Interstellare Raumfahrt ohne Warp und Co.: Fission Fragment Rocket

Die Fission Fragment Rocket ist ein speziell gestalteter Kernreaktor, der als Nuklearantrieb arbeitet. Als Antriebsstrahl soll er energiereiche Bruchstücke der Kernspaltung (Fission Fragments) ausstoßen. Die Fission Fragment Rocket könnte schnelle Fernmissionen im Sonnensystem ermöglichen und den interstellaren Raum schon mal ankratzen. Reisegeschwindigkeiten von bis zu etwa 10% Lichtgeschwindigkeit wären damit prinzipiell erreichbar – mit heutigen Technologien. Eine Sonde mit der Fission Fragment Rocket nach Alpha Centauri zu senden bliebe dennoch – bis auf weiteres – eine Nummer zu groß.

Fission-Fragment Rocket, künstlerische Darstellung. Antrieb (unten links), Radiatoren (Mitte), Nutzlast (oben rechts). Grafik: NASA, Robert Werka

Fission-Fragment Rocket, künstlerische Darstellung. Antrieb (unten links), Radiatoren (Mitte), Nutzlast (oben rechts). Grafik: NASA, Robert Werka

Nuklear-Antriebe im Vergleich

Nuklear-elektrisch: Kernenergie → Wärme → elektrische Energie → Antriebsstrahl elektrisch geladener Teilchen (hohe Umwandlungsverluste, viel Abwärme muss durch Radiatoren ins All abgegeben werden)

Nuklear-thermisch: Kernenergie → Wärme → heißer Antriebsstrahl, z.B. Wasserstoff (viel Abwärme, Radiatoren, Ausstoßgeschwindigkeit begrenzt durch maximale Temperatur, die der Kernreaktor verträgt)

Fission Fragment: Bruchstücke der Kernspaltung enthalten 90% der Kernenergie als Bewegungsenergie → magnetisch gebündelt als hochenergetischer Antriebsstrahl (effektive Energieumwandlung, deutlich geringere Abwärme)

Die Kernreaktionen in einem herkömmlichen thermischen Nuklearantrieb erhitzen den Treibstoff im Kernreaktor auf mehrere 1000°C. Dieser Treibstoff ist nicht der Kernbrennstoff selbst, sondern eine andere Substanz, etwa flüssiger Wasserstoff.

Der Wasserstoff dehnt sich beim Erhitzen schnell aus, schießt durch die Antriebsdüse und erzeugt Schub. Der Antrieb ist natürlich eingeschränkt auf Temperaturen, die der Reaktor verkraften kann. Entsprechend beschränkt ist die Ausstoßgeschwindigkeit des Antriebsstrahls und somit auch die Endgeschwindigkeit des Raumschiffs.

Ausstoßgeschwindigkeiten der Raketentreibstoffe

Feststoff: 2000-2500 m/s
Flüssig-Wasserstoff/Sauerstoff: 3500-4500 m/s
Nuklear-thermisch: 8250-9250 m/s
Nuklear-Gaskern: bis etwa 20.000 m/s
MHD: bis etwa 50.000 m/s
Ionen: bis etwa 100.000 m/s
Fission-Fragment: über 1.000.000 m/s
Materie/Antimaterie: etwa 100.000.000 m/s
Photonen: etwa 300.000.000 m/s

Die Fission Fragment Rocket nutzt dagegen den Kernbrennstoff selbst als Treibstoff. Die prinzipiellen Eigenschaften dieses Antriebs untersuchten unter anderen Rodney A. Clark und Robert B. Sheldon [ 2 ], theoretisch, mit Computersimulationen und in Teilaspekten experimentell. Auch das Strahlungsrisiko für die Umwelt schätzten sie für Starts im Weltraum ab, wobei sie von unterschiedlichen Szenarien für Flüge in den interstellare Raum ausgingen.

Wir sehen uns ihre Ergebnisse hier im Überblick an.

