Nukleartechnik für die Raumfahrt

Neuer thermischer Nuklearantrieb (CNTR) könnte die Reisezeit zum Mars halbieren, wobei flüssiges Uran eingesetzt wird, dass durch hohe Zentrifugalrotation (7500 RPM) an der Außenseite des Reaktorzylinders gehalten wird und in der Mitte das H2-Gas erhitzt und für den Antrieb sorgt.
Ist natürlich erstmal nur eine Idee eines Forschungslabors, bei der es noch viele Herausforderungen zu lösen gilt.

https://scienceblog.com/new-nuclear-rocket-could-cut-mars-travel-time-in-half/

"Neu" ist die Idee des CNTR nicht wirklich, das Konzept taucht 1951 schon auf und NASA hat eine konzeptionelle Designstudie dazu 1960 gemacht (https://ntrs.nasa.gov/citations/19650026954).
Die neue Studie die dem Scienceblog Beitrag zugrunde liegt (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576525002838?via%3Dihub) scheint das Konzept aus einem modernen Blickwinkel nochmal neu aufzugreifen, aber sie stellen größtenteils die selben technischen Herausforderungen fest.

Das Konzept hat (noch mehr als andere Nuklearantriebskonzepte) das Problem der Eindämmung des Kernbrennstoffs. Das sollte offensichtlich sein sobald man hört, dass das flüssige(!) Uran vom Wasserstoff durchblubbert wird und dann aus der Düse am Ende entweicht.

Generell kann ich jedem der an Nuklearantrieben in der Raumfahrt interessiert ist die Webseite projectrho.com wärmstens empfehlen, diese ist allerdings auf englisch und anfangs nicht unbedingt leicht zu manövrieren. Dort werden alle erdenklichen Antriebe sehr ausführlich und mit vielen Quellen hinterlegt beschrieben.
Der Beitrag zum Zentrifugalen thermischen Nuklearantriebs ist hier: https://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#id--Nuclear_Thermal--Liquid_Core--Centrifugal_NTR

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⚛️ Nuklearantrieb als Schlüsseltechnologie

Ein besonders bedeutender Schritt ist laut NASA die Weiterentwicklung nuklearer Antriebssysteme. Nach Jahrzehnten der Forschung kündigt die Behörde an, diese Technologie nun tatsächlich im All einzusetzen.

Geplant ist der Start der Mission „Space Reactor-1 Freedom“ bis spätestens 2028. Dabei handelt es sich um das erste nuklearbetriebene interplanetare Raumfahrzeug. Die NASA erklärt, dass diese Technologie einen deutlich effizienteren Transport großer Massen im All ermöglicht und insbesondere für Missionen in große Entfernungen – etwa jenseits des Jupiters – entscheidend ist.

Nach seiner Ankunft am Mars soll das Raumfahrzeug mehrere kleine Helikopter einsetzen, die auf der Technologie des Ingenuity-Demonstrators basieren. Gleichzeitig dient die Mission dazu, nukleare Systeme unter realen Bedingungen zu erproben und die Grundlage für zukünftige Langzeitmissionen im Sonnensystem zu schaffen.

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Immer und immer wieder wurde die Kontaminationsproblematik als Argument gegen Nuklearantriebe aufgefuehrt -- international und auch hier in diesem Forum.

Anscheinend koennte eine 180grad Wende  im Mindset stattgefunden haben: Ueber die Ursachen und Beweggruende bin ich sehr gespannt. Bislang setzt keine Raumfahrtnation diese Technologie auch nur im Labormassstab ein -- Stichwort: Tabubruch.

Dabei geht es aber um Nuclear electric propulsion in dieser Mission, nicht um eine Technologie in der direkt radioaktives Material ausgestoßen wird. Nicht etwa die Verwendung wie es z.b. Nerva vorsah. Es gibt natürlich immernoch das Risiko, dass nukleares Material austreten kann, bei einem Unfall etwa, aber es ist nicht teil des Designs.

Dabei geht es aber um Nuclear electric propulsion in dieser Mission, nicht um eine Technologie in der direkt radioaktives Material ausgestoßen wird. Nicht etwa die Verwendung wie es z.b. Nerva vorsah. Es gibt natürlich immernoch das Risiko, dass nukleares Material austreten kann, bei einem Unfall etwa, aber es ist nicht teil des Designs.

Unfallmoeglichkeiten:
1.) Fehlstart: da hat der Reaktor noch nicht "gezuendet" ---> keine Spaltprodukte (U/Pu ist eher harmlos in der globalen Verduennung)
2.) ungewollter Deorbit ----> Spaltprodukte reichlich vorhanden  (koennte bei potentiell belebten Himmelskoerpern -- wie Mars, Europa, Encelladus, Titan -- ein schwerwiegendes ethisches Problem sein)

btw.: Sehe ich das richtig: "Nuclear electric propulsion" = Nukleare Stromerzeugung und mit dem dadurch gewonnenem Strom dann Arcjet Propulsion oder Ionenantrieb?

btw.: Sehe ich das richtig: "Nuclear electric propulsion" = Nukleare Stromerzeugung und mit dem dadurch gewonnenem Strom dann Arcjet Propulsion oder Ionenantrieb?

