RAUMFAHRTTECHNOLOGIE
Kraftwerke im All (2)

Zurück zum 1. Teil: Woher Voyager, Ulysses und die ISS ihre Energie beziehen

Der erste Versuch mit einem elektrischen Antrieb wurde 1998 durchgeführt. Deep Space 1 - eine Sonde die viele neue Technologien prüfte, bevor sie 2001 am Kometen Borrelly vorbei flog. DS1 benötigte 2,5 kW elektrischer Leistung für den elektrischen Ionenantrieb und die anderen Bordsysteme. Die Energie kam von einem innovativen Kollektor, der aus modernsten Solarzellen und Linsen bestand, die das Sonnenlicht auf die Zellen konzentrierten. Damit wurden 23% des Sonnenlichts in elektrische Energie transformiert. Die Solarzellen der ISS setzten dagegen nur 14% um.

Ionentriebwerk. Foto: JPL / NASA

Aufbauend auf dem Erfolg von Deep Space 1, wird 2006 eine neue Mission - Dawn (auf Deutsch Morgendämmerung) - die Erde verlassen. Angetrieben von einer Ionen-Maschine wird Dawn zu den Planetoiden Ceres und Vesta fliegen. Obwohl die Zielobjekte von der Sonne weiter entfernt sind als der Planet Mars, wird die Sonde ihre ganze benötigte Energie aus den Sonnenzellen beziehen, die eine Leistung von 7,5 kW erzeugen sollen.

Bemannte Missionen brauchen noch mehr Energie: "Für den nächsten Schritt einer (bemannten) Marsmission", sagt Jeff George, "braucht man 5 bis 10 Megawatt nuklearer Energie und die elektrischen Antriebe müssen einige Megawatt an Leistung erbringen". Eine Steigerung von Kilowatt auf Megawatt, ist keine einfache Angelegenheit. Die NASA arbeitet zur Zeit an Ionen-Triebwerken der nächsten Generation, die 5 bis 10 kW Leistung erbringen. George stellt sich kleine, nuklear-elektrische Fahrzeuge mit 100 bis 200 kW vor, die in einem Pilotversuch die äußeren Planeten erkunden.

Um Antriebe mit Leistungen im Megawatt-Bereich zu betreiben, braucht man eine Quelle mit hoher Energie und Leistung. John Cole, Manager des Projektbüros zur Erforschung revolutionärer Antriebe erklärt: "Die Energie ist der wichtigste Faktor, aber die Leistung, die Energie die in einer gewissen Zeit freigesetzt wird, bestimmt den Schub". Aber welche Quelle ist dafür geeignet? "Aus Kernergie könnte man eine große Menge Energie beziehen und möglicherweise eine entsprechend große Leistung", stellt Cole fest. "Solarzellen liefern nur unzureichend Energie für das ganze Raumfahrtzeug, um es auf genügend hohe Geschwindigkeiten für eine kurze Reisezeit zu beschleunigen".

Nukleare Energiequellen, wie sie die Voyager-Sonden mitführen, geben eine ganze Menge Energie über einen langen Zeitraum ab, aber keine hohe Leistung, nur einige 10 bis einige hundert Watt. "Um Leistungen im Kilowatt- oder Megawatt-Bereich zu erreichen, muss man die Kernspaltung ausnutzen", meint Les Johnson vom Advanced Space Transport Programm der NASA. Bei der Kernspaltung dringt ein Neutron in einen Atomkern ein, der darauf hin in zwei radioaktive Isotope, leichtere oder schwerere Abarten eines Element, zerfällt. Dieser Vorgang wird auf der Erde in Kernkraftwerken zur Energieerzeugung verwendet. "Wenn man einen Kernreaktor auf einem Raumschiff mitführen würde, bedeutet dies, dass man sein eigenes (kleines) Kraftwerk dabei hätte", erläutert Johnson. Mit einem Kernreaktor könnte man einen wirkungsvollen elektrischen Antrieb außerhalb des inneren Sonnensystems betreiben. Man könnte ihn länger betreiben and man hätte mehr Leistung für ausgeklügelte wissenschaftliche Untersuchungen, schnellen Datenübertragungen und komplizierten Flugmanövern.

Die Kernspaltung bietet somit viele der gewünschten Eigenschaften, aber dennoch besteht sie nicht John Coles Test. Er stellt die Bedingung, dass man Menschen innerhalb eines Jahres zu den äußeren Planeten bringen kann und wieder zurück. Die Kernspaltung verfügt zwar über genügend Energie, aber nicht genügend Leistung, um die notwendige Beschleunigung für das Raumfahrtzeug aufzubringen. Die NASA plant eine Flugsystem mit einem Kernreaktor, der eine Leistung von 300 kW erzeugen soll. Aber um Coles Test zu bestehen benötigt man eine große spezifische Leistung, also Leistung pro Masse des Raumfahrtzeug, die 3 Größenordnungen über der liegt, die gegenwärtig für Antriebe durch Kernspaltung geplant sind. Dazu muss man die Kernfusion ausnutzen - den selben Prozess, der die Sonne und die Sterne mit Energie versorgt.

