Regierung und Industrie erforschen nukleare und solare Raumfahrtmotoren

RAUM

DARPA-Konzept

COLORADO SPRINGS, Colorado – Im Weltraum finden zunehmend kommerzielle und militärische Aktivitäten statt, und das Verteidigungsministerium und die Industrie investieren in neue Antriebstechnologien, um Systeme schneller, weiter und effizienter im Orbit zu bewegen.

Traditionell nutzen Raumfahrzeuge chemische Reaktionen, um Energie freizusetzen und Schub zu erzeugen. Allerdings ist diese Methode weitaus weniger effizient als die Verwendung nuklearer thermischer Antriebe, sagte Lisa May, Senior Managerin für Strategie und Geschäftsentwicklung bei Lockheed Martin NextGen.

Während ein nuklearer thermischer Antrieb die gleiche Schubkraft wie ein chemischer Antrieb hat, „ist er zwei- bis viermal effizienter“, sagte May kürzlich gegenüber Reportern. Unter Verwendung spezifischer Impulse oder ISP – dem Maß für die Effizienz eines Antriebssystems – hat chemische Energie einen ISP von etwa 400 Sekunden, während Kernkraft „mehr als 700, bis zu 900“ Sekunden hat, „wovon die NASA gesprochen hat, um Menschen dazu zu bringen.“ Mars“, sagte sie.

Im Jahr 2021 wählte die Defense Advanced Research Projects Agency Lockheed Martin als einen von drei Hauptauftragnehmern – neben General Atomics und Blue Origin – für Phase 1 ihres Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO)-Programms aus, um das Potenzial einer Atomrakete zu demonstrieren thermisches Antriebssystem im Weltraum, heißt es in einer DARPA-Pressemitteilung.

Im Januar dieses Jahres gab die NASA bekannt, dass sie im Rahmen des DRACO-Programms mit DARPA zusammengearbeitet hat, und beschrieb ein nuklear-thermisches Raketentriebwerk als „eine ermöglichende Fähigkeit für bemannte NASA-Missionen zum Mars“. Das Ziel besteht darin, das System im Geschäftsjahr 2027 im Orbit zu demonstrieren, wobei die Space Force die Trägerrakete für die DRACO-Mission bereitstellt, heißt es in einer DARPA-Erklärung.

Das Programm steht kurz vor dem Eintritt in Phase 2, die „in erster Linie den Bau und die Erprobung nichtnuklearer Komponenten des Triebwerks“ wie Ventile, Pumpen, die Düse und „einen repräsentativen Kern ohne Kernmaterial darin“ umfassen wird, so das DARPA-Programm sagte Tabitha Dodson, Managerin von DRACO, während einer Podiumsdiskussion auf dem Weltraumsymposium der Space Foundation im April. Dodson sagte, dass eine Phase-2-Entscheidung „ziemlich nahe“ sei. Bis Redaktionsschluss Mitte Juli lagen jedoch noch keine Auftragsvergaben vor.

Phase 3 von DRACO „wird den Zusammenbau der befeuerten [nuklearen thermischen Rakete] mit der Bühne, Umwelttests und den Start in den Weltraum umfassen, um Experimente an der [nuklearen thermischen Rakete] und ihrem Reaktor durchzuführen“, heißt es auf der Website der DARPA.

„Es gibt keine Einrichtungen auf der Erde, die wir für den Leistungstest unseres DRACO-Reaktors nutzen könnten … daher haben wir unseren Leistungstest für den Reaktor immer im Weltraum durchgeführt“, sagte Dodson. Sobald sie im Weltraum ist, wird DARPA das System „sehr schrittweise“ auf „volle Schubkraft“ hochfahren, sagte sie.

Was die Anträge des US-Verteidigungsministeriums für das System betrifft, so wird die nukleare Wärmekraftmaschine „Missionen durchführen, die normalerweise Raketen der oberen Stufe vorbehalten sind … aber sie erledigt diese Missionen besser“, indem sie schwere Nutzlasten „schneller [und] weiter transportiert, ohne dass ein Super-Heavy-Lift erforderlich ist.“ „Erste Stufe“-Raketenverstärker, sagte sie.

„Schnelle Manöver sind ein zentraler Grundsatz moderner Operationen des Verteidigungsministeriums an Land, auf See und in der Luft“, sagte DARPA. „Schnelle Manöver im Weltraumbereich stellen jedoch traditionell eine Herausforderung dar, da aktuelle elektrische und chemische Weltraumantriebssysteme Nachteile hinsichtlich des Schub-Gewichts-Verhältnisses bzw. der Antriebseffizienz aufweisen.“

Das nukleare thermische Antriebssystem von DRACO „hat das Potenzial, hohe Schub-Gewichts-Verhältnisse ähnlich einem chemischen Antrieb im Weltraum zu erreichen und an die hohe Antriebseffizienz elektrischer Systeme heranzukommen“, heißt es in der Pressemitteilung. „Diese Kombination würde einem DRACO-Raumschiff eine größere Agilität verleihen, um den Kerngrundsatz des DoD, schnelle Manöver im cislunaren Raum, umzusetzen.“

Allerdings könnten Weltraumantriebssysteme, wie die meisten Nukleartechnologien, auf regulatorische Bürokratie stoßen, sagte Kirk Shireman, Vizepräsident der Lockheed Martin Lunar Exploration Campaign.

