Michael Paluszek: „Kernfusionsbetriebene Marsmission“

Heute werden wir über Missionen zum Mars mit Kernfusionsantrieb sprechen.

Der Direkte Fusionsantrieb (Direct Fusion Drive, DFD) ist ein Kernfusions-Raketenantrieb für den Einsatz im Weltraum. Der DFD erzeugt nicht genug Schub, um von einem Planeten oder vom Mond aus damit starten zu können. In diesem Vortrag stellen wir ein Transferfahrzeug vor, das mit einem schubstarken nuklear-thermischen Antrieb die Erdumlaufbahn verläßt und in eine Umlaufbahn um den Mars einschwenkt.

Wir werden über zwei Arten von Kernreaktionen sprechen: die Kernspaltung, bei der Atome gespalten werden, und die Kernfusion, bei der sich Atome verbinden.

Der DFD ist ein neuartiger Raketenantrieb, der aus einem Fusionsreaktor besteht, der eine Plasma-Rakete antreibt. Das unterscheidet sich von vielen anderen Kernfusionstechnologien, weil dieses Fusionstriebwerk sowohl Antrieb als auch Strom für den Betrieb der Nutzlast erzeugen kann.

Und so funktioniert es:

Das DFD-Triebwerk besteht aus einer linearen Anordnung koaxialer Magnete mit einem Paar kleinerer, aber stärkerer Spiegelmagnete an den Enden. Im Zentrum der Anordnung der Magnete ist eine Fusionsregion, und um sie herum fließt kühles Plasma, um Energie zu gewinnen. Diese Fusionsregion ist etwa so lang wie ein Surfbrett und enthält sehr heißes Plasma, das sich wie ein Motor dreht. Antennen, die den Motor umgeben, erzeugen einen neuartigen Hochfrequenz-Heizmechanismus, der auf bestimmte Brennstoff-Ionen abgestimmt ist und einen Strom im Plasma erzeugt. Die Plasma-Ionen werden mit zunehmenden Energiezyklen hochgepumpt, bis die Ionen heiß genug sind, um zu verschmelzen.

Sobald die Ionen verschmelzen, erzeugen sie neue, sehr energiereiche Teilchen, die als Fusionsprodukte bezeichnet werden. Diese Teilchen folgen Bahnen, die sie in die kühle Plasmaschicht hinein und aus ihr heraus führen, während sie die Magnetfeldlinien umkreisen. Bei jedem Durchgang verlieren die Fusionsprodukte Energie, bis sie von den offenen Feldlinien eingefangen werden und hinten aus dem Triebwerk herausschießen. Dies dauert nur wenige Millisekunden.

Der Spiegelmagnet am Ende des Triebwerks wandelt diese thermische Energie der Elektronen in kinetische Energie der Ionen um, wodurch Schub erzeugt wird, genau wie bei einer normalen Raketendüse. Die zusätzliche Wärme aus der Fusionsreaktion wird in Elektrizität umgewandelt und liefert Strom für wissenschaftliche Instrumente und Kommunikation.

Die verwendeten Brennstoffe oder Reaktionspartner sind Deuterium und Helium-3. Die Hauptreaktion ist Deuterium plus Helium-3, wobei Helium-4 (die Art Helium, die man in Heliumballons sieht) und ein Proton entstehen. Die meiste Energie steckt in dieser Reaktion.

Wir erhalten auch Nebenreaktionen, bei denen Tritium und Neutronen entstehen. Neutronen beschädigen die Wände, aber es gibt glücklicherweise nicht sehr viele davon.

Tabelle 1: Eigenschaften des DFD-Motors

Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften des Direkten Fusionsantriebs. Die Spezifische Leistung ist ein sehr wichtiger Parameter, denn sie zeigt, wie viel Leistung wir pro Masseneinheit erhalten, und das bestimmt, wie gut ein Motor ist. Der Wirkungsgrad besagt, wie viel Leistung von der Fusionsreaktion in den Schub geht. Der Treibstofftankanteil ist besonders wichtig, weil er letztlich begrenzt, wie viel Delta v [ΔV, Maß für Manövrierfähigkeit] man mit einem bestimmten Triebwerk bei einer bestimmten Abgasgeschwindigkeit erhalten kann. Sie werden feststellen, daß die Ausströmungsgeschwindigkeit mit 300 km/s sehr hoch ist. Ein typisches Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk, wie es in einer Rakete wie dem Space Shuttle verwendet wird, hat eine Geschwindigkeit von etwa 4,5 km/s; ein Hall-Triebwerk hat eine Geschwindigkeit von 20 km/s. Die Fusionsenergie eines typischen Triebwerks beträgt 1 Megawatt (MW).

