NASA SR-1 Freedom: Het bouwen van het eerste nucleaire ruimtevaartuig

Een object in de ruimte verplaatsen kost veel energie, zelfs nadat een ruimtevaartuig de zwaartekrachtput van een planeet heeft verlaten. Dit komt deels doordat de afstand tussen hemellichamen zo enorm is.

Stel bijvoorbeeld dat de afstand van de maan tot de aarde slechts 0,25 meter zou zijn, dan zou de afstand tussen Mars en de aarde 500 meter bedragen, en naar Neptunus 30.000 meter.

Hoe zwaarder het ruimtevaartuig, hoe meer energie nodig is om die massa met een snelheid te verplaatsen die voldoende is om deze enorme afstand te overbruggen. En vervolgens is dezelfde energie opnieuw nodig voor het vertragen.

Een andere beperking van verkenning van de diepe ruimte en interplanetaire vluchten is dat er voor voortstuwing massa moet worden uitgestoten. Hoe meer brandstof, hoe meer dode massa, wat extra energie voor voortstuwing vereist. Voor een sterke versnelling moet de uitgestoten brandstof met een zeer hoge snelheid worden weggeduwd, waardoor een groter momentum ontstaat, en moet de energiebron zo dicht mogelijk zijn.

Om al deze redenen is het idee om nucleaire energie te gebruiken voor ruimtevaart net zo oud als het begin van de nucleaire energieopwekking, aangezien uranium een van de dichtste “brandstoffen” is die men zich kan voorstellen, met één kilo uranium dat potentieel tot 23 miljoen kWh kan genereren, vergeleken met 13 kWh voor 1 kg olie en 7 kWh voor 1 kg steenkool.

Bron: Visual Capitalist

Tot nu toe zijn echter geen van de voorstellingen voor voortstuwing in de ruimte gebruikt. Het enige relatief veelvoorkomende gebruik van nucleaire energie zijn radiothermische generatoren, die de passieve verval van radioactieve elementen met een relatief korte halveringstijd gebruiken om rovers en sondes in de diepe ruimte jarenlang of zelfs decennialang van stroom te voorzien.

Dit zou heel snel kunnen veranderen, met een ruimtereactor genaamd de SR-1 Freedom, waarbij SR staat voor “Space Reactor”.

Dit nucleaire elektrische voortstuwingssysteem zou al in 2028 ingezet kunnen worden. Het zal worden gebruikt om de Skyfall‑payload van drie Ingenuity‑klasse helikopters naar Mars te brengen. Het zal voornamelijk worden ingezet om de technologie te demonstreren, maar in de geplande omvang zal het niet aanzienlijk sneller zijn dan een gewone sonde.

“De Skyfall‑helikopters zullen camera’s en gronddoorlatende radar meenemen om een toekomstige landingsplaats te verkennen en de hellingen en gevaren voor landers op menselijke schaal te begrijpen. Ze zullen ook het ondergrondse waterijs in kaart brengen en karakteriseren om te achterhalen waar de waterijsafzettingen zich bevinden, evenals de grootte, diepte en andere belangrijke kenmerken.”

Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA

Dit maakt deel uit van een grotere herziening van NASA‑programma’s, waaronder de waarschijnlijk volledige annulering van het Lunar Gateway‑ruimtestation, de reorganisatie van de Artemis‑missie, en een ambitieuzere opbouw voor de toekomstige maanbasis, net na de succesvolle lancering van Artemis II, die voor het eerst in meer dan 50 jaar astronauten in de baan om de maan zal brengen.

De vele soorten nucleaire ruimtevoortstuwing

Nucleaire elektrische voortstuwing

Het nucleaire voortstuwingssysteem van de SR-1 Freedom is nucleair elektrisch, dus het gebruikt eerst een nucleaire reactor om elektriciteit te produceren, en deze stroom wordt vervolgens gebruikt om stuwkracht te genereren via de raketmotoren van het ruimtevaartuig.

