Vor welchen Herausforderungen stehen Ingenieure bei der Entwicklung nuklearer thermischer Raketentriebwerke?

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Nukleare thermische Raketentriebwerke (NTRs) sind eine Art von Weltraumantriebssystemen, die Kernspaltung nutzen, um einen Treibstoff, in der Regel Wasserstoff, zu erhitzen und mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen. NTRs haben das Potenzial, eine höhere Effizienz, einen höheren Schub und einen höheren spezifischen Impuls als herkömmliche chemische Raketen zu bieten, was sie ideal für Weltraummissionen macht. NTRs stellen jedoch auch erhebliche technische Herausforderungen dar, die noch nicht vollständig überwunden sind. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über einige der wichtigsten technischen, ökologischen und regulatorischen Hürden, mit denen Ingenieure bei der Entwicklung von NTRs konfrontiert sind.

In diesem gemeinsamen Artikel finden Sie Antworten von Expert:innen.

Von der Community unter 3 Beiträgen ausgewählt. Mehr erfahren

1 Design und Test

Eine der größten Herausforderungen von NTRs besteht darin, einen Reaktor zu entwerfen und zu testen, der den extremen Temperaturen, Drücken und Vibrationen eines Raketenstarts und -betriebs standhalten kann. Der Reaktorkern muss in der Lage sein, das Treibmittel auf über 2.500 °C zu erhitzen, ohne zu schmelzen, zu reißen oder undicht zu werden. Der Reaktor muss auch in der Lage sein, die Kernreaktion zu kontrollieren und kritische Unfälle oder Strahlungslecks zu verhindern. Das Testen von NTRs ist schwierig, da es spezielle Einrichtungen, Sicherheitsprotokolle und Umweltüberwachung erfordert. Nur wenige Länder haben in der Vergangenheit NTR-Tests durchgeführt, und seit den 1970er Jahren hat dies keines getan.

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Carmen DeLong

President, Program Manager, Nuclear Safety Applications, Inc.
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depending on the activity of the fuel and related shielding requirements, it would not be able to overcome the relativistic challenges of getting off of the earth (too heavy). Building it on the moon would be a solution...radiation shield weight would not be a limiting factor.

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2 Materialien und Verarbeitung

Eine weitere Herausforderung bei NTRs besteht darin, Materialien zu finden und herzustellen, die unter den rauen Bedingungen des Kernantriebs eine gute Leistung erbringen können. Die Materialien müssen in der Lage sein, Korrosion, Erosion und Versprödung durch den Hochtemperatur-Wasserstoff und die Neutronenstrahlung zu widerstehen. Die Materialien müssen außerdem leicht, langlebig und kostengünstig sein. Zu den Materialien, die für NTRs verwendet oder vorgeschlagen wurden, gehören Graphit, Wolfram, Karbide und Refraktärmetalle. Diese Materialien haben jedoch Einschränkungen in Bezug auf Verfügbarkeit, Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit.

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3 Sicherheit und Zuverlässigkeit

Eine dritte Herausforderung von NTRs besteht darin, die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems während des Starts, des Fluges und der Entsorgung zu gewährleisten. NTRs bergen die Gefahr, dass radioaktives Material im Falle eines Fehlstarts oder einer Kollision oder eines Wiedereintritts in die Atmosphäre oder den Weltraum freigesetzt wird. NTRs müssen sich auch mit potenziellen Fehlfunktionen auseinandersetzen, wie z. B. Kraftstoffabbau, Treibstoffleckagen oder Ausfällen des Steuerungssystems. Um diese Risiken zu minimieren, müssen Ingenieure NTRs mit mehreren Schutz-, Redundanz- und Notfallplänen entwerfen. Einige NTR-Designs enthalten beispielsweise einen startsicheren Modus, einen Abschaltmodus und einen Entsorgungsmodus.