Das Prinzip

Kernspaltung am Beispiel Uran-235. Der Atomkern wird durch ein Neutron (n) in meist zwei Bruchstücke zerlegt, die mit großer Geschwindigkeit auseinanderrasen. Dabei können auch Neutronen, andere Teilchen und Gammastrahlung freigesetzt werden. Deren Gesamtenergie beträgt etwa 200 MeV. Die freigesetzten Neutronen können weitere Kerne spalten. Grafik: Stefan-Xp, Wikimedia, Creative Commons BY-SY 3.0

Kernspaltung am Beispiel Uran-235. Der Atomkern wird durch ein Neutron (n) in meist zwei Bruchstücke zerlegt, die mit großer Geschwindigkeit auseinanderrasen. Dabei können auch Neutronen, andere Teilchen und Gammastrahlung freigesetzt werden. Deren Gesamtenergie beträgt etwa 200 MeV. Die freigesetzten Neutronen können weitere Kerne spalten. Grafik: Stefan-Xp, Wikimedia, Creative Commons BY-SY 3.0

In der Fission Fragment Rocket sind es die hochenergetischen Bruchstücke der Kernspaltung, die den Schub liefern. Dazu werden sie elektromagnetisch von den noch nicht zerfallenen Atomkernen möglichst schnell getrennt, bevor sie ihre Energie an den umgebende Kernbrennstoff abgeben.

Bei der Kernspaltung fliegen die Bruchstücke des Atomkerns mit hoher Geschwindigkeit auseinander. In gewöhnlichen Kernreaktoren heizt ihre hohe Bewegungsenergie die Umgebung auf, indem die Kernbruchstücke mit benachbarten Atomen zusammenstoßen. Mit der Hitze wird Wasserdampf erzeugt, der per Turbine einen Generator antreibt und elektrische Energie liefert.

In der Fission Fragment Rocket werden die Kernbruchstücke elektromagnetisch zum Antriebsstrahl des Raumschiffs gebündelt und mit über 10.000.000 m/s ausgestoßen. Das sind mehrere Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Dazu müssen allerdings möglichst viele Kernbruchstücke aus dem Kernbrennstoff entweichen, dürfen also nicht im Material stecken bleiben. Sie würden nicht nur dem Antriebsstrahl entzogen, sondern würden durch ihre Stöße den Kernbrennstoff schmelzen und das Raumschiff aufheizen.

Lösungsansatz

Lässt sich also ein nicht-thermischer Nuklearantrieb mit geringer Abwärme konstruieren? Anscheinend lautet die Antwort ja. Als Lösungsansatz wird zurzeit untersucht, wie sich feinster Staub aus Uran-235 am besten als Kernbrennstoff nutzen lässt. Den Uran-Nanopartikeln können die Kernbruchstücke größtenteils entkommen. Restwärme durch vom Brennstoff eingefangenen Kernbruchstücken strahlt der Uran-Staub dennoch schnell ab. Die Brennstofftemperatur bleibt unterhalb des Schmelzpunkts und eine hohe Antriebsleistung ist möglich. Nur verhältnismäßig wenig Abwärme muss durch Radiatoren in den Weltraum abgestrahlt werden.

Das Triebwerk

Einschluss des Brennstoffstaubes

Neuere, effizientere Konzept-Variante der Fission-Fragment Rocket. Der spaltbare Brennstoff soll aus Nanoteilchen bestehen. Brennstoff und Spaltprodukte werden elektromagnetisch eingeschlossen, getrennt und gebündelt. A: Ausstoß von Spaltprodukten, B: Reaktor, C: Spaltprodukte werden zur Stromerzeugung abgebremst, d: Neutronen-Moderator/Reflektor (BeO oder LiH), e: Generator für Einschlussfeld, f: Induktionsspule. Grafik: Duckysmokton (Wikimedia Commons), Creative Commons BY-SA 3.0

Fission Fragment Rocket. Neuere, effiziente Konzept-Variante. Der Kernbrennstoff besteht aus Nanoteilchen. Dieser Brennstoffstaub und seine Spaltprodukte werden elektromagnetisch eingeschlossen, getrennt und gebündelt. A: Ausstoß von Spaltprodukten, B: Reaktor, C: Spaltprodukte werden zur Stromerzeugung abgebremst, d: Neutronen-Moderator/Reflektor (BeO oder LiH), e: Generator für Einschlussfeld, f: Induktionsspule. Grafik: Duckysmokton (Wikimedia Commons), Creative Commons BY-SA 3.0

Um die Spaltbruchstücke im Reaktorkern vom Brennstoffstaub zu trennen werden ihre unterschiedlichen Eigenschaften genutzt: Die Spaltbruchstücke sind deutlich schneller und leichter als die Staubteilchen, und sie sind verschieden stark geladen.

