Rocketroll: Studie zu einem nuklear-elektrischen Raumfahrzeug

Während sich die Menschheit darauf vorbereitet, mit größeren Nutzlasten und höheren Anforderungen immer weiter von unserer Sonne entfernte Regionen des Weltraums zu erforschen, stößt unsere derzeitige Weltraumtechnologie schnell an ihre Grenzen. Ein nuklear-elektrischer Antrieb könnte dafür effizienter sein als ein Antrieb der durch Energie aus Solarzellen oder mit herkömmlichen Treibstoffen gespeist wird.

 

Die „Rocketroll"-Studie (eine lose Abkürzung, die Buchstaben aus dem Ausdruck „pReliminary eurOpean reCKon on nuclEar elecTric pROpuLsion for space appLications" entnimmt) beauftragte drei Konsortien, einen europäischen Ansatz für nuklear-elektrische Antriebe zu untersuchen. Die Studie ähnelt der Alumni-Studie, konzentriert sich jedoch auf einen elektrischen Antrieb anstelle eines nuklear-thermischen Antriebs. Bei der nuklear-elektrischen Energieerzeugung werden kontrollierte Kernspaltungen zur Stromerzeugung genutzt.

Die Rocketroll-Studie wurde durchgeführt, da einige Weltraummissionen einen hohen Energiebedarf haben, der nur mit Kernenergie gedeckt werden kann. Dazu gehören beispielsweise Missionen zu den äußeren Planeten unseres Sonnensystems oder Missionen zur Mondoberfläche, die die 14-tägige Mondnacht überstehen müssen. Die Rocketroll-Entwürfe könnten elektrische Leistung im Bereich von Hunderten von Kilowatt liefern, was zur europäischen Schwerlastrakete Ariane 6 passen würde, bis hin zu einigen Megawatt, die mit Raketen der nächsten Generation gestartet werden könnten.

Drei Konsortien, drei Entwürfe

Drei Teams untersuchten die nuklear-elektrischen Designs und legten ihre Lösungen in drei Berichten vor; die Kurzfassungen sind öffentlich zugänglich und unten verlinkt.

Tractebel legte den Schwerpunkt auf den Einsatz von angereichertem Uran, CNRS wählte einen Salzschmelzenreaktor und OHB Czech Space schlug ein größeres Raumfahrzeug vor.

Neuer Fokus, neue Möglichkeiten

„Die Studien zeigen deutlich, was möglich ist und wie gut sich das alles in die langfristige Strategie 2040 der ESA einfügt", erklärt Valère Girardin, ESA-Programmmanager für die Studie. „Wir verstehen nun besser, welche Technologien noch fehlen und worauf wir uns bei Forschung und Entwicklung konzentrieren müssen."

Alle Studien kommen zum Schluss, dass der Einsatz von Nuklearantrieben neue Wege für die Erforschung des Weltraums eröffnet: Es gibt Ziele oder Missionen, die mit herkömmlichen Raumfahrzeugantrieben schlichtweg unerreichbar sind.

Die Sicherheit ist gewährleistet: Alle Entwürfe basieren auf nicht-reaktivem Uran, das erst im Orbit aktiviert wird. Selbst bei einer Explosion der Trägerrakete, einer Wasserung im Ozean oder einem anderen Fehlstart würde keine gesundheitsgefährdende Strahlung entstehen. Die Kettenreaktion wird erst ausgelöst, wenn das Raumfahrzeug sicher im Orbit ist – bis dahin bleibt das Uran inert.

Der Wendepunkt für Raumfahrzeugkonstruktionen liegt bei einer Leistung von etwa 100 kW: Unterhalb dieser Leistungsgrenze ist ein solar-elektrisches Antriebssystem mit Solarpaneelen für die meisten Anwendungen ideal, oberhalb davon ist ein nuklear-elektrisches Design überlegen. Alle Konsortien sehen zwei Starts vor: einen mit der Nutzlast und einen mit dem Raumfahrzeug, die in der Erdumlaufbahn aneinander-docken und gemeinsam die Reise in den Weltraum fortsetzen würden.

„Diese Studien sind ein Ausgangspunkt für zukünftige nuklear-betriebene Missionen der europäischen Raumfahrt ", fasst Girardin zusammen, „die benötigten Technologien passen gut zu den industriellen Kapazitäten der ESA-Mitgliedstaaten, und der politische Wille gewinnt an Fahrt; wir haben nun ein klareres Ziel, auf das wir hinarbeiten können."

Die nächsten Schritte bestehen darin, das Wissen und die Erfahrung mit den vorgeschlagenen Lösungen zu erweitern: dem Kernreaktor, dem Strahlenschild, dem Energieumwandlungssystem, dem thermischen Heiz- und Kühlsystem sowie den elektrischen Triebwerken selbst. Die ESA hat dafür eine Arbeitsgruppe für nukleare Weltraumantriebe gebildet, die die Konstruktion und den Bau von Hardware im verkleinerten Maßstab sowie Tests in Laboren beaufsichtigen wird.