Dem ist so wie du sagst, nuklearthermische Triebwerke mit einem ISP bis 10km/s wären sehr viel besser den man könnte mit diesen einstufig ins LEO kommen, aber in der Blogosphäre ist das kaum zu verantworten. Im freien All natürlich schön nur kommt da der zweite Nachteil in die Quere, das dieser Antriebstype seinen ISP nur richtig gut mit Wasserstoff hat, nur der braucht riesige Tanks.
Ich bin darüber nicht glücklich, aber Spaltreaktors halte ich nur als Wärmequelle mit Stromgewinnung auf Planeten bis Asteroiden für sinnvoll, also da wo keine oder zu wenig Sonne hinkommt.. ihre miese spezifische Leistung ist als Antrieb da natürlich auch ein Problem.
Der Nachteil der geringen Dichte von Wasserstoff ist nicht so groß wenn man erstmal im Weltraum ist. Wobei es hier auch den Nachteil gibt das er nur sehr bedingt lagerfähig ist.
Man muss aber auch festhalten das sich nuklearthermische Triebwerke durchaus nicht nur mit Wasserstoff betreiben lassen. Vorgeschlagen wurde etwa auch Kohlendioxid. Damit erreicht man zwar keinen so hohen Isp aber immerhin einen der mit guten chemischen Triebwerken mithalten kann. Und CO2 ist etwa auf dem Mars im Überfluss verfügbar. Der Isp wäre auch gut genug für SSTO auf dem Mars- fallweise auch in widerverwendbarer Form.
Für das einstufige Starten in den LEO haben die meisten nuklearthermischen Triebwerke übrigens doch wieder eine zu geringe Leistungsdichte, nur wenige erreichen eine Schubkraft die deutlich größer als ihr Eigengewicht ist (das liegt unter anderem an der nötigen integrierten Abschirmung). Damit eignen sie sich allenfalls als Oberstufen. Wobei das eine interessante Option sein könnte: Eine widerverwendbare Unterstufe alla SpaceX in Kombination mit einer nuklearthermischen Oberstufe...? Die Nutzlast zu weit entfernten Zielen und hohen Orbits sollte man so deutlich steigern können.
Alternativ kann man auch ein Shuttle nutzen das im LEO aufgetankt werden kann. Hier sind aber wieder NEP oder SEP Systeme meist interessanter.
Die Umweltauswirkungen des Absturzes einer Rakete mit nuklearthermischem Triebwerk
nach dessen Zündung wären übrigens etwa vergleichbar mit einem kleineren atmosphärischen Kernwaffentest. Also zumindest nach den Maßstäben der 1960er durchaus zu verantworten wenn das über einem entlegenen Meeresgebiet passiert. Die radioaktiven Emissionen bei einem ordnungsgemäßen Start wären sehr gering. Auch ein Absturz bzw. eine Explosion der Rakete vor dem Zünden der nuklearen Stufe (kritischwerden des Reaktors) wäre bei geeigneter Konstruktion nicht problematischer als die Explosion einer normalen Rakete. Hochradioaktiv und entsprechend gefährlich sind ja nur die Spaltprodukte, nicht der Kernbrennstoff.
Allenfalls ein widerverwendbares Shuttle mit nuklearthermischem Triebwerk, welches nach einem Einsatz samt Reaktor wieder auf der Erde landen und ohne Tausch des Kernbrennstoffs erneut starten soll wäre hier sehr problematisch. Auch ein Einsatz von Plutonium als Kernbrennstoff wäre relativ problematisch. Auf dem Mond oder Mars wäre aber auch das vertretbar.
Was man auch noch sagen muss: Es gibt heute internationale Abkommen (vor allem die
United Nations treaties and principles on outer space) welche den Einsatz von Reaktoren in einer Umlaufbahn mit einem Perigäum von weniger als etwa 800km nur in Ausnahmefällen erlauben, es müsste unter anderem sichergestellt sein das der Reaktor auch bei einer Fehlfunktion in eine höhere Umlaufbahn zur "Endlagerung" geschossen werden kann. Vermutlich wird man daher in der Praxis in absehbarer Zukunft auf nuklearthermische Raketenoberstufen verzichten.
