NASA SR-1 Freedom: Bau des ersten nuklearen Raumfahrzeugs

Ein Objekt im Weltraum zu bewegen ist sehr energieintensiv, selbst wenn ein Raumfahrzeug bereits das Gravitationsfeld eines Planeten verlassen hat. Das liegt zum Teil daran, dass die Entfernungen zwischen Himmelskörpern so enorm sind.

Zum Beispiel, wenn die Entfernung vom Mond zur Erde nur 0,25 Meter betragen würde, wäre die Entfernung zwischen Mars und Erde 500 Meter und zu Neptun 30.000 Meter.

Daher gilt: Je schwerer das Raumfahrzeug, desto mehr Energie wird benötigt, um diese Masse mit einer Geschwindigkeit zu bewegen, die ausreicht, um diese gewaltigen Entfernungen zu überbrücken. Und dieselbe Energie wird erneut für die Verzögerung benötigt.

Eine weitere Einschränkung der Erforschung des tiefen Weltraums und interplanetarer Flüge besteht darin, dass zur Erzeugung von Schub Masse ausgeworfen werden muss. Je mehr Treibstoff, desto mehr tote Masse, was wiederum weitere Energie für den Antrieb erfordert. Für eine starke Beschleunigung muss der ausgeworfene Treibstoff mit sehr hoher Geschwindigkeit weggeschoben werden, um einen größeren Impuls zu erzeugen, und die Energiequelle muss so dicht wie möglich sein.

Aus all diesen Gründen ist die Idee, Kernenergie für die Raumfahrt zu nutzen, so alt wie die Anfänge der Kernenergieerzeugung, da Uran eines der dichtesten vorstellbaren „Brennstoffe“ ist, wobei ein Kilogramm Uran potenziell bis zu 23 Millionen kWh erzeugen kann, verglichen mit 13 kWh für 1 kg Öl und 7 kWh für 1 kg Kohle.

Quelle: Visual Capitalist

Allerdings wurden bisher keine der für die Raumfahrt erdachten Antriebskonzepte tatsächlich eingesetzt. Der einzige relativ verbreitete Einsatz von Kernenergie sind radiothermische Generatoren, die den passiven Zerfall radioaktiver Elemente mit relativ kurzer Halbwertszeit nutzen, um Rover und Sonden im tiefen Weltraum über Jahre oder sogar Jahrzehnte zu versorgen.

Dies könnte sich sehr bald ändern, mit einem Weltraumreaktor namens SR-1 Freedom, wobei SR für „Space Reactor“ steht.

Dieses nukleare elektrische Antriebssystem könnte bereits 2028 eingesetzt werden. Es soll die Skyfall‑Nutzlast von drei Ingenuity‑Klassen‑Hubschraubern zum Mars bringen. Es wird hauptsächlich zur Demonstration der Technologie verwendet, aber in der geplanten Größe wird es nicht wesentlich schneller sein als eine reguläre Sonde.

“Die Skyfall‑Hubschrauber werden Kameras und bodendurchdringendes Radar mitführen, um einen zukünftigen Landeplatz zu erkunden und die Hänge sowie Gefahren für bemannte Lander zu verstehen. Sie werden außerdem das unterirdische Wassereis kartieren und charakterisieren, um herauszufinden, wo die Eisschichten liegen, sowie deren Größe, Tiefe und weitere wichtige Eigenschaften.”
Steve Sinacore, Leiter des Fissionsoberflächenenergieprogramms bei NASA

Dies ist Teil einer umfassenderen Neuausrichtung der NASA-Programme, zu denen wahrscheinlich die vollständige Einstellung der Lunar‑Gateway‑Raumstation, die Neuorganisation der Artemis‑Mission und ein ambitionierterer Ausbau der zukünftigen Mondbasis gehören, kurz nach dem erfolgreichen Start von Artemis II, der erstmals seit über 50 Jahren Astronauten in den Mondorbit bringen wird.

Die vielen Arten der nuklearen Raumfahrtantriebe

Nuklearer elektrischer Antrieb

Das nukleare Antriebssystem der SR-1 Freedom ist nuklear elektrisch, das heißt, es nutzt zunächst einen Kernreaktor zur Stromerzeugung, und diese Energie wird dann von den Triebwerken des Raumfahrzeugs in Schub umgewandelt.