„Es gibt die politische [Wahrnehmung] und die Vorschriften im Allgemeinen und es gibt eine öffentliche Wahrnehmung über Kernreaktoren, und deren Abschuss vom Planeten scheint den Menschen Angst zu machen“, sagte Shireman während der Podiumsdiskussion. „Ich glaube, dass wir das sicher schaffen können. Wir haben [thermoelektrische Radioisotopengeneratoren] im Weltraum geflogen und sie gestartet, und ich denke, wir können Reaktoren starten.“

Die Durchführung von Demonstrationen wie DRACO wird dazu beitragen, die Betreiber nicht nur über die technischen Herausforderungen des Einsatzes von Kernantrieben im Weltraum aufzuklären, sondern ihnen auch dabei helfen, „alle Probleme zu verstehen, die man im regulatorischen Umfeld lösen muss“, sagte er. „Also, ich mache mir darüber Sorgen, aber ich weiß, dass wir es schaffen können.“

Dodson sagte, DARPA fühle sich „sehr wohl und sicher, innerhalb der bestehenden Regulierungs- und Sicherheitsrahmen für DRACO zu arbeiten“, und wies darauf hin, dass der „Sicherheitsansatz des Programms auf vier allgemeinen Designkriterien basiert“ – den Reaktor niemals einschalten, bevor er in den Weltraum gelangt; alles tun, um zu verhindern, dass sich der Reaktor versehentlich einschaltet; Verhinderung radiologischer Risiken für die Öffentlichkeit gemäß National Security Presidential Memorandum-20; und die Entsorgung des Reaktors während er sich in einer Umlaufbahn im Weltraum befindet, im Einklang mit den Orbital Debris Mitigation Standard Practices der US-Regierung.

„Ich möchte versuchen, mir eine Zukunft vorzustellen, in der sich die Menschen genauso an das Konzept von Kernreaktoren im Weltraum gewöhnen und damit vertraut werden, wie wir es mit dem Einsatz dieser Reaktoren durch die Marine in Schiffen und U-Booten tun“, sagte sie. „Die Marine verfügt über eine perfekte Sicherheitsbilanz bei Reaktoren im Meer … Sie gehen von der Produktion über die Herstellung bis hin zu Installation, Experiment und Einsatz ein großartiges Beispiel. Daher denke ich, dass wir uns bemühen könnten und sollten, einfach ihrem Beispiel zu folgen, wenn wir die nuklearen Fähigkeiten im Weltraum demonstrieren.

Trotz des Engagements der DARPA für die Sicherheit steht es für nukleare Antriebssysteme vor einem harten Kampf, in großem Maßstab auf Raumfahrzeugen eingesetzt zu werden, sagte Joel Sercel, Gründer und CEO von TransAstra, einem Raumfahrttechnologieunternehmen.

„Kernreaktoren sind die effizienteste Energiequelle, die wir haben, und der Ingenieur in mir liebt sie“, sagte Sercel in einem Interview. „Das Problem ist, dass die Gesellschaft so ziemlich gesagt hat, dass wir das nicht tun werden. Und wenn die Ingenieursbegeisterten … darüber sehr begeistert sind, können sie bestimmte Ebenen von Entscheidungsträgern davon überzeugen, dass dies das Richtige ist. Aber sobald es anfängt, die milliardenschwere Finanzierungsgrenze zu durchbrechen, fragen sich die Erwachsenen im Raum: „Und wie soll das im Weltraum hinbekommen werden?“ Und wie wollen Sie das testen?‘“

Die Überwindung der physischen Barrieren – der erforderlichen Einrichtungen und Tests zum Nachweis der Sicherheit der Technologie – und der psychologischen Barrieren sei nicht haltbar gewesen, sagte er.

Im Mai vergab die Space Force an TransAstra einen Phase-1-Auftrag zur Innovationsforschung für kleine Unternehmen, um neue Anwendungen für das treibstoffunabhängige Omnivore-Triebwerk des Unternehmens zu erforschen.

Das Omnivore-Triebwerk verwendet Solarreflektoren, um Sonnenlicht auf einen Solarabsorber zu fokussieren, der dann den Treibstoff des Systems überhitzt, um Schub zu erzeugen, „normalerweise sechsmal schneller und achtmal billiger als elektrische Systeme“, heißt es in einer Unternehmensmitteilung.