Bei der Fusion wird Energie frei, wenn Atomkerne miteinander verschmelzen, anstatt gespalten zu werden. Prinzipiell könnte man damit Leistungen im Gigawatt-Bereich - 1000 mal 1 Megawatt - erreichen. Aber Fusionstriebwerke, so wie man sich heute vorstellen kann, wären sehr groß. Man bräuchte Raumfahrtzeuge so groß wie eine Raumstation, einige hundert Tonnen schwer. Aber vielleicht gelingt es der Forschung in Zukunft kleinere Fahrzeuge zu entwickeln. Und Fusionstriebwerke wären sehr effektiv. "Obwohl wir in 10 Jahren noch nicht dazu in der Lage sein werden, aber wenn wir dann eine Rakete mit einem Fusionstriebwerk starten würden, könnten wir Voyager einfangen und zurück bringen", erklärt Cole. Diese Leistung und Geschwindigkeit verkürzt die Zeit, in der Astronauten der gefährlichen kosmischen Strahlung ausgesetzt wären. Ebenso würde weniger Knochensubstanz abgebaut werden, weil die Aufenthaltsdauer in der Schwerelosigkeit kürzer wäre.

Aber vielleicht gibt es noch etwas besseres als die Kernfusion: ein Triebwerk, das durch die gegenseitige Vernichtung von Materie und Antimaterie angetrieben wird. Das Ganze klingt wie Science Fiction, aber im Labor lernen zur Zeit Wissenschaftler kleine Mengen Antimaterie zu erzeugen und zu speichern. An der Penn State University ist man in der Lage 10 Milliarden Antiprotonen in einer transportablen elektromagnetischen Falle aufzubewahren. Wenn wir lernen, wie man Antimaterie sicher verwendet, könnte man etwas Antimaterie mit einem dünnen Wasserstoffstrahl reagieren lassen, um den notwendigen Schub zu erzeugen. Alternativ dazu kann man Antimaterie dazu verwenden, die notwendige Reaktionstemperatur in einem Fusionsreaktor zu senken. "Antrieb ist nicht der einzige Grund, Kernkräfte einzusetzen", bemerkt Colleen Hartman, Direktor für die Erkundung des Sonnensystem bei der NASA. "Die Bordsysteme profitieren ebenfalls davon. Der Energiezuwachs bedeutet in etwa, dass man eine hell erleuchtete Prachtstraße bekommt anstatt eine einzelne Glühbirne. Man hat mehr Flexibilität bei der Kommunikation und der Mission".

Der Mars Smart Lander und das mobile Labor (Mobile Laboratory), die etwa 2009 auf ihre Reise zum Nachbarplaneten Mars geschickt werden sollen, werden mit Kernenergie versorgt werden: "Indem wir an Bord Kernenergie verwenden, können wir die Missionsdauer von 3 - 6 Monaten (mit Solarzellen) auf bis zu 5 Jahren (mit Energie aus Radioisotopen) verlängern", erwartet Ed Weiler von der NASA. "Damit kann das Geländefahrzeug zu einer Stelle fahren, anstatt dort landen zu müssen. Mehr Daten können übertragen werden und das Fahrzeug kann 24 Stunden am Tag arbeiten. Verwendet man eine radioaktive Energiequelle kann alles 10 mal besser verwendet werden".

"Rechnet man vom Mars Lander auf eine bemannte Mission hoch, benötigt man noch mehr Leistung - etwa 30 kW um den menschlichen Lebensraum zu heizen oder zu kühlen, Computer und Lampen zu versorgen, Sauerstoff herzustellen, Wasser wieder aufzubereiten und das Geländefahrzeug wieder aufzuladen", fügt Jeff George hinzu. "Für eine lange Mission haben wir keine Energiereserven, um (bei Problemen) schnell nach Hause zu kommen", fügt Gary Martin hinzu, stellvertretender Abteilungsleiter im Büro für Raumfahrt bei der NASA. "Man muss Dinge bauen, die im höchsten Grad verlässlich sind, sich selbst heilen können und selbst erkennen, wenn sie beschädigt sind". Zerbrochene Teile müssen vor Ort repariert werden: man kann keine Reserveteile mitnehmen. Für energiereiche Prozesse, um Teile oder Treibstoff herzustellen, damit man den Mars wieder verlassen kann, braucht man laut George weitere 60 kW.

Letztlich kommt man mit einer Energiequelle nicht aus. Schaut man sich die Gesamtheit der Probleme an, so benötigt man einen sehr effektiven elektrischen Antrieb hoher Leistung für den interplanetaren Flug. Zusätzlich sind chemische Triebwerke notwendig, um auf einem Planeten zu landen und zu starten und chemische Energie oder Sonnenenergie muss für den Aufenthalt auf der Oberfläche gespeichert werden. Roboter können die Energie aus radioaktiven Zerfallen nutzen. Die Frage eines Kraftwerks und der drahtlosen Energieübertragung muss auch bedacht werden.

Es gibt viele Möglichkeiten, aber eines ist jetzt schon klar: wohin der Mensch im Weltall auch geht und was immer er dort tut, er braucht mehr Energie.

Deep Space 1, Seite der NASA Space Nuclear Power Systems