Bild: NASA
Erste Tests der NASA sollen belegen, dass mit kompakter Nukleartechnologie Strom auch auf dem Erdtrabanten erzeugt werden könnte - und sogar auf dem Mars.
Forscher des US-Energieministeriums und der NASA haben kürzlich erstmals zentrale Technologien getestet, mit denen sich ein Nuklearreaktor zur Versorgung einer mit Astronauten besetzten Basis auf fernen Planeten aufbauen lassen soll. Die Untersuchungen, die auf die Versorgung bemannter Mond- und Marsmissionen abzielen, bestätigten den Wissenschaftlern zufolge, dass ein solches System bis 2020 gebaut werden könnte – "und zwar sicher, verlässlich und effizient", wie die NASA betont. Bis zu diesem Zeitpunkt sollen wieder Amerikaner auf den Mond.
Der geplante Kernreaktor spaltet Atome und gibt die Energie in Form von Wärme ab, um diese wiederum in Strom zu wandeln. Die Idee der Nutzung der Atomkraft im Weltraum ist bereits alt – schon in den späten Fünfzigerjahren sollte die Technik im Rahmen des "Project Orion" einen neuartigen Antrieb ermöglichen. In den Sechzigerjahren wurden dann eine Reihe kompakter experimenteller Weltraumatomreaktoren entwickelt. Das NASA-Projekt nannte sich einst "Systems Nuclear Auxiliary Power"-Programm. Sicherheitsbedenken und ein internationales Abkommen, das Kernkraft im Weltall offiziell verbot, stoppten die Entwicklung jedoch schließlich.
Die Atomkraft wird vor allem deshalb nun wieder für Mond- und Mars-Missionen interessant, weil sie im Gegensatz zu Alternativen wie der Solarenergie ständig Saft liefern kann. Der wird für die Lebenserhaltungssysteme einer Basis dringend benötigt – genauso wie zum Nachladen von Roboterfahrzeugen und zum Betrieb von Bohr-Equipment, das die NASA gerne auf Mond oder Mars mitbringen würde. Solar-Systeme würden zudem die Verwendung von Energiespeichersystemen wie Batterien oder Brennstoffzellen notwendig machen – was wiederum für eine Erhöhung des Gesamtgewichts sorgen dürfte. Ein weiteres Problem: Auf dem Mond ist es zeitweise 14 Tage lang dunkel. Zudem gibt es tiefe Krater, in die die Sonne nicht vordringen kann. Der Mars ist zudem weiter von der Sonne entfernt als Erde und Mond – dort steht also weniger Sonnenenergie zur Verfügung.
Das neue nukleare Energiesystem ist Teil eines NASA-Projekts, das seit 2006 läuft. "Fission Surface Power" genannt, untersucht es kleine Reaktoren, die zur Verwendung auf anderen Planeten einsetzbar wären. Atomkraft bleibt zwar eine umstrittene Technologie, doch glauben die Forscher, dass sich der Reaktor so gestalten lasse, dass er vollständig sicher sei. Zudem ließe er sich in sicherer Distanz zu den Astronauten vergraben, um jedweden Strahlungsaustritt unproblematisch zu machen.
Die jüngsten Tests untersuchten Ideen Der Koppelung eines Nuklearreaktors mit einem Stirling-Motor. Dabei kamen 40 Kilowatt Energie heraus – genug, um Mond- und Mars-Basen zu versorgen.
"Wir bauen kein System, das Hunderte Gigawatt erzeugen muss, wie man es von den Kraftwerken in unseren Städten kennt", meint Don Palac, Projekt-Manager am NASA Glenn Research Center in Cleveland. Das System müsse vor allem günstig, sicher und robust sein. "Unsere letzten Tests zeigten, dass wir das erfolgreich so bauen können", meint Palac.