Ja, laut NASA:
Das Raumschiff nutzt einen etwa 20–25 Kilowatt starken Kernreaktor, der mit angereichertem Uran (High-Assay Low-Enriched Uranium und Uranium Dioxide) betrieben wird.

Die Energie des Reaktors wird dann für den Antrieb und die Stromversorgung genutzt, allerdings ist die NASA so begeistert davon endlich einen Kernreaktor im Weltraum zu nutzen das nirgendwo steht welcher Antrieb damit betrieben werden soll (zumindest nicht für die Suchmaschinen auffindbar...).

Ionenantrieb wird doch eher zu schubschwach sein für das ganze Vehikel, oder? Ich würde ja auf ein TLB (thermisches Lichtbogentriebwerk vlg. Arcjet propulsion) tippen oder sind die MPD-Antriebe schon so weit entwickelt das man sie zu einem Marsflug hernimmt bzw. die brauchen doch auch deutlich mehr als die oben erwähnten 20kW? Der VASIMR z.B. braucht eher was im MW Bereich wenn ich das richtig im Kopf hab.

Rocketroll: Studie zu einem nuklarelektrisch angetriebenen Raumfahrzeug

Die Ergebnisse einer von der ESA in Auftrag gegebenen Studie zu einem nuklear-elektrisch angetriebenen Raumfahrzeug liegen nun vor. Ein breites Spektrum an Experten aus allen Fachbereichen, die sich in drei Konsortien zusammengeschlossen hatten, legte Berichte mit ihren jeweiligen Konstruktionsansätzen vor: Tractebel, CNRS und OHB Czech Space. Dabei wurden alle Aspekte berücksichtigt, von der Sicherheit über das Bodensegment bis hin zum Betrieb und den technologischen Anforderungen.
Eine Pressemitteilung der Europäischen Weltraumagentur ESA.


Künstlerische Darstellung eines atomgetriebenen Raumschiffs in der Nähe von Ceres
Credit: ESA; Licence: ESA Standard Licence

Weiter in der Pressemitteilung der ESA im Portal  =>  Link zum Portalartikel

Viele Grüße, die Redaktionsmitglieder

Hallo zusammen und vielen Dank für die tollen Artikel.

Was mir immer wieder auffällt ist das der Reaktor weit vorne aber in der Flugbahn liegt. Warum? Warum baut man nicht das Raumfahrzeug/Sonde so?
Antrieb-Mast-Reaktor-Mast-Instrumente/Menschen (Irgendwann).

VG Carlo

Hallo zusammen und vielen Dank für die tollen Artikel.

Was mir immer wieder auffällt ist das der Reaktor weit vorne aber in der Flugbahn liegt. Warum? Warum baut man nicht das Raumfahrzeug/Sonde so?
Antrieb-Mast-Reaktor-Mast-Instrumente/Menschen (Irgendwann).

VG Carlo

So wie ich es verstanden habe, ist der Reaktor immer möglichst weit weg vom sonstigen Equipment, insbesondere der elektronischen Bauteile. Auch wenn ein Schutzschild hinter dem Reaktor gebaut wird gibt es immer noch eine erhöhte Strahlung...

Was mir immer wieder auffällt ist das der Reaktor weit vorne aber in der Flugbahn liegt. Warum? Warum baut man nicht das Raumfahrzeug/Sonde so? Antrieb-Mast-Reaktor-Mast-Instrumente/Menschen (Irgendwann).

Man muss immer viele Aspekte berücksichtigen
- Masseschwerpunkt: Ein Reaktor ist schwer. Er verändert also den Masseschwerpunkt stark. Je weiter weg z.B. Steuerdüsen vom Masseschwerpunkt entfernt sind, desto besser ("Langer Hebelarm" gilt auch hier)
- Abschirmung der Strahlung: Ein Reaktor in der Mitte ist schlecht, ihn müsste man in zwei Richtungen abschirmen.
- Wärmemanagement: Ein Reaktor erzeugt wärem, die abgestraht werden muss. Hier sollten möglichst keine Messunstrumente in der Nähe sein
- Wartung: Das dürfte vermutlich eher für die Herstellung gelten, aber zwischen Herstellung und Start finden Wartungen statt. Das muss auch mit berücksichtigt werden.
- Notfallmanagemement: Ein Atomreaktor wird i.d.R. überkritisch betrieben. Auch wenn die statistische Wahrscheinlichkeit für einen Unfall für einen einzelnen Reaktor in den erstn Betriebsjahren so gering ist, dass man das z.B. Wort "Sicher" verwendet, besteht eine statistische Gefahr eines Unfalls. In diesem Fall wäre es ggf. auch sinnvoll, den Reaktor abtrennen/abstoßen zu können.


Fazit: In Summe scheint es wohl besser zu sein, den Reaktor so weit weg wie möglich von allem zu haben.

Das hat auch schon Stanley Kubrick bei der Discovery One so gesehen (hab Clarke nicht gelesen, weiss also nicht ob dort das Schiff genau so beschrieben wurde).
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Discovery_One_model_from_2001_-_A_Space_Odyssey_-_montage_on_black_background.jpg

Alles klar und vernünftig, aber wieso vorne und damit so weit weg von den Triebwerken?