Aber dass jede bisschen schwerere Sonde zum Jupiter oder Saturn mind. 7 Jahre unterwegs ist - das find ich störend. Und da macht NEP absolut Sinn - und jedes Plus an ISP wirkt sich letztlich positiv aus. Wenn ich mehrere Jahre unterwegs bin, kann ich auch mal mehrere Monate beschleunigen. Jedes bisschen plus an ISP erlaubt mir, mit dem verfügbaren Treibstoff auch am Ziel noch operieren zu können.
Das stimmt- es stellt sich aber die Frage ob der Erforschung des äußeren Sonnensystems in den nächsten Jahren so viel Beachtung geschenkt wird das man bereit ist teure Sonden mit NEP für Flüge dort hin zu finanzieren...
Wobei man auch dazu sagen muss: NEP hätte nicht nur den Vorteil das man weiter entfernte Ziele schneller erreichen kann. Auch wenn man am Ziel angekommen ist könnte man dort besser manövrieren, etwa im Jupiter oder Saturnsystem alle Monde aus ihrem jeweiligen LEO unter die Lupe nehmen. Sogar eine Sample-Return Mission wäre möglich. Und speziell beim Missionen zu sehr weit entfernten Zielen (Uranus, Neptun, Kuipergürtel) fällt es so wesentlich leichter überhaupt in einen Orbit einzuschwenken (und nicht nur einmalig vorbei zu fliegen).
Viel elektrische Energie zur Verfügung zu haben hat auch weitere Vorteile. Man könnte etwa mit höherer Sendeleistung eine höhere Datenrate bei der Übertragung zur Erde erreichen. Man könnte auch leistungsstarke Radarsysteme nutzen um etwa die unter Wolken oder Eis verborgene Oberfläche diverser Himmelskörper besser zu untersuchen.
Für schnelle Erde - Mars Flüge mit viel Nutzlast machen thermische Triebwerke sicher mehr Sinn, weil ich ja nicht lange unterwegs bin und viel Schub brauche. Für Missionen weiter weg ist NEP mit dem viel höheren ISP aber sicher im Vorteil.
Ein Argument für NEP (oder SEP) bei Erde-Mars Flügen ist das man hier ein Shuttle einsetzen kann welches mehrfach zwischen LEO und Marsorbit hin- und her fliegen kann. Auf lange Sicht spart man so im Vergleich zu Einwegraumschiffen Geld wenn man über Jahre hinweg große Nutlasten zum Mars transportieren will. Ähnliches gilt auch für Mondflüge. Das setzt aber voraus das man wirklich über etliche Jahre hinweg eine Mond/Mars Basis aufbauen und betreiben und nicht nur ein Mal hinfliegen und eine Flagge in den Boden rammen will.
Ein wenig Salz muss sein. Wenn nukleare Reaktoren zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden
müssen sie gekühlt werden. Man muss die Wärme wieder los werden. Das ist das große Problem. Kleine Wärmemengen
aus nuklearen Zerfällen zu gewinnen ist gut erprobt und wird bei vielen Sonden im Thermalhaushalt eingesetzt.
Im niedrigen Wattbereich kann auch elektrische Energie zum Betrieb von Sonden gewonnen werden. Aber einen
nuklearen Antrieb - am Besten mit richtig Bums - für ein elektrisches Raumschiff zu bauen ist ein anderes Problem.
PDF Dokumente sind nett und von mir aus auch bunt. Aber mehr auch nicht.
Die Wärmeabfuhr ist bei Reaktorsystemen natürlich ein großes Problem. Bei Solaren Systemen hat man den Vorteil das die Solarpaneele ihre eigene Wärmesenke sind, die Verlustwärme strahlen sie über ihre große Oberfläche gleich wieder ab, eine aufwendigere Kühlung braucht man allenfalls nur bei Konzentrator-Solarsystemen welche sich wohl auch aus diesem Grund bisher nicht durchsetzen konnten.