Darüber hinaus hat TransAstra berechnet, dass ein Omnivore-Triebwerk „mit flüssigem Wasserstofftreibstoff … eine ähnliche Leistung erbringen wird wie Atomraketen, jedoch ohne Nuklearmaterial, Kosten oder Risiko“.

Sercel sagte, Omnivore habe „80 Prozent der Leistung von Atomkraftwerken bei 1 Prozent der Kosten“. Das System wird im Wesentlichen nuklear angetrieben, „aber der fragliche Kernreaktor ist der Fusionsreaktor im Zentrum des Sonnensystems namens Sonne“, fügte er hinzu.

„Das Schöne an Kernreaktoren ist, dass man einen kleinen, kompakten Reaktor im Vergleich zu großen, ausfahrbaren Solarreflektoren hat, aber die grundsätzliche Leistung von solarthermischen Raketen und Kernraketen ist ungefähr gleich“, sagte er. Und mit Omnivore „haben Sie nicht all diese Sicherheitsbedenken und Probleme mit radioaktivem Material, Reaktorkontrolle und so weiter.“ Daher denken wir, dass es ein viel praktischerer Ansatz ist.“

Omnivore könnte mehrere Missionsanträge für das Verteidigungsministerium haben, sagte Sercel. Mit flüssigem Wasserstoff als Treibstoff kann das Triebwerk „Hunderte Kilogramm“ Raumschiffe „mit kleinen Trägerraketen“ in die geosynchrone Umlaufbahn befördern, und die Space Force scheint davon sehr begeistert zu sein, sagte er. Das System könne auch Raumfahrzeuge mit einem Gewicht von mehr als 100 Kilogramm in den Mondraum befördern, sagte er.

Darüber hinaus verfügt TransAstra über eine Omnivore-Variante, die Wasser als Treibstoff verwendet, wobei der Solarabsorber den Wasserdampf überhitzt und das Gas durch eine Düse freisetzt, um Schub zu erzeugen.

Die wasserbasierte Variante kann auf den kleinen Worker Bee-Orbitaltransferfahrzeugen des Unternehmens platziert werden, von denen etwa 25 auf eine einzige Falcon 9-Rakete passen, sagte Sercel.

„Jede [Worker Bee] könnte bis zu sechs kleine [Satelliten] zu ihren Orbitzielen bringen. So können wir eine vollständige Konstellation von 100 kleinen oder Mikro-[Satelliten] zu allen unterschiedlichen Neigungswinkeln liefern, und Sie würden mit einem Start eine globale Abdeckung erhalten.“

TransAstra hat im Labor des Unternehmens in Los Angeles Forschungen und Tests an Omnivore mit verschiedenen Treibstoffen durchgeführt. Ziel ist es, das Triebwerk in zwei Jahren im Orbit zu demonstrieren, „sobald wir die letzte Finanzierungsrunde gesichert haben, um dies zu ermöglichen, “, sagte Sercel. Das Unternehmen sei durch seine bisherige Beziehung zur Space Force ermutigt worden, fügte er hinzu.

„Als privates Unternehmen ist es manchmal etwas schwierig, genau zu verstehen, wonach die Space Force sucht“, sagte er. Im Rahmen der SBIR-Auszeichnung stellte der Dienst TransAstra „einen Vertragsvertreter zur Verfügung, der Ingenieur im Air Force Research Lab ist, um mit uns zusammenzuarbeiten und uns dabei zu helfen, die Benutzer innerhalb der Space Force zu finden, und wir glauben, dass dies dabei helfen wird, diese Verbindungen zur herzustellen.“ Markt."

Die Space Force „war brillant und zukunftsorientiert, indem sie anders mit nicht-traditionellen Lieferanten zusammenarbeitete, um kommerzielle Verträge zu nutzen“, fuhr er fort. „Statt der Art und Weise, wie die traditionelle Beschaffung durch die Regierung – die nicht sehr effizient war – funktioniert hat, untersucht die Regierung ein Problem, findet eine Lösung und sagt dann den Auftragnehmern, was die Lösung ist, und fragt sie, wie viel.“ es kostet.

„Stattdessen sagt die Space Force, wo das Problem liegt, und lässt Innovatoren aus dem Privatsektor Lösungen finden“, sagte er. „Und wir glauben, dass sich das für den Steuerzahler enorm auszahlen wird.“ ND

Themen:Neue Technologien, Verteidigungsministerium

ALLE EREIGNISSE ANZEIGEN

Der größte Vorteil der Kernenergie ist natürlich die Tatsache, dass man keine große Ladung Wasser oder Sauerstoff zur Treibstoffgewinnung in den Orbit transportieren muss. Ein Kernkern kann mit einem Bruchteil der Treibstoffmasse sehr, sehr lange einen hohen Schub liefern. Im Weltraum ist es sinnlos, sich über Radioaktivität Sorgen zu machen, da der Weltraum bereits mit Radioaktivität beladen ist und jeder radioaktive Schub, der von einem NERVA-Triebwerk abgegeben wird, statistisch bedeutungslos ist.