Um Strom zu erzeugen, verwendeten die Forscher ein flüssiges Metall, um die Hitze des Reaktors auf den Stirling-Motor zu übertragen, der wiederum Gasdruck nutzt, um aus Wärme die notwendige Energie zur Stromerzeugung zu machen. Bei der Untersuchung verwendeten die Forscher noch keine nukleare Wärmequelle. Das flüssige Metall ist eine Mischung aus Natrium und Kalium, das bereits zuvor als Wärmeleiter von einem Reaktor zu einem Generator genutzt wurde, sagt Palac. Die NASA-Forscher sind jedoch die ersten, die auch noch einen Stirling-Motor verwendeten.
"Die sind sehr effizient und robust und wir glauben, dass sie acht Jahre lang ohne Wartung durchlaufen können", meint Lee Mason, Forschungsleiter des Projekts. Das System lieferte eine bessere Leistung als erwartet und generierte bereits 2,3 Kilowatt mit einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit.
Die Forscher entwickelten außerdem eine leichtgewichtige Kühlrippenanordnung, um die Hitze vom Reaktor wegzuführen. Der Prototyp entspricht in seiner Größe einem Zwanzigstel des geplanten Endsystems.
Die Forscher testeten das Kühlsystem in einer Vakuumkammer, die die fehlende Atmosphäre und die extremen Temperaturen auf dem Mond nachahmen kann – von plus 100 Grad Celsius am Tag auf über minus 100 Grad während der Nacht. Das Kühlrippensystem leitete sechs Kilowatt Energie ab – mehr als erwartet worden war. "Das war ein sehr erfolgreicher Test", meint Palac. Auf dem Mond muss das System aber zusätzlich auch noch mit den staubigen Verhältnissen klarkommen.
Schließlich testeten die Forscher den Stirling-Generator auch noch unter hoher Weltraumstrahlung in den Sandia National Laboratories in New Mexico. Das Ziel dabei war, die Leistungsfähigkeit des Motors bei Extrembedingungen zu prüfen, um sicherzustellen, dass die verwendeten Materialien keinen Schaden nehmen. Der Generator bekam dabei 20 Mal mehr Strahlung ab, als er während seiner Lebensdauer vermutlich ausgesetzt wäre. Dabei gab es keine größeren betrieblichen Probleme.
Forschungsleiter Mason zufolge sind die Tests sehr wichtig, weil sie die Durchführbarkeit des Grundsystems demonstrieren. Der nächste Schritt der Forscher ist nun der Aufbau einer vollständigen Demonstrationsanlagen. Dabei wird ein Reaktorsimulator mit Stirling-Motor und Kühlrippensystem kombiniert. Diese Tests sollen bis 2014 abgeschlossen sein.
Die Forscher arbeiten außerdem noch an der Energieübertragung und der Elektronik des Reaktors. "Eine Mondbasisstation benötigt viel Energie für Computer, lebenserhaltende Systeme und zum Erhitzen von Gestein, um Ressourcen wie Sauerstoff und Wasserstoff freizusetzen", meint Ross Radel, führendes Mitglied der Forschungsgruppe für fortgeschrittene Nuklearkonzepte an den Sandia-Laboren. Er und seine Kollegen arbeiten an der Analyse der Systemdynamik, einem Computermodell, das vorhersagen soll, wie der Reaktor während der Tests arbeitet. "Atom ist ein Sprungbrett hin zu mehr bemannter Weltraumfahrt", glaubt der Forscher.
Daniel Hollenbach, Nuklearwissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory, hält das Projekt für "faszinierend". Er halte es für die einzige Lösung, einen bemannten Trip zum Mars realisierbar zu machen.
Mason meint dagegen, dass die Kernspaltung zu einem von mehreren Konzepten gehört, die als Energiequelle für menschliche Missionen zu Mond und Mars in Betracht gezogen werden. Er ist überzeugt, dass die Technik, sollte die NASA sich für sie entscheiden, bis 2020 fertig gestellt sein wird.
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