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Dr François Bernot

Directeur Fondateur chez Lemon Motion
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La sécurité des ces équipements peut être réglée en ne les démarrant qu'une fois arrivés dans l'espace. Durant la phase de départ normale à propergols dans l'athmosphère terrestre, la réaction nucléaire n'est pas amorcée. Donc en cas de crash, de retour sur Terre, d'explosion au autre, peu de substances radioactives seront émises : on peut les encapsuler dans une enceinte blindée. Le décollage terrestre parait difficile, en raison de la dispersion de particules radioactives à grande échelle. On peut néanmoins penser à un départ aéroporté, comme les missiles, puis arrivé entre 10 et 20 000km allumer la réaction nucléaire, qui devient propulsive. Il semble que les russes aient de tels missiles, dont le fonctionnement est passif.

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4 Umwelt- und Regulierungsfragen

Eine vierte Herausforderung von NTRs besteht darin, die ökologischen und regulatorischen Probleme anzugehen, die sich aus der Nutzung der Kernenergie im Weltraum ergeben. NTRs erzeugen radioaktiven Abfall, der sicher und ethisch einwandfrei entsorgt werden muss. NTRs müssen auch internationale Verträge und Normen einhalten, die den Einsatz von Kernenergie und Waffen im Weltraum regeln. So verbietet der Weltraumvertrag von 1967 die Stationierung von Atomwaffen oder Massenvernichtungswaffen im Orbit oder auf Himmelskörpern. NTRs müssen auch die öffentliche Wahrnehmung und Akzeptanz der Kernenergie im Weltraum berücksichtigen.

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5 Kosten und Komplexität

Eine fünfte Herausforderung von NTRs besteht darin, die Kosten und die Komplexität der Entwicklung und Bereitstellung eines solchen Systems zu bewältigen. NTRs erfordern eine große Menge an Investitionen, Fachwissen und Infrastruktur, um sie zu entwerfen, zu bauen, zu testen und zu betreiben. NTRs müssen sich auch mit mehreren Interessengruppen wie Regierungen, Behörden, Auftragnehmern und Kunden abstimmen. NTRs müssen die Kompromisse zwischen Leistung, Sicherheit und Erschwinglichkeit abwägen. NTRs müssen auch mit anderen Raumfahrtantriebstechnologien konkurrieren, wie z. B. solarelektrischen Antrieben, Ionentriebwerken oder nuklearelektrischen Antrieben.

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Dr François Bernot

Directeur Fondateur chez Lemon Motion
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Il serait utile qu'on se retire les doigts des yeux, car l'essentiel a été écrit sur ce sujet. Malheureusement ce sont les pays "noirs", Russie, Corée du Nord... qui ont développé ces réacteurs sur des missiles notamment. Leur fonctionnement ressemble à celui des propulseurs à poudre, où rien n'est contrôllé lorsqu'on a allumé la réaction. La poudre se consume toute seule, et c'est super simple (en apparence), car la poudre sert de carburant/comburant, isolant thermique... Pour ces réacteurs c'est la même chose, la disposition des amorces nucléaires assure un fonctionnement stable, bon pas tant que ça, car ça risque gros si c'est mal maîtrisé. Et vu qu'on a beaucoup d'énergie, on peut ioniser la tête du missile, pour que l'air y glisse.

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6 Zukunftsaussichten

Trotz dieser Herausforderungen haben NTRs immer noch viel Potenzial und Potenzial, um die Erforschung und Entwicklung des Weltraums voranzutreiben. NTRs könnten schnellere und effizientere Missionen zum Mars, zu den äußeren Planeten und darüber hinaus ermöglichen. NTRs könnten auch die Errichtung menschlicher Siedlungen und Industrien im Weltraum unterstützen. NTRs könnten von den Fortschritten in der Nukleartechnologie, der Materialwissenschaft und dem Ingenieurwesen profitieren, die in den letzten Jahren erzielt wurden. NTRs könnten auch das wiedererwachte Interesse und die Investitionen in die Weltraumforschung und -innovation nutzen, die im 21. Jahrhundert entstanden sind.

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1 Design und Test

2 Materialien und Verarbeitung

3 Sicherheit und Zuverlässigkeit

4 Umwelt- und Regulierungsfragen

5 Kosten und Komplexität

6 Zukunftsaussichten

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