Om elektriciteit om te zetten in stuwkracht, en dus in bruikbare beweging, is de meest gebruikte methode – en de methode die door de SR-1 Freedom wordt gebruikt – ionthrusters. In het geval van SR-1 Hall‑effectthrusters.

Deze voortstuwing ioniseert een gas met elektriciteit, waardoor het gas dat als brandstof wordt gebruikt – meestal xenon of krypton – “opgeladen” wordt met energie. Deze thrusters hebben een zeer hoge efficiëntie van 45‑60 % en een hoge specifieke impuls, wat betekent dat er minder brandstofmassa nodig is voor hetzelfde voortstuwingsresultaat.

Ionthrusters zijn echter individueel relatief zwak, waardoor ze het meest geschikt zijn voor langeafstandsvluchten, waarbij een langzame en constante versnelling kan oplopen tot hoge snelheden.

Tot nu toe zijn ionthrusters gebruikt, maar ze werden beperkt door de energie die de zonnepanelen van de sonde leverden. Met een nucleaire energiebron kan veel meer stuwkracht en versnelling worden opgewekt.

Dit is verreweg de meest volwassen versie van nucleaire voortstuwing, aangezien zowel nucleaire energieopwekking als ionthrusters goed beheerde technologieën zijn. Het is dus alleen een kwestie van ontwerp en engineering om ze samen te laten werken, vandaar de korte deadline voor de inzet van de SR-1.

Nucleaire thermische voortstuwing

Nucleaire reactoren genereren vermogen door radioactiviteit om te zetten in warmte en vervolgens die warmte om te zetten in elektriciteit.

Deze voortstuwingsmethode snijdt de tussenstap weg en gebruikt direct de warmte zelf. Het idee is om nucleaire energie te gebruiken om een brandstof – meestal vloeibare waterstof – superverhit te maken en het hete gas te laten uitzetten om beweging te genereren.

Dit idee zou theoretisch een enorme voortstuwingscapaciteit kunnen opleveren. In de praktijk vereist het echter veel nucleaire energie in één keer en veel brandstof, wat betekent dat het vooral toepasbaar is op massieve ruimtevaartuigen, veel groter dan de gebruikelijke interstellaire sondes of zelfs een superzware raket zoals Starship.

Andere nucleaire voortstuwingssystemen

De energiedichtheid van nucleaire energie heeft zelfs nog wildere concepten voortgebracht.

Zo werd Project Orion, serieus besproken in de jaren 1950 en 1960, in het hart van de Koude Oorlog geplaatst. Het stelde zich een reeks nucleaire explosies voor als het belangrijkste voortstuwingsmiddel, waarbij het ruimtevaartuig werd beschermd tegen straling en schade door een massief schild – een concept dat bekend staat als nucleaire pulsvoortstuwing.

Andere ideeën, zoals fission fragment rockets of gas‑core reactor rockets, overwegen het uitwerpen van de nucleaire brandstof zelf als voortstuwingsmateriaal.

Deze ideeën zijn echter in de meeste gevallen meer theoretisch dan praktisch, grotendeels omdat de schaal van de ruimteschepen die daarvoor nodig zou zijn, simpelweg niet haalbaar is in de nabije toekomst.

Waarom is nucleaire voortstuwing nog niet gerealiseerd?

Geopolitiek

De reden dat nucleaire voortstuwing nooit heeft plaatsgevonden, is deels dat het simpelweg niet nodig was. Na de vele maanlandingen koelde de ruimtewedloop tussen de USSR en de VS af.

En met de ineenstorting van de USSR verdween de ambitie voor steeds grotere ruimtevaartuigen of toekomstige buitenaardse bases gedurende enkele decennia.

Voor verkenning ver van de zon waren radiothermische generatoren voldoende. Dus nucleaire voortstuwing is simpelweg niet vereist voor bemande vluchten, niet verder dan het ISS, en voor het sturen van kleine sondes naar Mars of dieper de ruimte in.

De opkomst van China als een zeer serieuze ruimtemacht heeft echter nu een nieuwe ruimtewedloop naar de maan en Mars in gang gezet. Dit zou de heropleving van Amerikaanse nucleaire voortstuwingsprojecten kunnen verklaren, aangezien nucleaire voortstuwing waarschijnlijk nodig zal zijn voor elke serieuze bemande vlucht naar Mars of verder.