Da die entweichenden Spaltbruchstücke positiv geladen sind, überwiegt im Brennstoffstaub eine negative Ladung. Die Aufladung des Brennstoffstaubs hängt ab von der Staubteilchengröße, der Zahl der entkommenden Spaltbruchstücke, der durch Stöße freigesetzten Elektronen sowie den Kollisionen zwischen den Spaltbruchstücken und dem Brennstoffstaub.

Der Brennstoffstaub wird schließlich von einem elektrischen Feld eingeschlossen. Es entsteht aus der Überlagerung des von außen angelegen Feldes und des Feldes, das im Brennstoffstaub durch die eigenen Ladungen entsteht.

Der Reaktorkern der Fission-Fragment Rocket ist eingehüllt in ein Moderatormaterial. Es bremst und reflektiert die bei den Spaltreaktionen frei werdenden Neutronen in den Kernbrennstoff zurück. Dadurch wird die Zahl der Kernreaktionen wesentlich erhöht. Damit der Moderator leicht und stabil ist, bietet sich beispielsweise Lithiumhydrid (LiH) an.

Abtrennung und Ausstoß der Spaltbruchstücke

Der Brennstoffstaub und die Spaltbruchstücke bilden im Reaktorkern ein staubiges Plasma. Die schnellen Spaltbruchstücke entkommen dem schwachen elektrischen Feld im Plasma leicht.

In einer zylindrischen Spulenanordnung werden die Bruchstücke zwischen zwei magnetischen Spiegeln hin und her reflektiert und verlassen an der schwächeren Spiegelspule den Reaktor als Antriebsstrahl.

Die Ausstoßgeschwindigkeit kann mehre Prozent der Lichtgeschwindigkeit betragen und wäre dann mehrere Tausend Mal höher als bei chemischen Raketentriebwerken.

Die Fission Fragment Rocket kann daher auch mehrere Tausend Mal höhere Endgeschwindigkeiten erreichen als chemische Raketen: prinzipiell bis zu etwa 10% Lichtgeschwindigkeit.

Drei Missionsprofile

Damit die Spaltbruchstücke vom Brennstoffstaub getrennt werden können, darf der Staub im Reaktorkern nicht zu dicht sein. Um andererseits Kettenreaktionen in Gang zu halten, muss der Reaktorkern großvolumig sein. Clark und Sheldon [ 2 ] gingen bei der Abschätzung dreier Missionsprofile für eine einstufige Fission-Fragment Rocket von folgenden Daten aus.

  • Typische Ausmaße des zylinderförmigen Reaktors: etwa 10 m Länge und 0,5 m Radius
  • Masse Reaktorkern + Moderator: 6 Tonnen
  • Radiatoren + Flüssigmetallkühlung: 2 Tonnen
  • Elektromagnete: 1 Tonne
  • Wissenschaftliche Nutzlast: 1 Tonne
  • Anteil der Spaltbruchstücke, die zum Schub beitragen: 46%
  • Ausstoßgeschwindigkeit: 5% Lichtgeschwindigkeit

Daten der Missionsprofile

NERVA-Triebwerk NRX A-1. Erprobung des thermischen Nukleartriebwerks auf dem NASA-Testgelände in Nevada (September 1964). Foto: NASA

NERVA-Triebwerk NRX A-1. Erprobung des thermischen Nukleartriebwerks auf dem NASA-Testgelände in Nevada (September 1964). Foto: NASA

