprechend auch für nukleare Antriebe. Schon vor Jahren hat NPO Energomasch ein Konzept von einen Antrieb mit etwa 150 MW bei einer Startmasse von 135 Tonn entwickelt. Für Marsflüge in 50-70 Jahren wäre sowas möglich. Bei der heutigen maschinellen Energieumwandlung sind natürlich grenzen gegeben.

http://energyfuture.ru/ochen-xoroshij-obzor-po-istorii-i-perspektivam-ispolzovaniya-yadernyx-energeticheskix-ustanovok-v-kosmose

Es wird hier abwechselnd von KW und MW dazwischen leigt en Faktor 1000.
100kW sind etwa 200m² Solarzellen. 500MW entspricht einem halben Atomreaktor eines Energieversorgers.

Redet ihr von thermischer Leistung oder elektrisch Leistung?
Dazwischen liegt selbst auf der Erde ein Faktor 4.
Bei einem Gewichtsoptimierten Prozess wird der Faktor hier wohl höher sein ist z.B. bei U-Booten so.