Sind nuklearbetriebene Motoren der richtige Weg für die Weltraumforschung?

Das Problem bei der Verwendung von Kernspaltungsreaktoren als Antriebsmittel für Raumfahrzeuge ist zweierlei: unsere eigene Abneigung gegen alles Nukleare aufgrund von Umweltgefahren und das Problem der Reaktionsmasse, die immer noch besteht, unabhängig von der Langlebigkeit Ihrer Energiequelle und der Leistungsdichte pro ihrer eigenen Masse. Lassen Sie uns diese Punkte etwas näher erläutern.

Das Problem der Reaktionsmasse ergibt sich aus der Tatsache, dass im Vakuum des Weltraums nichts anzutreiben ist, es sei denn, Sie bringen eine Reaktionsmasse mit, die bei hohen Geschwindigkeiten ausgestoßen werden könnte und zu Schub führt, einer kinetischen Impulsübertragung von Schub gleich Masse Abgasdurchfluss nach Abgasgeschwindigkeit:

Während Ihr Kernreaktor also durchaus in der Lage sein könnte, eine große Energiedichte pro Masse zu haben, müssten Sie immer noch etwas verbrauchbare Masse bei sich haben, die Sie mit Energie versorgen und diesen Massenanregungszustand erhöhen können, um entweder seine Dichte stark zu reduzieren (Überhitzung, chemisch Reaktion usw.) oder auf andere Weise in der Lage sein, es in die entgegengesetzte Richtung zu Ihrem Bewegungsvektor zu beschleunigen (z. B. Ionentriebwerke, direkte heiße Kernspaltungsprodukte usw.) und es später an der Düse Ihres Raketentriebwerks auszustoßen, was zu einer Beschleunigung Ihres Triebwerks führt Raumschiff in die entgegengesetzte Richtung.

Einige vorgeschlagene nuklearbetriebene Raketen würden daher entweder eine Reaktionsmasse an Bord tragen, die ein Verbrauchsmaterial eines Raketentriebwerks ist, oder alternativ Nebenprodukte von Kernbrennstoff als ihre Reaktionsmasse in einem etwas direkteren nuklearen Antriebssystem verwenden, wie zum Beispiel der Spaltfragmentrakete . Letztere erreichen jedoch theoretisch niedrige spezifische Impulse pro Zeit, auch wenn sie möglicherweise lange arbeiten (hoher spezifischer Gesamtimpuls).$I_{sp}$über die gesamte Lebensdauer). Ähnliches gilt für Ionentriebwerke , die natürlich auch nuklear betrieben werden könnten, und tatsächlich wird ihr Strombedarf normalerweise von einem RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) an Bord bereitgestellt, obwohl dies je nach Missionsparametern wie der Nähe zum Sonne, ihre Dauer und so weiter.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung von direktem Kernkraftantrieb ist die Auslegung auf die wärmeerzeugenden Eigenschaften dieser Reaktoren. Ein direkter Wärmeaustausch mit einer anderen Masse, die das Raumfahrzeug umgibt, ist im Vakuum des Weltraums mit nicht annähernd ausreichender Teilchendichte selbst im harten Vakuum des inneren Sonnensystems einfach nicht möglich. Es wären also enorme Wärmestrahler erforderlich, um Flüssigkeiten abzukühlen, die für die Abkühlung des Kerns des Spaltreaktors verantwortlich sind, und Wärme allein durch Strahlung abzuführen. Das würde erfordern, dass eine enorme Masse zuerst in den Weltraum gehoben werden muss, damit jedes Raumschiff Spaltfragmentraketentriebwerke (FFRE) verwenden kann.

       ^{HOPE-Raumsonde ist ein NASA-Konzeptfahrzeug mit Spaltfragmentraketentriebwerk (FFRE) (Quelle: NASA )}

Die Leistungsdichte von Kernkraftgeneratoren ist daher, wie erläutert, nicht wirklich der einzige Faktor in der Raketenantriebsgleichung, und die Einfachheit von durch chemische Reaktion angetriebenen Raketenstufen unter Verwendung hochreaktiver Komponententreibstoffe ist immer noch bei weitem die bevorzugte Methode zum Erzielen von Schub. Da dieses Problem der Reaktionsmasse entweder weiterhin besteht und Sie es immer noch mit sich führen müssen, oder der resultierende spezifische Impuls von direkten Atommotoren für die meisten Weltraumforschungsanwendungen nicht hoch genug ist und Atomgeneratoren eine nicht zu vernachlässigende eigene Masse haben , wird die chemische Rakete immer noch bevorzugt, insbesondere wenn sie für erdgestützte Raketenstarts verwendet wird, die mit zusätzlichen Risiken verbunden sind, wenn stattdessen nuklearbetriebene Motoren verwendet werden.

