 на 2023 рік NASA обрало ядерну концепцію для першої фази розробки.){kind=link}
Wir leben in einer Ära der erneuten Erforschung des Weltraums, in der mehrere Agenturen planen, in den kommenden Jahren Astronauten zum Mond zu schicken. In den nächsten zehn Jahren werden die NASA und China Besatzungen zum Mars schicken, und andere Länder könnten sich ihnen bald anschließen. Diese und andere Missionen, die Astronauten über die niedrige Erdumlaufbahn (LOO) und das Erde-Mond-System hinausführen werden, erfordern neue Technologien, die von Lebenserhaltung und Strahlenschutz bis hin zu Energie und Antrieb reichen. Und wenn es um letzteres geht, ist Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion (NTP/NEP) der Hauptanwärter auf den Sieg!
Im Rahmen des NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms 2023 hat die NASA ein Nuklearkonzept für die erste Entwicklungsphase ausgewählt. Diese neue Klasse von bimodalen Kernkraftwerken nutzt einen "Rotorbeschleunigungswellenzyklus" und kann die Flugzeit zum Mars auf 45 Tage verkürzen.
Der Vorschlag mit dem Namen Bimodal NTP/NEP with Wave Rotor Acceleration Cycle wurde von Professor Ryan Gosse, Direktor des Hyperschallprogramms an der University of Florida und Mitglied des Florida Program for Applied Research in Engineering (FLARE)-Teams, vorgelegt. Gosses Vorschlag ist einer von 14, die dieses Jahr von der NAIC für die erste Entwicklungsphase ausgewählt wurden, die einen Zuschuss von 12 $ zur Unterstützung der Entwicklung der mit dem Projekt verbundenen Technologien und Methoden beinhaltet. Weitere Angebote umfassten innovative Sensoren, Instrumente, Fertigungstechnologien, Stromversorgungssysteme und mehr.
Kernenergie läuft im Wesentlichen auf zwei Konzepte hinaus, die beide auf Technologien beruhen, die gründlich getestet und verifiziert wurden. Für Nuclear Thermal Propulsion (NTP) besteht der Zyklus aus einem Kernreaktor, der flüssigen Wasserstoff (LH2) erhitzt und ihn in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umwandelt, das dann durch Düsen geleitet wird, um Schub zu erzeugen. Es wurden mehrere Versuche unternommen, eine Testversion dieses Antriebssystems zu erstellen, einschließlich des Projekts Vagabund, ein gemeinsames Projekt der US Air Force und der Atomic Energy Commission, das 1955 ins Leben gerufen wurde.
Im Jahr 1959 löste die NASA die US-Luftwaffe ab und das Programm trat in eine neue Phase ein, die Raumfahrtanwendungen gewidmet war. Dies führte schließlich zum Nuclear Propulsion for Rocket Vehicles (NERVA), einem Kernreaktor mit festem Kern, der erfolgreich getestet wurde. Mit dem Ende der Apollo-Ära im Jahr 1973 wurden die Mittel für das Programm drastisch gekürzt, was dazu führte, dass es eingestellt wurde, bevor Flugtests durchgeführt wurden.
Nuclear Electric Propulsion (NEP) hingegen stützt sich auf einen Kernreaktor, um ein Hall-Effekt-Triebwerk (Ionen-Triebwerk) anzutreiben, das ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das ein Inertgas (z. B. Xenon) ionisiert und beschleunigt, um Schub zu erzeugen. Zu den Bemühungen zur Entwicklung dieser Technologie gehört das Prometheus-Projekt der NASA im Rahmen der Nuclear Systems Initiative (NSI).
Beide Systeme haben erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Chemiemotoren, darunter ein höherer spezifischer Impuls (Isp), Kraftstoffeffizienz und praktisch unbegrenzte Energiedichte. Obwohl sich die Konzepte darin unterscheiden, dass sie einen spezifischen Impuls von mehr als 10 Sekunden liefern, dh den Schub fast drei Stunden lang aufrechterhalten können, ist das Schubniveau im Vergleich zu herkömmlichen Raketen und NTPs recht gering.
Die Notwendigkeit einer elektrischen Energiequelle, sagte Gosse, wirft auch das Problem der Wärmeableitung im Weltraum auf, wo die thermische Energieumwandlung unter idealen Bedingungen 30-40 % beträgt. Und während die NTP-Designs von NERVA die beste Methode für bemannte Missionen zum Mars und darüber hinaus sind, hat diese Methode auch Probleme mit der Bereitstellung angemessener anfänglicher und endgültiger Massenanteile für Missionen mit hohem Delta-Surge.
Aus diesem Grund werden Vorschläge bevorzugt, die beide Fortbewegungsmethoden (bimodal) beinhalten, da sie die Vorteile beider vereinen. Gosses Vorschlag beinhaltet ein bimodales Design auf der Grundlage des NERVA-Festbrennstoffreaktors, der einen spezifischen Impuls (Isp) von 900 Sekunden liefern würde, das Doppelte der derzeitigen Leistung chemischer Raketen.
Der von Gosse vorgeschlagene Zyklus umfasst auch einen Wellendruckverstärker oder Wellenrotor (WR), eine Technologie, die in Verbrennungsmotoren verwendet wird und Druckwellen nutzt, die durch die Kompressionsreaktion der Ansaugluft erzeugt werden.
Gepaart mit einem NTP-Motor nutzt der WR den Druck, der durch Erhitzen des LH2-Brennstoffs im Reaktor entsteht, um die Reaktionsmasse weiter zu komprimieren. Wie Gosse verspricht, wird dies Schubwerte liefern, die mit denen des NTP-Konzepts der NERVA-Klasse vergleichbar sind, jedoch mit einer Startzeit von 1400 bis 2000 Sekunden. In Kombination mit dem NEP-Zyklus, sagt Gosse, steigt das Verlangen noch mehr.
Mit konventionellen Triebwerken kann eine bemannte Mission zum Mars bis zu drei Jahre dauern. Diese Missionen werden alle 26 Monate gestartet, wenn Erde und Mars am nächsten sind (die sogenannte Mars-Opposition), und werden mindestens sechs bis neun Monate unterwegs sein.
Ein 45-tägiger (sechseinhalb Wochen) Transit würde die gesamte Missionszeit auf Monate statt auf Jahre verkürzen. Dies würde die mit Missionen zum Mars verbundenen Hauptrisiken, einschließlich Strahlenbelastung, Zeit in Mikrogravitation und damit verbundene Gesundheitsprobleme, erheblich reduzieren.
Neben Kraftwerken gibt es Vorschläge für neue Reaktordesigns, die eine stabile Stromversorgung für lang andauernde Bodenmissionen bieten würden, bei denen Sonnen- und Windenergie nicht immer verfügbar sind.
Beispiele sind der Kilowatt Reactor Using Sterling Technology (KRUSTY) der NASA und der Fission/Fusion Hybrid Reactor, ausgewählt für die erste Entwicklungsphase der NASA im Rahmen des Programms NAIC 2023. Diese und andere Nukleartechnologien könnten eines Tages bemannte Missionen zum Mars und zu anderen Orten im Weltraum ermöglichen , vielleicht früher als wir denken!
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