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RAUMFAHRTTECHNOLOGIE
Kraftwerke im All (2)
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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.
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