Neuer Atomraketenplan der NASA soll in nur 45 Tagen zum Mars gelangen : ScienceAlert

Wir leben in einer Ära der erneuten Erforschung des Weltraums, in die mehrere Agenturen planen, Astronauten dorthin zu schicken der Mond in den kommenden Jahren. Dem sollen im nächsten Jahrzehnt bemannte Missionen folgen Mars von der NASA und China, denen sich in Kürze weitere Nationen anschließen könnten.

Diese und andere Missionen, die Astronauten über den Low Earth Orbit (LEO) 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, Nuklearthermischer und nuklearelektrischer Antrieb (NTP/NEP) ist ein Spitzenkandidat!

Die NASA und das sowjetische Raumfahrtprogramm verbrachten Jahrzehnte mit der Erforschung des Nuklearantriebs während des Weltraumrennens.

Vor ein paar Jahren die NASA sein Nuklearprogramm wieder aufgenommen zum Zwecke der Entwicklung eines bimodalen Nuklearantriebs – ein zweiteiliges System bestehend aus einem NTP- und einem NEP-Element – ​​das Transits ermöglichen könnte Mars in 100 Tagen.

Im Rahmen des Innovative fortschrittliche Konzepte der NASA (NIAC)-Programm für 2023 wählte die NASA ein nukleares Konzept für die Phase-I-Entwicklung aus. Diese neue Klasse bimodaler nuklearer Antriebssysteme verwendet ein “Wellenrotor-Topping-Zyklus” und könnte die Transitzeit zum Mars auf nur 45 Tage verkürzen.

Der Vorschlag mit dem Titel „Bimodales NTP/NEP mit einem Wave-Rotor-Topping-Zyklus,“ wurde von Prof. Ryan Gosse, dem Bereichsleiter des Hypersonics-Programms an der University of Florida und Mitglied des Florida Angewandte Forschung im Ingenieurwesen (FLARE)-Team.

Gosses Vorschlag ist einer von 14, die von der NAIC in diesem Jahr für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt wurden, die einen Zuschuss von 12.500 US-Dollar beinhaltet, um bei der Reifung der beteiligten Technologie und Methoden zu helfen. Weitere Vorschläge umfassten innovative Sensoren, Instrumente, Fertigungstechniken, Stromversorgungssysteme und mehr.

frameborder=”0″ allow=”beschleunigungsmesser; automatisches Abspielen; Zwischenablage schreiben; verschlüsselte Medien; Gyroskop; Bild im Bild; web-share” allowfullscreen>

Der Nuklearantrieb beruht im Wesentlichen auf zwei Konzepten, die beide auf gründlich getesteten und validierten Technologien beruhen.

Beim Nuclear-Thermal Propulsion (NTP) besteht der Kreislauf aus einem Kernreaktor, der Flüssigwasserstoff (LH2) als Treibmittel erhitzt und in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umwandelt, das dann durch Düsen geleitet wird, um Schub zu erzeugen.

Es wurden mehrere Versuche unternommen, dieses Antriebssystem testweise zu bauen, darunter Projekt Rovereine Zusammenarbeit zwischen der US Air Force und der Atomic Energy Commission (AEC), die 1955 ins Leben gerufen wurde.

1959 übernahm die NASA die USAF, und das Programm trat in eine neue Phase ein, die Raumfahrtanwendungen gewidmet war. Dies führte schließlich zu der Nuklearmotor für Raketenfahrzeuganwendung (NERVA), ein erfolgreich getesteter Kernreaktor.

Mit dem Abschluss der Apollo-Ära im Jahr 1973 wurde die Finanzierung des Programms drastisch reduziert, was zu seiner Annullierung führte, bevor Flugtests durchgeführt werden konnten. Inzwischen entwickelten die Sowjets ihr eigenes NTP-Konzept (RD-0410) zwischen 1965 und 1980 und führte vor der Absage des Programms einen einzigen Bodentest durch.

Nuclear-Electric Propulsion (NEP) hingegen stützt sich auf einen Kernreaktor, um a mit Strom zu versorgen Hall-Effekt-Triebwerk (Ionenmotor), der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das ein Inertgas (wie Xenon) ionisiert und beschleunigt, um Schub zu erzeugen. Zu den Versuchen, diese Technologie zu entwickeln, gehören die der NASA Nuklearsystem-Initiative (NSI) Projekt Prometheus (2003 bis 2005).