Um Strom in Schub und damit in nutzbare Bewegung umzuwandeln, wird am häufigsten die Methode der Ionenantriebe verwendet, die auch bei der SR-1 zum Einsatz kommt, nämlich Hall‑Effekt‑Triebwerke.

Diese Triebwerke ionisieren ein Gas mittels Elektrizität, wodurch das Gas, das als Treibstoff dient, im Wesentlichen mit Energie „beladen“ wird, meist Xenon oder Krypton. Diese Systeme besitzen eine sehr hohe Effizienz von 45‑60 % und einen hohen spezifischen Impuls, was bedeutet, dass für dieselbe Antriebskraft weniger Treibstoffmasse benötigt wird.

Allerdings sind Ionenantriebe einzeln relativ schwach, sodass sie am besten für Langstreckenflüge geeignet sind, bei denen eine langsame, gleichmäßige Beschleunigung zu hohen Geschwindigkeiten führen kann.

Bisher wurden Ionenantriebe eingesetzt, jedoch sind sie durch die von den Solarpaneelen der Sonde bereitgestellte Energie begrenzt. Mit einer nuklearen Energiequelle kann deutlich mehr Schub und Beschleunigung erzeugt werden.

Dies ist bei weitem die ausgereifteste Form der nuklearen Antriebe, da sowohl die nukleare Stromerzeugung als auch Ionenantriebe gut etablierte Technologien sind. Es bleibt also nur eine Frage von Design und Ingenieurwesen, sie zusammenzuführen, weshalb der Zeitplan für den Einsatz der SR-1 so kurz ist.

Nuklearer thermischer Antrieb

Kernreaktoren erzeugen Leistung, indem sie Radioaktivität in Wärme umwandeln und diese Wärme anschließend in Strom verwandeln.

Bei dieser Antriebsmethode wird die Zwischenschritt eliminiert und die Wärme direkt genutzt. Die Idee besteht darin, Kernenergie zu verwenden, um einen Treibstoff, meist flüssigen Wasserstoff, zu überhitzen und das heiße Gas zu beschleunigen, um Bewegung zu erzeugen.

Theoretisch könnte diese Idee ein enormes Schubpotenzial erzeugen. In der Praxis erfordert sie jedoch gleichzeitig große Mengen an Kernenergie und Treibstoff, was sie hauptsächlich für massive Raumfahrzeuge geeignet macht, die deutlich größer sind als übliche interstellare Sonden oder sogar ein super schwerer Raketentyp wie Starship.

Andere nukleare Antriebssysteme

Die Energiedichte der Kernenergie hat noch wilderen potenzielle Konzepte hervorgebracht.

Zum Beispiel Project Orion, das in den 1950er und 1960er Jahren ernsthaft diskutiert wurde, stand im Zentrum des Kalten Krieges. Es sah eine Reihe von nuklearen Explosionen als Hauptantriebsmittel vor, wobei das Raumfahrzeug durch einen massiven Schild vor Strahlung und Schäden geschützt werden sollte – ein Konzept, das als nuklearer Pulsantrieb bekannt ist.

Weitere Ideen, wie Fissionsfragment-Raketen oder Gas‑Kern‑Reaktor‑Raketen, erwägen, den nuklearen Brennstoff selbst als Treibstoffmaterial auszustrahlen.

Allerdings sind diese Ideen in den meisten Fällen eher theoretisch als praktisch, vor allem weil das erforderliche Ausmaß an Raumschiffen derzeit nicht in absehbarer Zukunft realisierbar ist.

Warum hat die nukleare Antriebstechnik bisher nicht stattgefunden?

Geopolitik

Teilweise liegt der Grund, warum nukleare Antriebe nie realisiert wurden, darin, dass sie schlichtweg nicht benötigt wurden. Nach den mehrfachen Mondlandungen kühlte das Weltraumrennen zwischen UdSSR und USA ab.

Und mit dem Zusammenbruch der UdSSR verflog das Bestreben nach immer größeren Raumfahrzeugen oder zukünftigen Außenposten für mehrere Jahrzehnte.

Für Erkundungen weit von der Sonne entfernt reichten radiothermische Generatoren aus. Daher ist nuklearer Antrieb für bemannte Flüge, die nicht über die ISS hinausgehen, und für das Senden kleiner Sonden zum Mars oder tiefer in den Weltraum einfach nicht erforderlich.

Der Aufstieg Chinas als ernstzunehmende Raumfahrtmacht hat jedoch jetzt ein neues Weltraumrennen zum Mond und Mars ausgelöst. Das könnte die Wiederbelebung amerikanischer nuklearer Antriebsprojekte erklären, da nuklearer Antrieb wahrscheinlich für jede ernsthafte bemannte Mission zum Mars oder darüber hinaus erforderlich sein wird.

Politik und Nuklearbild

Das Bild der Kernenergie wurde zudem durch Unfälle wie Tschernobyl und Fukushima beschädigt, was die Idee, einen Kernreaktor jeglicher Größe ins All zu schicken, unpopulär machte. Ohne starke politische Unterstützung fehlte diesen Programmen der Schwung, um von Prototypen und Tests zu realen Raumfahrzeugen zu gelangen.

Zusätzlich haben der Weltraumvertrag von 1967 und der Teilteststopp‑Vertrag von 1963 nukleare Antriebskonzepte wie Project Orion beendet.

Schließlich ist das Starten von Material ins All immer ein riskantes Unterfangen, bei dem Raketen Gefahr laufen, zu versagen und auf dem Weg zur Umlaufbahn zu explodieren.

In einem solchen Fall könnte radioaktives Material über ein weites Gebiet verteilt werden, und selbst wenn die tatsächliche Menge minimal ist, hat die damit verbundene Gefahr einer Katastrophe die NASA zögern lassen, das Risiko ohne starken politischen Rückhalt der USA einzugehen.

Technische Probleme

Kernreaktoren, insbesondere in den 1950er‑ bis 1990er‑Jahren, waren massive Geräte. Diese Art von Kernreaktor ist im Weltraum, wo jedes Gramm zählt, eher schwierig bzw. unmöglich zu nutzen. Das zusätzliche Gewicht der Abschirmung gegen die Strahlung des Reaktors erhöht die Masse weiter.

Das ist in der Ära der SMRs (Small Modular Reactors) und Mikroreaktoren nicht mehr so zutreffend, doch diese Technologien sind relativ neue Entwicklungen.

Die Versprödung durch Neutronen, die die umgebenden Materialien treffen, kann Risse oder andere Schäden an Luft‑ und Raumfahrtmaterialien verursachen. Auch dies musste besser verstanden und gemindert werden.

Nukleare thermische Raketen sind zudem anfällig für Wasserstoffkorrosion, da Wasserstoff bei den vorgesehenen Temperaturen von 2.200°C (4.000 °F) extrem aggressiv wird und den Reaktor sowie die Antriebskomponenten angreift.

SR-1 Freedom Design

Ein leistungsstarker Reaktor und viele Erstentwicklungen

Die SR-1 Freedom wird auf einem 20‑40 kWe geschlossenen Brayton‑Zyklus‑Fissionsreaktor basieren, einem Design, das eine nukleare Wärmequelle mit einem Gasturbinen‑Stromumwandlungssystem in einem geschlossenen Kreislauf kombiniert. Abwärme wird dann über große, aus Titan gefertigte Strahler ins All abgeführt.

Quelle: CNET

Der Reaktor soll mit High‑Assay Low‑Enriched Uranium (HALEU) betrieben werden, das Uranoxid‑Brennstoff nutzt, welcher sicherer zu handhaben ist als waffenfähiger Brennstoff.

Um die Elektronik (und zukünftige Astronauten) vor der Strahlung des Reaktors zu schützen, ist dieser in einer Borcarbid‑Strahlenschutzabschirmung eingeschlossen, die die Strahlung vom Raumfahrzeug weglenkt.

SR-1 ist bei weitem nicht das erste Prototyp‑ oder Konzept für nukleare Antriebe, aber es wird das erste sein, das das Labor verlässt und den Weltraum erreicht, basierend auf jahrzehntelanger Erfahrung und Investitionen in diesem Bereich.

“In sechs Jahrzehnten hat die USA über 20 Milliarden Dollar in Dutzende von Weltraum‑Kernprogrammen investiert und genau einen Reaktor – SNAP‑10A im Jahr 1965 – ins All geschickt. Dieser verließ nie die Umlaufbahn. Milliarden ausgegeben, Jahrzehnte verloren. SR-1 beendet dieses Muster. Ein Mars‑Startfenster im Dezember 2028 zwingt Entscheidungen, die jahrzehntelange Studien nie getroffen haben.”
Jared Isaacman – NASA‑Administrator

Wiederverwendung von Lunar‑Gateway‑Modulen

Ein weiterer Faktor, der erklärt, wie die ultraschnelle Bereitstellung der SR-1 möglich ist, ist, dass der Ionenantriebsteil des Raumfahrzeugs bereits fertig ist.

Das verwendete Antriebssystem wird das fast fertiggestellte, von der NASA entwickelte Raumfahrzeug‑Bus‑Element Power and Propulsion Element (PPE) sein, das ursprünglich für das Lunar‑Gateway entwickelt wurde.

Da die Mondstation offenbar eingestellt wird, werden ihre Elemente, größtenteils von Nasa‑Partnern in Europa, Japan, Südkorea, Kanada und anderen gebaut, in Projekten wie SR-1 wiederverwendet, was besser zu den neuen Weltraumambitionen der NASA und der USA passt.

“Jeder Vermögenswert, jedes Kilogramm, alle Mondforschungsressourcen, die wir haben, werden auf eine Sache konzentriert: den Bau der Mondbasis,”
Carlos Garcia-Galan – stellvertretender Leiter des Gateway‑Programms

PPE ist mit vier 6‑kW Hall‑Effekt‑Triebwerken von Busek und drei 12‑kW Advanced Electric Propulsion System Hall‑Effekt‑Triebwerken ausgestattet, die von NASA und Aerojet Rocketdyne, einer Tochtergesellschaft von L3Harris, entwickelt wurden (LHX ).

Die hocheffizienten Solarpaneele des PPE werden ebenfalls beibehalten, falls der experimentelle Kernreaktor Wartung benötigt oder ein Problem auftritt.

Jenseits von SR-1

Hin zu mehr Kernenergie im Weltraum

Ziel der SR-1 ist es, einen realen Test des Kernreaktordesigns zu ermöglichen, sowohl für den Antrieb als auch für andere Anwendungen.

Daher wird sie wahrscheinlich eines Tages für einen bemannten Flug zum Mars eingesetzt werden, aber sie hat auch unmittelbarere Anwendungen.

Zum Beispiel werden die von der SR-1 Freedom‑Mission zum Mars gesammelten Daten für die Entwicklung von Lunar Reactor-1 (LR-1) wichtig sein.

“In den 2030er‑Jahren werden wir die Produktion weiterer Reaktoren hochskalieren. Wir sprechen von Hunderten Kilowatt bis hin zu Megawatt‑Klasse‑Reaktoren für alle nuklearen Anwendungen. Hochleistungsmissionen zum Mond, bemannte Missionen zum Mars, mit kommerzieller Beteiligung und wiederholbarer Produktion.”
Steve Sinacore, Leiter des Fissionsoberflächenenergieprogramms bei NASA

Dieser Fissionsreaktor wird so konzipiert sein, dass er während sonnenloser Perioden kontinuierliche Energie für eine Mondbasis liefert und zudem eine geschlossene Brayton‑Zyklus‑Stromumwandlungseinheit nutzt.

“Das Fissionsoberflächenenergie‑Programm soll in Phase 3 etwas mit mehr Kapazität liefern, möglicherweise mehr als ein System, für die Kapazität, die wir für die Mondbasis benötigen werden. Alles, was wir tun können, um nicht ausschließlich auf Solarenergie angewiesen zu sein und den Systemen Heizung und eventuell etwas Strom zu ermöglichen, wird für unser Vorankommen von großem Wert sein.”
Carlos Garcia-Galan – stellvertretender Leiter des Gateway‑Programms

Langfristig wird das wichtigste Erbe der SR-1 wahrscheinlich die Möglichkeit eines bemannten nuklearen Flugs zum Mars sein, der vier Monate oder sogar weniger dauert, im Vergleich zu neun Monaten oder mehr, die mit chemischen Raketen möglich wären.

Zukünftige nukleare Antriebssysteme

Ursprünglich für 2027 geplant, wurde DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), ein thermischer Raketentriebwerk, im Jahr 2025 abgesagt, da man der Ansicht war, dass Raketen wie SpaceX‑Starship für orbitalen und cis‑lunaren Flug ausreichend sind.

Dennoch könnte diese Technologie potenziell die Reisezeit zum Mars halbieren, ähnlich dem potenziellen Erbe der SR-1.

Langfristig, wenn elektrische nukleare Antriebe zur Norm werden, könnten auch andere Formen nuklearer Antriebe praktikabel werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, SR-1‑artige Antriebssysteme auf ein Frachtschiff zu installieren, das regelmäßig zwischen Mond oder Mars pendeln und andere Raumfahrzeuge beschleunigen kann, wobei nur gelegentlich ein Nachfüllen von Gas‑Treibstoff oder radioaktivem Brennstoff nötig wäre. Auf diese Weise könnte dasselbe System Antrieb für Dutzende von Missionen im tiefen Weltraum liefern.

In diesem Konzept könnte elektrische oder thermische nukleare Antriebstechnik für die Erforschung des tiefen Weltraums das erreichen, was SpaceX für orbitalen Starts getan hat: wiederverwendbare, langlebige Fahrzeuge zu schaffen, die sowohl Kosten senken als auch die Raumfahrt deutlich effizienter machen, wodurch viel größere Nutzlastmassen transportiert werden können.

Investition in SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris ist ein bedeutender Anbieter im Bereich Luft‑ und Raumfahrt sowie Verteidigung, das Ergebnis der Fusion von L3 Technologies und Harris Corporation im Jahr 2019.

Das Unternehmen liefert nicht nur die Hall‑Effekt‑Triebwerke für die SR-1, sondern ist auch direkt an der Entwicklung des Fissionsoberflächenenergieprogramms beteiligt, das nukleare Energie zur zukünftigen amerikanischen Mondbasis bringen wird.

“Nuklearer Antrieb kann die Erforschung der entlegensten Regionen des Sonnensystems und darüber hinaus ermöglichen, die nationale Sicherheit stärken und bahnbrechende Entdeckungen ermöglichen. Die Manövrierfähigkeit im Weltraum war lange ein begrenzender Faktor für die ambitioniertesten robotischen Erkundungen und andere einzigartige Regierungsanwendungen, und L3Harris hat sich verpflichtet, diese Einschränkung zu beseitigen.”
Kristin Houston, Präsidentin, Raumfahrtantriebe und Energiesysteme, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Sein elektrisches Antriebssystem wurde ebenfalls von der NASA‑Mission Dawn zu den Hauptgürtel‑Asteroiden Ceres und Vesta verwendet.

Das Unternehmen untersucht zudem den nuklearen thermischen Antrieb (NTP) und baut dabei auf seiner neuen Erfahrung mit elektrischem nuklearem Antrieb sowie seiner deutlich länger etablierten Erfahrung mit radioisotopen Thermogeneratoren auf, die die Stromversorgung sowohl für den Mars‑Curiosity‑Rover als auch für den Mars‑Perseverance‑Rover bereitstellten.

Der Weltraum ist jedoch nur ein Segment der Aktivitäten des Unternehmens.

Das Kerngeschäft besteht darin, dem US‑Militär und seinen Verbündeten sichere Kommunikation (die Hälfte des globalen Marktes für taktische Funkgeräte), Leitstellen, Radar‑ und Kommunikationssysteme, elektronische Kriegsführung, Satelliten zur Raketenstart‑Erkennung usw. bereitzustellen.

Aerodyne, das Unternehmen, das SR-1 mit seinen Antriebssystemen versorgt, ist zudem ein bedeutender Hersteller von Raketen, einschließlich Munition für Raketenabwehrsysteme, deren Bestand durch die Kriege in der Ukraine und im Iran stark beansprucht wurde.

Im Allgemeinen wird das geplante Wachstum des US‑Militärbudgets von 1 Billion auf 1,5 Billion Dollar voraussichtlich alle Investoren im Verteidigungssektor anziehen, insbesondere da der Krieg in der Ukraine den Bestand erschöpft hat und der Konflikt mit dem Iran den Bedarf an mehr Munition und Raketenabwehr verdeutlicht hat.

Diese letzte Erkenntnis über die Entwicklung der Militärstrategie könnte L3Harris am meisten zugutekommen. Wenn die Ukraine die Bedeutung von Drohnen und elektronischer Kriegsführung aufgezeigt hat, hat der Konflikt mit dem Iran die Wichtigkeit von Raketenabwehrsystemen hervorgehoben. Und vor allem die Notwendigkeit eines umfangreichen Bestands an Abfangraketen, da jede ankommende Rakete 2‑3 Abfangraketen verbraucht.

Zusätzlich dürfte die erneute Ambition der NASA das Unternehmen als Hauptlieferanten von Ionenantrieben und Weltraum‑Kernenergie ebenfalls begünstigen.

(Sie können mehr über die Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsaktivitäten von L3Harris in unserem Investment‑Report, der dem Unternehmen gewidmet ist lesen)

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