Politiek en nucleair imago

Het imago van nucleaire energie is ook beschadigd door ongevallen zoals Tsjernobyl en Fukushima, waardoor het idee om een nucleaire reactor – van welke omvang dan ook – de ruimte in te sturen onpopulair is. Zonder sterke politieke steun hadden deze programma’s niet de impuls om van prototypes en tests naar echte ruimtevaartuigen te gaan.

Bovendien hebben het Ruimtetreaty van 1967 en het Partiële Testverbod van 1963 nucleaire voortstuwingsconcepten zoals Project Orion gedood.

Ten slotte is het lanceren van materiaal de ruimte altijd een risicovol project, met raketten die kunnen falen en exploderen op weg naar de baan.

In zo’n geval zou radioactief materiaal over een groot gebied kunnen worden verspreid, en zelfs als de werkelijke hoeveelheid minimaal is, heeft de potentiële ramp NASA terughoudend gemaakt om het risico te nemen zonder een sterke duw van de Amerikaanse politieke leiding.

Technische problemen

Nucleaire reactoren, vooral in de jaren 1950‑1990, waren massieve apparatuur. Dit type nucleaire reactor is tamelijk moeilijk, of zelfs onmogelijk, te gebruiken in de ruimte, waar elke gram massa telt. Het extra gewicht van afscherming tegen de straling van de reactor voegt nog meer massa toe.

Dit is minder het geval in het tijdperk van SMR’s (Small Modular Reactors) en micro‑reactoren, maar deze technologieën zijn een relatief nieuwe ontwikkeling.

Broosheid door neutronen die de omringende materialen raken kan scheuren of andere schade veroorzaken in lucht- en ruimtevaartmaterialen. Dit moest dus beter begrepen en gemitigeerd worden.

Nucleaire thermische raketten zijn ook kwetsbaar voor waterstofcorrosie, omdat waterstof extreem agressief wordt en de reactor‑ en voortstuwingscomponenten aantast bij de beoogde temperaturen van 2,200°C (4,000°F).

SR-1 Freedom‑ontwerp

Een krachtige reactor en vele primeurs

SR-1 Freedom zal gebaseerd zijn op een 20‑40 kWe gesloten Brayton‑cyclus fissiereactor, een ontwerp dat een nucleaire warmtebron combineert met een gasturbine‑energieomzettingssysteem in een gesloten kringloop. Afvalwarmte wordt vervolgens via grote radiatoren van titanium de ruimte in afgevoerd.

Bron: CNET

De reactor zal worden gevoed met high‑assay low‑enriched uranium (HALEU), gebruikmakend van uraniumdioxide‑brandstof, die veiliger te hanteren is dan wapengebruikte brandstof.

Om de elektronica (en toekomstige astronauten) te beschermen tegen de straling van de reactor, is deze omgeven door een stralingsscherm van boorcarbide dat de straling van het ruimtevaartuig wegleidt.

SR-1 is verre van het eerste prototype of concept van nucleaire voortstuwing, maar het zal wel het eerste zijn dat het laboratorium verlaat en de ruimte bereikt, gebouwd op tientallen jaren ervaring en investering in dit vakgebied.

“Gedurende zes decennia heeft de Verenigde Staten meer dan $20 miljard geïnvesteerd in tientallen ruimte‑nucleaire programma’s en precies één reactor gevlogen — SNAP‑10A, in 1965. Hij verliet nooit de baan. Miljarden uitgegeven, decennia verloren. SR‑1 breekt dat patroon. Een lanceervenster naar Mars in december 2028 dwingt beslissingen af die decennialang onderzoek niet hebben kunnen nemen.”

Jared Isaacman – NASA Administrator

Herbruik van Lunar Gateway‑modules

Een ander element dat de ultrasnelle inzet van de SR-1 mogelijk maakt, is dat het ionthruster‑deel van het ruimtevaartuig al klaar is.

