DARPA und NASA wollen bis 2026 Atomraketen testen

Wenn Sie zum Mars fliegen möchten, müssen Sie Ihr Abflugdatum sorgfältig auswählen. Die idealen Startfenster gibt es nur alle 26 Monate, und diese Startfenster sind eng, weil die Planeten in einer Linie sein müssen. Buchstäblich.

Eine schnelle Rakete könnte diese Fenster vergrößern, die Dauer der Reise verkürzen und sowohl zeitkritische Fracht als auch Passagiere schonen. Das Problem besteht darin, dass die Geschwindigkeit heutiger Chemieraketen durch den Treibstoff und Sauerstoff, den sie transportieren können, begrenzt ist.

Stattdessen könnten Sie Kernkraft nutzen – nicht nur eine radioaktive Wärmequelle, wie sie den schwachen Ionenantrieb einer langfristigen Raumsonde antreiben könnte, sondern einen echten Spaltreaktor. Ein solcher Ofen könnte ein Rinnsal flüssigen Wasserstoffs mit 20 Kelvin zu einem Tornado aus Gas mit 2.700 Kelvin ausdehnen und es so ermöglichen, dass eine überschaubare Menge an Treibstoff auf halbem Weg zum Mars einen starken Schub erzeugt und diesen dann zum Abbremsen umkehrt.

Genau das wollen NASA und DARPA bauen, zunächst als Prototyp, dann als Mondrakete und schließlich als interplanetares Fahrzeug. Am 26. Juli gaben die Behörden Einzelheiten des Projekts bekannt, einer Partnerschaft mit Lockheed Martin und BWX Technologies, einem Reaktorunternehmen mit Sitz in Lynchburg, Virginia. Sie geben dem Projekt den Harry-Potter-Namen DRACO, für Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations.

Es ist geplant, den Prototyp ab Ende 2026 im Weltraum zu testen. Das ist ein sehr kurzer Auftrag, der teilweise durch die Kombination der normalerweise zweiten und dritten Entwicklungsphasen erleichtert wird. Die Beschleunigung ist möglich, weil der Prototyp „viele historische Hardware früherer Weltraummissionen enthält“, sagt Tabitha Dodson, DRACO-Programmmanagerin bei DARPA. „Wir wollten eine äußerst zuverlässige Weltraumplattform haben, bei der alles außer dem Motor ein geringes Risiko aufweist.“

Im alten Programm wurde waffenfähiges Uran-235 in den Reaktor eingebaut, was nun ebenfalls nicht mehr auf der Tagesordnung steht.

Die erste Entwicklungsphase des neuen Reaktordesigns wurde bereits zu einem nicht genannten Preis abgeschlossen. Für die nächsten beiden Phasen ist ein Gesamtbudget von 499 Millionen US-Dollar vorgesehen.

Wenn der Prototyp klappt, wird der nächste Schritt der Bau einer Mondrakete sein, deren Geschwindigkeit den Bau und die Versorgung einer Basis auf dem Mond erleichtern würde. Aber der eigentliche Gewinn würde kommen, wenn der Befehl zum Mars erteilt würde.

Wer weiß, welche militärischen Dividenden in der Zwischenzeit fließen werden? DARPA finanziert experimentelle Technologien, die eines Tages von Nutzen sein könnten, ohne unbedingt anzugeben, welchen Nutzen sie haben könnten. Vielleicht könnte eine Atomrakete Satelliten von einem Teil der Welt in einen anderen befördern.

Die Idee einer atomgetriebenen Rakete wurde erstmals in den 1950er Jahren im Rahmen des Projekts Orion untersucht, was schließlich zu Triebwerkstests am Boden führte. Das ist alles andere als ideal – bestimmte Probleme lassen sich am besten im Vakuum unter Schwerelosigkeitsbedingungen untersuchen. Aber Bodentests stehen ohnehin nicht mehr auf der Tagesordnung. Unter den heutigen Sicherheitsanforderungen müssten Forscher die Abgase auffangen, alle radioaktiven Materialien entfernen und entsorgen. Daher ist geplant, den Prototyp in eine 700 Kilometer hohe Umlaufbahn zu bringen, von der aus er erst in etwa 300 Jahren wieder auf die Erde zurückfällt.

Im alten Programm wurde waffenfähiges Uran-235 in den Reaktor eingebaut, was nun ebenfalls nicht mehr auf der Tagesordnung steht. Stattdessen sieht der Entwurf ein viel weniger angereichertes U-235 vor. „Es ist sicher, es zu umgehen; es ist sicher, in der Nähe zu sein; Es braucht nicht die Schutzmaßnahmen, die ein Ort für Plutonium sein muss“, sagt Anthony Calomino, Material- und Strukturwissenschaftler bei der NASA.

Während sich die Rakete auf der Startrampe befindet, würden die Spaltkettenreaktion und die daraus resultierende Radioaktivität durch rotierende Trommeln unterdrückt, deren neutronenabsorbierende Seite nach innen zeigt und dem Reaktorkern zugewandt ist. Wenn sich das Triebwerk dann sicher im Orbit befindet, würden sich die Trommeln drehen und ihre neutronenreflektierenden Seiten freilegen, die die Neutronen zurück in den Kern werfen. Diese Reflexion würde die Neutronendichte erhöhen und die Spaltung anregen. Weitere Sicherheitsmaßnahmen umfassen neutronenabsorbierende Drähte im Inneren des Kerns, die die Kettenreaktion „vergiften“, bis sie zurückgezogen werden.

Bei dem Flugtest werden eine Reihe von Merkmalen gemessen, insbesondere der Schub des Triebwerks – gemessen in Tausenden von Pfund – und sein spezifischer Impuls. Das ist einfach die Zeit, die der Motor und sein Treibstoff brauchen, um seine eigene Masse mit einer Geschwindigkeit von 1 Standardschwerkraft (9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat) zu beschleunigen. Eine von Lockheed Martin produzierte Animation der Rakete ist hier zu sehen.

Chemische Raketen, die im Vakuum betrieben werden, verfügen über einen spezifischen Impuls von etwa 400 Sekunden, Atomraketen jedoch „über 700, bis zu 900“ Sekunden, „wovon die NASA gesprochen hat, um Menschen zum Mars zu bringen“, Lisa May von Lockheed Martin Manager für Deep Space Exploration Strategy, sagte letzten Monat zu National Defense.

Der Prototyp wird auch testen, wie lange flüssiger Wasserstoff – in diesem Fall etwa 2.000 Kilogramm davon – im Orbit gespeichert werden kann. Die Hoffnung besteht darin, die Lebensdauer über mehrere Monate zu verlängern, also zwei Größenordnungen länger als bisher. Noch besser wäre es, wenn eine Möglichkeit gefunden würde, ein umlaufendes Atomtriebwerk so zu betanken, dass es jahrelang genutzt werden kann. Heutige Oberstufenraketen halten vielleicht 12 Stunden, bevor sie zu noch mehr Weltraumschrott werden.