Beide Systeme haben erhebliche Vorteile gegenüber konventionellen chemischen Antrieben, darunter eine höhere Nennleistung des spezifischen Impulses (Isp), Kraftstoffeffizienz und praktisch unbegrenzte Energiedichte.

Während sich NEP-Konzepte dadurch auszeichnen, dass sie mehr als 10.000 Sekunden Isp liefern, was bedeutet, dass sie den Schub für fast drei Stunden aufrechterhalten können, ist das Schubniveau im Vergleich zu herkömmlichen Raketen und NTP ziemlich niedrig.

Die Notwendigkeit einer elektrischen Energiequelle, sagt Gosse, wirft auch das Problem der Wärmeabgabe im Weltraum auf – wo die thermische Energieumwandlung unter idealen Umständen 30 bis 40 Prozent beträgt.

Und während NTP NERVA-Designs die bevorzugte Methode für bemannte Missionen zum Mars und darüber hinaus sind, hat diese Methode auch Probleme, angemessene anfängliche und endgültige Massenanteile für Missionen mit hohem Delta-V bereitzustellen.

Aus diesem Grund werden Vorschläge favorisiert, die beide Antriebsarten (bimodal) beinhalten, da sie die Vorteile beider vereinen würden. Gosses Vorschlag fordert ein bimodales Design auf der Grundlage eines NERVA-Reaktors mit festem Kern, 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 Druckwellenlader – oder Wave Rotor (WR) – eine Technologie, die in Verbrennungsmotoren verwendet wird und die durch Reaktionen erzeugten Druckwellen nutzt, um die Ansaugluft zu komprimieren.

In Verbindung mit einem NTP-Motor würde der WR den Druck verwenden, der durch die Erwärmung des LH2-Brennstoffs im Reaktor erzeugt wird, um die Reaktionsmasse weiter zu komprimieren. Wie Gosse verspricht, wird dies Schubwerte liefern, die mit denen eines NTP-Konzepts der NERVA-Klasse vergleichbar sind, jedoch mit einem Isp von 1400-2000 Sekunden. In Kombination mit einem NEP-Zyklus sagte Gosse, die Schubwerte werden noch weiter verbessert:

„Gekoppelt mit einem NEP-Zyklus kann die Einschaltdauer Isp bei minimaler Zugabe von Trockenmasse weiter erhöht werden (1.800–4.000 Sekunden). Dieses bimodale Design ermöglicht den schnellen Transit für bemannte Missionen (45 Tage zum Mars) und revolutioniert die Erforschung des Weltraums unseres Sonnensystems.”

Basierend auf herkömmlicher Antriebstechnik könnte eine bemannte Mission zum Mars bis zu drei Jahre dauern. Diese Missionen würden alle 26 Monate starten, wenn Erde und Mars am nächsten sind (auch bekannt als Mars-Opposition), und würden mindestens sechs bis neun Monate unterwegs sein.

Ein Transit von 45 Tagen (sechseinhalb Wochen) würde die gesamte Missionszeit auf Monate statt auf Jahre verkürzen. Dies würde die mit Missionen zum Mars verbundenen Hauptrisiken, einschließlich der Strahlenbelastung, der Zeit in der Mikrogravitation und der damit verbundenen gesundheitlichen Bedenken, erheblich reduzieren.

Zusätzlich zum Antrieb gibt es Vorschläge für neue Reaktordesigns, die eine konstante Stromversorgung für lang andauernde Oberflächenmissionen bieten würden, bei denen Sonnen- und Windenergie nicht immer verfügbar sind.

Beispiele sind die der NASA Kilopower-Reaktor mit Sterling-Technologie (KRUSTY) und die hybrider Kernspaltungs-/Fusionsreaktor ausgewählt für Phase-I-Entwicklung durch die NAIC 2023-Auswahl der NASA.

Diese und andere nukleare Anwendungen könnten eines Tages bemannte Missionen zum Mars und zu anderen Orten im Weltraum ermöglichen, vielleicht früher als wir denken!

Dieser Artikel wurde ursprünglich von veröffentlicht Universum heute. Lesen der Originalartikel.