Gegenwärtig übliche Radiatoren für die Kühlung von Raumfahrzeugen haben zum Teil eine Masse pro Fläche welche ähnlich groß ist wie die von gängigen Solarpaneelen. Vor allem bei sehr leistungsstarken Reaktorsystemen kann der Radiator die Leistung pro Masse begrenzen- bei kleineren Reaktoren alla Kilopower ist eher die Abschirmung die schwerste Komponente.
Um bei gegebener Radiatorfläche mehr Energie abführen zu können kann man eine hohe Temperatur nutzen, wie schon angesprochen ist die Wärmeabstrahlung pro Fläche ja proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur.
Die meisten Reaktorsysteme (und übrigens auch Radionuklidbatterien) arbeiten daher mit hohen Temperaturen, üblich sind etwa 350-450K für den Radiator. Um sinnvoll Energie gewinnen zu können muss der Reaktor selbst freilich mit einer noch weit höheren Temperatur arbeiten. Man muss hier auch immer einen Kompromiss zwischen niedrigerer Radiatortemperatur und höherem Wirkungsgrad (=kleinerer thermischer Reaktorleistung bei gegebenem elektrischen Leistungsbedarf aber höhere Radiatormasse) und höherer Radiatortemperatur und (=größere thermischer Reaktorleistung bei gegebenem elektrischen Leistungsbedarf aber kleinere Radiatormasse) eingehen. Ein Extrembeispiel sind hier die sowjetischen thermoionischen Reaktoren, die teilweise mit einer Radiatortemperatur von über 750K gearbeitet haben.
Allerdings gibt es fortschrittliche Radiator
konzepte welche es in Zukunft erlauben könnten deutlich leichtere Radiatoren zu bauen. Beispiele sind etwa Tröpfchenradiatoren, bei welchen ein Kühlmittel mit niedrigem Dampfdruck (z.B. Flüssigmetall) einfach in den Weltraum gesprüht und an anderer Stelle wieder aufgefangen wird.
Mit Gas oder einem Aerosol als Kühlmittel arbeitende Radiatoren könnten sich auch als sehr leichte Folienstruktur realisieren lassen.
Dahinter muss (wird) auch der Umweltaspekt berücksichtigt und abgewogen werden. Für einen Demonstrator wird es schwierig die Risiken zu akzeptieren.
Wenn man einen Reaktor hat der
a) erst in einer stabilen, ausreichend hohen Umlaufbahn kritisch wird
b) So konstruiert ist das er bei einem Absturz (vor allem auch ins Meer) nicht unkontrolliert kritisch wird
Dann gibt es kaum Sicherheits- bzw. Umweltrisiken. Das gilt im Wesentlichen unabhängig von der Reaktorleistung und auch für nuklearthermische Triebwerke. Beides lässt sich relativ einfach sicherstellen und ist für viele Anwendungen keine problematische Einschränkung.
Der letzte Satz ist bestechend. Auch wenn das hier bisher wohl auch nur auf Papier existiert. Meiner meinung nach ist das Problem des nuklearen Reaktors oder auch eines entsprechenden elektrischen Triebwerkes wie VASIMR immer ein Henne-Ei Problem. Ohne das eine braucht man das andere nicht.
Na ja leistungsstarke elektrische Triebwerke werden auch ohne verfügbare Reaktoren zunehmend weiterentwickelt, das liegt vor allem auch daran das SEP für kommerzielle geostationäre Satelliten immer interessanter wird. Elektrische Triebwerke von wenigen Kilowatt auf einige zehn oder hundert Kilowatt hoch zu skalieren ist nicht sooo schwierig. Es gibt zahlreiche Labormodelle von elektrischen Triebwerken mit über 100kW.
Schön, dass du das ansprichst. Es braucht eine großdimmensionierte Mission für den Einsatz der Nukleartechnik.
Kommt darauf an. Ein kleiner einfacher Reaktor wie
Kilopower kann fallweise sogar eine kostengünstigere Alternative zu Radionuklidbatterien sein. Da braucht man nicht unbedingt eine sehr große Demomission.
Bei den größeren Reaktoren und vor allem leistungsstarken NEP Systemen stimmt es aber im Wesentlichen schon.