© PSS

Abb. 1: Aufteilung der Masse eines 1 MW-Fusions-Direktantriebs auf seine verschiedenen Komponenten.

Abbildung 1 zeigt Ihnen die Aufteilung der Masse des Antriebs auf alle seine Komponenten. Das Rotierende Magnetfeld (RMF₀) und der Radiofrequenz-Antrieb treiben die Fusionsreaktion an, verschwenden aber auch Energie und Bremsstrahlung, das ist Röntgen- und Synchrotronstrahlung. All dies wird in den Motor zurückgeführt, und ein Teil davon geht als Abwärme an den Kühler verloren.

Schnellere Weltraumflüge mit dem Fusionsantrieb

Mit einem Fusionsantrieb können Sie viel schneller an andere Orte gelangen. Wir können den Jupiter in einem Jahr erreichen, den Saturn in zwei und den Pluto in fünf Jahren. Die NASA-Mission New Horizon brauchte etwa neun Jahre, um zum Pluto zu gelangen, und sie konnte nicht in die Umlaufbahn gebracht werden. Mit dem DFD könnten wir in eine Umlaufbahn einschwenken, die verschiedene neue Forschungen ermöglicht.

Wir starten von der Erde und verlassen kurz danach die Erdumlaufbahn in Richtung Mars. Dann bleiben wir fast ein Jahr auf dem Mars, auf der Oberfläche, machen Experimente und richten neue Technologie und Behausungen für zukünftige Reisende ein, und kehren dann zur Erde zurück. Die ganze Mission dauert nur sehr kurze Zeit, viel weniger, als wenn man wie mit einem chemischen Antrieb einen Hohmann-Transfer verwenden würde.

Wir verlassen die Erde in einer Spiralbahn, das könnte bis zu 30 Tage dauern. Daher ist eine Idee, einen nuklear-thermischen Antrieb zu verwenden, der den zehnfachen Schub erzeugt, um uns aus der Erdumlaufbahn zu bringen. Das wäre dann statt 30 Tagen nur etwas mehr als ein halber Tag. Andererseits verbraucht man dann aufgrund der viel geringeren Austrittsgeschwindigkeit sehr viel Wasserstoff.

© NASA

Abb. 2: NASA-Entwurf eines Nuklear-Thermischen Antriebs.

In Abbildung 2 sehen Sie rechts ein von der NASA entwickeltes nukleares Wärmekraftwerk, dessen Schub 7297 Newton beträgt, was ziemlich viel ist. Die Ausströmungsgeschwindigkeit beträgt jedoch nur 8,5 km/s, etwa doppelt so hoch wie die des Wasserstoff-Sauerstoff-Antriebs, den ich soeben erwähnt habe.

Was bedeutet das für die Marsmission? Wir können in hundert Tagen dorthin gelangen, was viel besser ist als die sechs Monate, die eine chemische Rakete brauchen würde. Wir könnten 30 Tonnen transportieren. Nun, wir haben das Triebwerk noch nicht gebaut, also ist das hypothetisch und basiert auf der Analyse. Aber man sieht, daß unser Schub viel geringer ist als bei der nuklearthermischen Stufe.

Neben dem Antrieb zum und vom Mars können wir den DFD auch als Energiequelle an der Oberfläche nutzen, denn der Direkte Fusionsantrieb wird auch für die Energieerzeugung entwickelt. Man kann diesen Antrieb also für den Betrieb von Stützpunkten verwenden, er liefert ein Megawatt elektrischen Strom für wissenschaftliche Experimente, für Produktion, Bergbau und Industrie auf dem Mond oder auf dem Mars. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

(Michael Paluszek erreichen Sie bei der Firma Princeton Fusion Systems über http://www.psatellite.com oder map@psatellite.com.)