Zum Gravitations-Brennpunkt der Sonne: 550mal Entfernung Erde-Sonne, 10 Jahre Reisezeit, 180 kg Kernbrennstoff, 350 Megawatt-Reaktor (< 1/10 Leistung des thermischen NERVA-Nukleartriebwerks der NASA, 1963-1972, siehe Foto rechts)

Zur Oort’schen Wolke: 0,5 Lichtjahre entfernt, 30 Jahre Reiszeit, 5,6 Gigawatt-Reaktor

Nach Alpha Centauri: 4,3 Lichtjahre entfernt, 50 Jahre Reisezeit, aus heutiger Sicht nicht umsetzbar aufgrund der Anforderungen: 208 Gigawatt-Reaktor, 240 Tonnen Kernbrennstoff

Strahlungsrisiko für die Umwelt

Die von der Fission-Fragment Rocket ausgestoßenen Spaltbruchstücke sind radioaktive Atomkerne. Es muss daher genau abgeschätzt werden, wie groß das Risiko für die Umwelt ist, auch wenn das Raumschiff von einer Erdumlaufbahn startet. Aus den obigen Missionsprofilen schätzten Clark und Sheldon [ 2 ] die Menge der nuklearen Rückstände ab, die die Erde erreichen können:

Die die ausgestoßenen Spaltbruchstücke sind elektrisch stark geladen und werden dadurch vom Erdmagnetfeld eingefangen, solange das Raumschiff in dessen Einflussbereich von etwa 10 Erdradien ist. Aus der Beschleunigung des Raumschiffs und dessen Leistung ergibt sich die Menge an radioaktiven Materials, die in die Magnetosphäre gestoßen wird:

Der 350 Megawatt-Reaktor soll demnach 720 Gramm Uran-Bruchstücke in die irdische Magnetosphäre einbringen und der 5 Gigawatt-Reaktor 3,7 Kilogramm.

Die radioaktiven Kernbruchstücke mit kurzer Halbwertszeit zerfallen in stabile Isotope, bevor sie die unteren Atmosphärenschichten erreichen, während die sehr langlebigen Kernbruchstücke grundsätzlich keine radioaktive Gefahr darstellen. Wie schnell oder wie langsam die radioaktiven Teilchen die unteren Atmosphärenschichten erreichen, hängt davon ab, wie ruhig oder wie stürmisch das Weltraumwetter ist, ob es also beispielsweise geomagnetische Stürme aufgrund einer aktiven Sonne gibt. Sowohl in der schnellen als auch langsamen Variante liefern Strontium-90 und Cäsium-137 die größten Beiträge zur eingebrachten Radioaktivität. Im Vergleich zu der durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugten Radioaktivität sehen die Wissenschaftler keine wesentliche Wirkung auf die irdische Umwelt.

Die nächsten Schritte

Auch wenn die Idee der Fission-Fragment Rocket auf heutiger Technologie basiert, bleibt viel zu forschen. Mit staubigem Plasma gibt es einige experimentelle Erfahrung aus irdischen Labors und dem Weltraum. Doch muss beispielsweise noch geklärt werden wie sich der Ladungszustand radioaktiven Staubes einstellt, wie sich der Brennstoffstaub magnetisch am besten einschließen lässt und Abwärme abführen lässt, wie sich LiH im Detail als Moderator verhält und vieles mehr.

Weitere Blog-Beiträge zur interstellaren Raumfahrt in der Rubrik Interstellare Raumfahrt.

Links

[ 1 ] G. F. Chapline, P. W. Dickson, B. G. Schnitzler: Fission fragment rockets: A potential breakthrough, International reactor physics conference, Jackson Hole, WY, USA, 18 Sep 1988
http://www.osti.gov/scitech/biblio/6868318

[ 2 ] Rodney A. Clark, Robert B. Sheldon: Dusty Plasma Based Fission Fragment Nuclear Reactor; American Institute of Aeronautics and Astronautics Paper 2005-4460; 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July 10-13, 2005, Tucson, AZ
http://www.rbsp.info/rbs/PDF/aiaa05.pdf

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