Het voortstuwingssysteem dat zal worden gebruikt, is de bijna voltooide, door NASA ontwikkelde ruimtevaartuig‑bus, het Power and Propulsion Element (PPE), oorspronkelijk ontwikkeld voor de Lunar Gateway.

Aangezien het maanstation blijkbaar wordt afgeschreven, zullen de onderdelen – grotendeels gebouwd door NASA‑partners in Europa, Japan, Zuid‑Korea, Canada en anderen – worden hergebruikt in projecten zoals SR‑1, beter passend bij de nieuwe ruimte‑ambities van NASA en de VS.

“Elke asset, elke kilogram, al het maanverkenningsmateriaal dat we hebben, zal worden gericht op één ding, en dat is het bouwen van de maanbasis,”

Carlos Garcia‑Galan – deputy manager for the Gateway Program

Het PPE is uitgerust met vier Hall‑effectthrusters van 6 kW gebouwd door Busek en drie 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall‑effectthrusters ontwikkeld door NASA en Aerojet Rocketdyne , een dochteronderneming van L3Harris (LHX ).

De hoogwaardige zonne‑arrays van het PPE blijven behouden, voor het geval de experimentele nucleaire reactor onderhoud nodig heeft of een probleem ondervindt.

Voorbij SR-1

Op weg naar meer nucleaire energie in de ruimte

Het doel van de SR-1 is om een real‑life test van het nucleaire reactorontwerp te geven, zowel voor voortstuwing als voor andere toepassingen.

Dit zal waarschijnlijk op een dag worden gebruikt voor een bemande vlucht naar Mars, maar zal ook meer directe toepassingen hebben.

Zo zal de data die wordt verzameld tijdens de SR-1 Freedom‑vlucht naar Mars belangrijk zijn voor de ontwikkeling van Lunar Reactor‑1 (LR‑1).

“In de jaren 2030 zullen we opschalen en overgaan tot productie” van verdere reactoren. We hebben het over honderden kilowatts tot megawatt‑klasse reactoren voor alle nucleaire toepassingen. Missies met hoger vermogen naar de maan, bemande missies naar Mars, met commerciële deelname en repliceerbare productie.”

Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA

Deze fissiereactor zal worden ontworpen om continue energie te leveren voor een maanbasis tijdens perioden zonder zonlicht, en zal ook een gesloten Brayton‑cyclus energieomzettingsunit gebruiken.

“Het fission surface power‑programma is gepland om iets op fase drie te leveren voor meer capaciteit, en misschien meer dan één ding, voor de capaciteit die we verwachten nodig te hebben voor de maanbasis. Alles wat we kunnen doen om niet uitsluitend op zonne‑energie te moeten vertrouwen en de assets te laten verwarmen en misschien wat stroom te geven, zal goud waard zijn voor ons vermogen om dat vooruit te brengen.”

Carlos Garcia‑Galan – deputy manager for the Gateway Program

Desondanks zal op de lange termijn de belangrijkste erfenis van de SR-1 waarschijnlijk de mogelijkheid zijn voor bemande nucleaire vluchten naar Mars, die 4 maanden of zelfs minder duren, vergeleken met de 9 maanden of meer die met chemische raketten mogelijk zijn.

Toekomstige nucleaire voortstuwingssystemen

Oorspronkelijk gepland voor 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), een thermische raketmotor, werd in 2025 geannuleerd, omdat werd geconcludeerd dat raketten zoals SpaceX’s (SPCX ) Starship voldoende zijn voor orbitale en cis‑lunaire reizen.

Desondanks zou deze technologie de reistijd naar Mars potentieel kunnen halveren, vergelijkbaar met de potentiële erfenis van de SR‑1.

Op de lange termijn, als elektrische nucleaire voortstuwing genormaliseerd wordt, zouden andere vormen van nucleaire voortstuwing ook levensvatbaar kunnen worden.