Alles klar und vernünftig, aber wieso vorne und damit so weit weg von den Triebwerken?

das scheint Hugo schon gut begründet zu haben:
"- Masseschwerpunkt: Ein Reaktor ist schwer. Er verändert also den Masseschwerpunkt stark. Je weiter weg z.B. Steuerdüsen vom Masseschwerpunkt entfernt sind, desto besser ("Langer Hebelarm" gilt auch hier)"

Zusatzfrage:
Der Reaktor dient ja "nur" als Energiequelle: entweder zur Ionisation schwerer Gase oder zur direkten beschleunigung leichter Gase. Wahrscheinlich müssten immer große Mengen dieser Gase mitgeführt werden, um den Antrieb lange "feuern" lassen zu können. Wo sind die dafür nötigen großen Tanks? Oder sehe ich was nicht, was ihr schon seht??? Es wird ja wohl nicht das interplanetare Gas eingesammelt und ionisiert werden...

Ich spreche hier nicht von "Steuerdüsen" sondern vom primären Antrieb.
Und die Wohnmodule haben sicher auch eine erhebliche Masse.

Jeder heute, morgen, oder demnächst realisierbare elektrische Antrieb mit Atomstromversorgung benötigt irgend eine Art von sg. Stützmasse, die beschleunigt und ausgestoßen werden kann. Das gilt für Lageregelunsgtriebwerke ebenso wie für einen Hauptantrieb. Auch wenn bei den Darstellungen Tanks nicht explizit zu sehen oder erkennbar sind. Einige Darstellungen sind vllt. auch eher künstlerische, die nicht ein tatsächliche künftiges Raumfahzeug wiedergeben,

Bei bisherigen Comsats und Raumsonden mit elektrischen Triebwerken sieht man i.d.R. keine außenliegenden Tanks. Die Tanks sind intern verbaut und recht klein in Bezug auf die Ausmaße des Gesamtgeräts.

MfG

Alles klar und vernünftig, aber wieso vorne und damit so weit weg von den Triebwerken?

Bei den Triebwerken gibt es nur schlechte Positionen:
- Vor den Triebwerken: Dann ist der Reakor wieder in der Mitte
- Hinter den Triebwerken: Das ist unlogisch
- Neben den Triebwerken: Da passt der Masseschwerpunkt nicht mehr.

Und ich stelle mal die Gegenfrage: Warum sollte der Reaktor bei den Triebwerken sein? Dafür gibt es es keine technische Notwendigkeit. Strom kann durch Kabel fließen.

Irgendwie amüsant finde ich ja die spitz zulaufende vordere Form des Vehicels. Also direkt schon stromlinienförmig. Das braucht man natürlich schon dringend. 
Schon klar das es "nur" ein Phantasiebild ist. Aber auch in einem Solchen könnte man zu der Einsicht kommen, das es warscheinlich einfacher sein wird, wenn man alle Radiatoren gleich lang baut.
So spitz zulaufend ist warscheinlich eine optische Vorliebe von uns. Möglichst spitz... Da war doch auch was mit Starship. 

Ernstgenommen könnte es auch der simplen Tatsache geschuldet sein, dass das ganze ja für den Start von der Erde irgendwie unter einer üblicher Weise spitz zulaufenden Nutzlastverkleidung unterbringbar sein muss, und auch in einem stowed Modus ist weiter oben "nur" Platz für kürzere Radiatoren ...

Außerdem ist die Temperatur des Kühlmittels direkt hinter der Wärmequelle am höchsten. Für eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung an den Radiatoren kann man diese dann kleiner machen.

Die von der ESA verlinkten Studien sind 10-15 Seiten Zusammenfassungen, also sehr grundsätzlich allgemein.

Bei der EUCASS fand ich diese Schemabild:


Quelle: https://www.eucass.eu/component/docindexer/?task=download&id=7346
und https://www.eucass.eu/component/docindexer/?task=download&id=7610

Noch ein Argument für die "angespitzte" Form der Radiatoren: der hinter dem Reaktor befindliche kegelförmige Radiation Shield; die ersten Radiatoren sind kürzer, damit sie nicht aus dem "Schattenkegel" des Radiation Shield herausragen und der vollen Strahlung des Reaktors ausgesetzt sind

..

..

Da sind sie ja, die Tanks.

MfG

O.k. Ich akzeptiere, es gibt auch Gründe für eine angespitzte Form. Die Antworten waren eh durchaus interessant.

Und das schöne Bild, danke @ tomtom, erklärt auch, warum der Reaktor vorne ist: Damit man ihn nicht komplett mit einem Schild ummanteln muss, sondern nur nach hinten, zum Rest des Raumschiffs hin.

Als Strahlungsschild braucht man hier eine Kombination von sehr leichtem Material (zB Lithiumhydrid LiH), um schnelle Neutronen zu bremsen, und High-Z-Material (Schwermetall wie Wolfram bzw Densimet) gegen die Gammastrahlung - dürfte ganz schön massiv werden...