Ein weiterer bereits erwähnter Faktor sind natürlich Umweltbelange. Es wurden bereits mehrere Antriebsarten mit nuklearbetriebenen Motoren vorgeschlagen, um ebenfalls Auftrieb zu erreichen, nicht nur einen Schub, der groß genug ist, um im Weltraum eingesetzt zu werden, sondern auch eine Hubfähigkeit (Schub, der groß genug pro Trägerraketenmasse ist, um ein Entkommen in der Atmosphäre und in der Schwerkraft zu erreichen). Geschwindigkeit), jedoch waren sie alle sehr dagegen und erblickten nie das Licht der Welt, tatsächlich materialisierten sie sich jenseits von Laborexperimenten, theoretischen Berechnungen oder vielleicht einigen streng geheimen Militärexperimenten. Einige solcher Experimente wurden durchgeführt, die der Öffentlichkeit bekannt sind, zum Beispiel das Projekt Space Nuclear Propulsion Office (SNPO), ein gemeinsames Programm der US Atomic Energy Commission und der NASA, genannt NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application):

     ^{1. Dezember 1967: Die erste bodenexperimentelle Nuklearraketentriebwerksbaugruppe (XE) wird hier in "Kaltströmungskonfiguration" gezeigt,
     als sie am späten Abend am Triebwerksprüfstand Nr. 1 der Nuclear Rocket Development Station in Jackass Flats ankommt , Nevada.
     (Quelle: Wikipedia zu Nuclear Thermal Rocket )}

Also TL; DR - Das Problem der Reaktionsmasse über der Gesamtmasse des Werfers besteht immer noch, und Raketentriebwerke mit direkter Kernspaltung erreichen keinen Schub, der zum Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit erforderlich ist. Es macht auch Umweltschützer nicht besonders glücklich.

Kurze Antwort: ja.

Mittlere Antwort: Die Vereinigten Staaten haben die Nuklearraketentriebwerkstechnologie so weit entwickelt, dass bis 1969 das einzige Hindernis für den vollen Flugstatus eine kurzfristige Mission war, für die sich das Raketentriebwerk bewerben sollte. Seit die Ausgaben für die Erforschung des Weltraums 1967 vom Kongress gekürzt wurden und die Nixon-Regierung zukünftige bemannte Raumfahrtprojekte der NASA auf das Space Shuttle beschränkte, gab es keine Mission und daher keine Notwendigkeit für das Atomraketentriebwerksprogramm.

Lange Antwort:

Es wurde oft gesagt, dass das Erreichen des Low Earth Orbit der halbe Weg zum Ziel ist; Mit anderen Worten, das Erreichen einer erdnahen Umlaufbahn ist die Hälfte der Anstrengung, die erforderlich ist, um einen für uns interessanten Ort im Sonnensystem zu erreichen. Andererseits ist Low Earth Orbit nur auf halbem Weg, was die andere Hälfte verlässt. Die Technologie der Nuklearraketentriebwerke erleichtert den für die andere Hälfte erforderlichen Aufwand enorm, da die Leistung doppelt so hoch ist wie die des besten verfügbaren chemischen Raketentriebwerks.

Die Raketentriebwerkstechnologie zum Erreichen des Orbits ist sehr gut verstanden und sehr ausgereift. Die Hauptgrenzen dieser Technologie liegen heute in der Reduzierung der Kosten, bei denen SpaceX führend ist. Zu diesem Zweck verwendet SpaceX Sauerstoff- und Kerosin-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke für seine zweistufigen Trägerraketen Falcon 1 und Falcon 9 sowie für die vorgeschlagene Trägerrakete Falcon Heavy.

Obwohl diese Art von Triebwerk sehr gut darin ist, Missionen in niedrigen Erdumlaufbahnen zu erreichen, senkt die mittelmäßige Effizienz dieses Triebwerks (Vakuum-ISP 330 Sekunden) die Nutzlast für tiefere Weltraummissionen enorm. Obwohl beispielsweise die 53-Tonnen-Nutzlast des vorgeschlagenen Falcon Heavy für eine niedrige Umlaufbahn die 27-Tonnen-Nutzlast des Delta IV Heavy um mehr als 95 % überschwemmt, fällt der Falcon Heavy auf nur 21 Tonnen in den geosynchronen Transferorbit, während der Delta IV Heavy absinkt auf 13 Tonnen (nur ein Vorteil von 62 %). Das liegt daran, dass die Oberstufe der Delta IV einen Sauerstoff + Wasserstoff-Flüssigkeitsraketenmotor mit fast dem höchstmöglichen Wirkungsgrad für eine chemische Rakete verwendet, einem ISP von 465 Sekunden.

Um bemannte Raumfahrzeuge zum Mond und darüber hinaus zu schicken und sie zur Erde zurückkehren zu lassen, indem sie nur chemische Raketentriebwerke verwenden, sind Raketen von titanischer Größe erforderlich, selbst um sehr kleine Raumfahrzeuge zu schicken. Tatsächlich ist es so schwierig, chemische Raketen einzusetzen, dass der angesehene Wissenschafts-/Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke in den 1950er Jahren dachte, dass die Landung auf dem Mond erst nach der Einführung der nuklearen Raketenantriebstechnologie erfolgen würde.

Siehe das Buch "Interplanetarischer Flug: eine Einführung in die Astronautik". Es ist ein altes Buch, aber immer noch aktuell. Ich empfehle auch das Buch "Bis zum Ende des Sonnensystems: Die Geschichte der Atomrakete". Das Buch war ein echter Augenöffner.