Een andere mogelijkheid is om SR‑1‑type voortstuwingssystemen te monteren op een vrachtschip, dat heen en weer kan reizen naar de maan of Mars en andere ruimtevaartuigen kan versnellen, waarbij alleen af en toe navulling van gas‑propulsie of radioactieve brandstof nodig is. Op die manier zou hetzelfde systeem voortstuwing kunnen leveren voor tientallen missies naar de diepe ruimte.

In dat concept zou elektrische of thermische nucleaire voortstuwing voor de verkenning van de diepe ruimte kunnen bereiken wat SpaceX heeft bereikt voor orbitale lanceringen: het creëren van herbruikbare, langdurige vaartuigen die zowel kosten verlagen als ruimte‑reizen veel efficiënter maken, waardoor veel grotere ladingmassa’s kunnen worden verplaatst.

Investeren in SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris is een grote leverancier van lucht- en ruimtevaarttechnologie en defensie, het resultaat van de fusie tussen L3 Technologies en Harris Corporation in 2019.

Het bedrijf levert niet alleen de Hall‑effectthrusters voor de SR‑1, maar is ook direct betrokken bij de ontwikkeling van het fission surface power‑programma, dat nucleaire energie zal leveren aan de toekomstige Amerikaanse maanbasis.

“Nucleaire voortstuwing kan verkenning naar de verste uithoeken van het zonnestelsel en daarbuiten mogelijk maken, de nationale veiligheid versterken en baanbrekende ontdekkingen mogelijk maken. In‑space manoeuvreerbaarheid is al lange tijd een beperkende factor voor de meest ambitieuze robotverkenning en andere unieke overheidsapplicaties, en L3Harris zet zich in om die beperking weg te nemen.”

Kristin Houston, President, Space Propulsion and Power Systems, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Zijn elektrische voortstuwingssysteem werd ook gebruikt door NASA’s Dawn‑missie naar de hoofdriem‑asteroïden Ceres en Vesta.

Het bedrijf onderzoekt ook Nuclear Thermal Propulsion (NTP), voortbouwend op zijn nieuwe ervaring met elektrische nucleaire voortstuwing en zijn veel meer gevestigde ervaring met radio-isotoop thermische generatoren, die de stroomvoorziening leverden voor zowel de Mars Curiosity‑rover als de Mars Perseverance‑rover.

Echter, de ruimte is slechts één segment van de activiteiten van het bedrijf.

De kernactiviteit bestaat uit het leveren van veilige communicatie (de helft van de wereldmarkt voor tactische radio), commandocentra, radar‑ en communicatiesystemen, elektronische oorlogsvoering, satellieten voor detectie van raketlanceringen, enzovoort, aan het Amerikaanse leger en haar bondgenoten.

Aerodyne, het bedrijf dat SR‑1 van zijn voortstuwingssystemen voorziet, is ook een grote producent van raketten, inclusief munitie voor raketafweersystemen, waarvan de voorraad zwaar onder druk staat door de oorlogen in Oekraïne en Iran.

In het algemeen zal de geplande groei van het Amerikaanse defensiebudget van $1 triljoen naar $1,5 triljoen waarschijnlijk alle schepen voor investeerders in de defensiesector doen stijgen, vooral omdat de oorlog in Oekraïne de voorraden heeft uitgeput en de oorlog met Iran de noodzaak voor meer munitie en raketafweer heeft blootgelegd.

Het is deze laatste onthulling van de evolutie in militaire strategie die L3Harris het meest zou kunnen bevoordelen. Als Oekraïne het belang van drones en elektronische oorlogsvoering heeft laten zien, heeft het conflict met Iran het belang van raketafweersystemen benadrukt. En meer dan alles, het belang van een diepe voorraad interceptorraketten, aangezien elke inkomende raket 2‑3 interceptors verbruikt.

Daarnaast zal de hernieuwde ambitie van NASA ook het bedrijf ten goede komen als een belangrijke leverancier van ionthrusters en ruimte‑nucleaire energie.

(U kunt meer lezen over de lucht‑ en ruimtevaart‑ en defensieactiviteiten van L3Harris in ons investeringsrapport gewijd aan het bedrijf.)in ons investeringsrapport gewijd aan het bedrijf.

Laatste L3Harris (LHX) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen