NERVA: der Kernmotor für die Weltraumforschung

Anfang der 50er Jahre steckte der Wettlauf der beiden großen Planetenmächte USA und UdSSR ins All noch in den Kinderschuhen. Aus theoretischer Sicht hatten beide Nationen jedoch bereits mehrere nützliche Systeme entwickelt, um den Menschen über den Rand der Atmosphäre hinauszubringen, dank Fortschritten in der Orbitalmechanik, der Raketentechnik und der Fähigkeit, „spezielle“ Materialien zu verarbeiten.

Eine der großen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen bestand darin, ein für diese Mission geeignetes Antriebssystem zu konzipieren, das in der Lage ist, einen Schub zu erzeugen, der ausreicht, um die enorme Gewichtskraft der Raumfahrzeuge zu überwinden und ihnen zu ermöglichen, eine höhere Geschwindigkeit als die zu erreichen Fluchtgeschwindigkeit terrestrisch (knapp über 40.000 km/h). Darüber hinaus war es wichtig, dass das Triebwerk auch außerhalb der Atmosphäre weiterarbeiten konnte, damit das Schiff weiter beschleunigen und den Schub für Orbitalmanöver nutzen konnte. Dann begannen wir, verschiedene zu entwerfen Raketen, d. h. Triebwerke, die keine äußere Atmosphäre benötigen, um einen Teil des Treibstoffs zu entnehmen, und bei denen alle für den Betrieb erforderlichen Reagenzien in speziellen Tanks an Bord untergebracht sind. Insbesondere wurden mehrere entwickelt thermochemische Raketen, konzeptionell sehr ähnlich denen, die für den Antrieb von Raketen im Militär entwickelt wurden.

Die Grundidee dieser Triebwerke besteht darin, die chemische Bindungsenergie der Reaktanten (Oxidationsmittel und Treibstoff) durch Verbrennung in Enthalpie des Treibstoffgemisches (also in „verbrauchbare“, „austauschbare“ Energie aus dem Arbeitsmedium) umzuwandeln. Dann bringen Sie die Produkte der chemischen Reaktion dazu, sich in einer gasdynamischen Düse (konvergent-divergenter Kanal) auszudehnen und die Enthalpie in kinetische Energie (dh Energie, die mit der Geschwindigkeit der Gastranslation verknüpft ist) umzuwandeln. Bei diesem Vorgang kommt es zu einer Beschleunigung der Gase und damit aufgrund des Wirkungs-Reaktions-Gesetzes der Dynamik zur Entstehung einer entgegengesetzten Kraft, die auf den Motor einwirkt: Schub.

Es wurden drei Arten thermochemischer Triebwerke entwickelt: Flüssigtreibstoff, Festtreibstoff und Hybridtreibstoff (Bild), gekennzeichnet durch unterschiedliche erzeugte Schubkräfte und durch unterschiedliche Dauer des Verbrennungsprozesses. In allen drei Fällen gab es jedoch Probleme im Zusammenhang mit dem Gewicht des Treibstoffs (insbesondere im Feststofffall, was zu einer Gewichtszunahme des Fahrzeugs führte) und mit der Größe der Lagertanks (insbesondere im Flüssigfall). Dies ist auf die geringe Dichte der Reagenzien zurückzuführen, was zu einem Anstieg des Luftwiderstands im atmosphärischen Flug führt. Daher entstand die Notwendigkeit, einen anderen Motortyp zu entwickeln, der eine Reduzierung der an Bord zu lagernden Treibstoffmasse und des Tankvolumens ermöglichen würde: Jedes eingesparte Kilogramm würde in ein Kilogramm transportabler Nutzlast umgewandelt und das reduziert werden Die Gesamtabmessungen hätten den aerodynamischen Widerstand in den frühen Flugphasen verringert!

Die Entwicklung von Technologien im Zusammenhang mit der Kernspaltung veranlasste Wissenschaftler zu der Annahme, dass Atomenergie die optimale Lösung für die Entwicklung der neuen Motorenklasse sei. Die Idee des Atomantriebs hatte sich in den USA bereits durchgesetzt und wurde sowohl im maritimen Bereich weiterentwickelt (1954 wurde das erste Atom-U-Boot vom Stapel gelassen, das Nautilus) und im Luftfahrtbereich durch das Projekt NEPA (Kernenergie für den Antrieb von Flugzeugen – Kernenergie für den Antrieb von Flugzeugen) und das Programm ANP (Flugzeugtyp Nuklearer Antrieb – Nuklearer Luftfahrtantrieb).

Unter Nutzung der gesammelten Erfahrungen begann man mit der Entwicklung der ersten Modelle nukleare thermische Raketen.

1959 wurde der erste nukleare Raketentriebwerk, der Kiwi-A (Projekt „Rover“.). Im Jahr 1961 gaben die erzielten hervorragenden Ergebnisse den Anstoß für die Geburt eines noch größeren und ehrgeizigeren Programms namens „ NERV (Kernmotoren für Raketenfahrzeuganwendungen - Nuklearmotoren für Raketenfahrzeuganwendungen), unter der Leitung der NASA und der AEC (Atomic Energy Commission-Atomic Energy Commission). Die Anforderungen an die im Rahmen dieses Programms gebauten Motoren variierten ständig und wurden hinsichtlich des erforderlichen Schubs und der erzeugten Wärmeleistung immer anspruchsvoller.

Dank der kontinuierlichen Verbesserungen kamen die Ingenieure auf die Idee, die dritte Stufe damit auszustatten Saturn V (die Rakete, die den Menschen zum Mond brachte) eines nuklearen thermischen Triebwerks, sodass es große Nutzlasten transportieren und für die Erforschung des Mars eingesetzt werden konnte. Der Geldmangel führte jedoch dazu, dass die erforderlichen Spezifikationen erneut gesenkt wurden, was zum Bau leistungsschwächerer Motoren führte.

Das Programm lief bis 1972, als es von der Nixon-Regierung eingestellt wurde, um die Mittel auf die Entwicklung eines wichtigen Akteurs der bemannten Weltraumforschung zu konzentrieren: des Space Shuttles.

Die Technik

Thermische Kerntriebwerke nutzen die Spaltung bestimmter Substanzen durch ein Atom (d. h. die erzwungene Zerkleinerung eines Atoms und seines Kerns), um Wärme zu erzeugen, die später zum Erhitzen des Treibstoffs verwendet wird. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Enthalpie des Arbeitsmediums erreicht (genau wie bei der Verbrennung in thermochemischen Raketen). Anschließend kann der Treibstoff in der Düse expandiert werden, wobei die Enthalpie in kinetische Energie umgewandelt wird. Das Ergebnis ist eine Beschleunigung der Flüssigkeit selbst und aufgrund des Aktions-Reaktions-Prinzips ein auf den Motor wirkender Schub.

Die Spaltungsreaktion wird durch einen Neutronenbeschuss auf einige Atome des verwendeten spaltbaren Materials (normalerweise) ausgelöst Uran-235). Durch den Aufprall der Neutronen kommt es zur Fragmentierung des Atomkerns, dessen Bestandteile auf benachbarte Atome treffen, diese zerbrechen und so den Prozess vorantreiben. Bei der Kernspaltung entstehen hauptsächlich zwei Energieformen: die kinetische Energie der Bruchstücke und elektromagnetische Energie (Gammastrahlen). Die Bewegung der verschiedenen Fragmente, die durch die Spaltung entstehen, führt zu einem Anstieg der Temperatur des Materials. Um zu verhindern, dass die Reaktion unkontrolliert gerät, ist das Vorhandensein von Steuerstäben (sie absorbieren die von den Atomen freigesetzten Fragmente und hemmen die Reaktion) oder von „Moderatoren“ erforderlich, die die Neutronen verlangsamen und so verhindern können, dass sie die Atome fragmentieren.

Wenn die Reaktion ausgelöst wird, wird das Treibmittel, normalerweise Wasserstoff, verwendet H₂ in flüssiger oder Ammoniakform NH₃wird dazu gebracht, an den Wänden des Reaktors zu fließen, damit es ihm dank des Temperaturunterschieds zwischen der Flüssigkeit (sehr kalt) und dem Kern, in dem die Kernspaltung stattfindet (sehr heiß), Wärme entziehen kann. Das durch diesen Prozess erhitzte Arbeitsmedium erreicht eine Temperatur von 2200–2700 °C und verwandelt sich in Gas. Je höher die Temperatur der Gase ist, desto höher ist ihre Energie und damit auch der Schub, den sie durch ihre Expansion in der Düse erhalten. Die Begrenzung des maximalen Schubs, den solche Systeme liefern können, ergibt sich daher aus der maximalen Temperatur, die der Treibstoff erreichen kann, ohne dass die Triebwerkswände einstürzen.

Wie viel Treibstoffmasse spart dieses Antriebssystem im Vergleich zu thermochemischen Raketen?

Um diese Frage zu beantworten, muss ein sehr wichtiger Parameter für Raketentriebwerke eingeführt werden: dergewichtsspezifischer Impuls.

Dieser Parameter ist definiert als:

wo T ist der vom Motor bereitgestellte Schub,m_p ist die Durchflussrate (Masse pro Sekunde) des Kraftstoffs, der durch die Düse e fließt g₀ ist die Beschleunigung aufgrund der Erdanziehungskraft. Der gewichtsspezifische Impuls stellt daher das Verhältnis zwischen dem vom Motor gelieferten Schub und dem Gewicht des durch die Düse fließenden Treibstoffs dar (der somit den oben genannten Schub „erzeugt“). mehr die I_sp größer ist, desto mehr Schub kann das Triebwerk bei geringerer verbrauchter Treibstoffmasse (und damit Gewicht) liefern! Die thermischen Kernkraftmaschinen ermöglichen die Verwendung von Treibmitteln mit niedrigem Molekulargewicht (z. BWasserstoff) und in geringerem Maße, da keine Verbrennung ausgelöst werden muss, kein Oxidationsmittel und kein Brennstoff erforderlich sind, daher haben sie einen größeren spezifischen Gewichtsimpuls (≈ 845 - 1000). secondi) im Vergleich zu thermochemischen Triebwerken (≈ 200 - 400 secondi).

Der Vorteil des nuklearen thermischen Antriebs wird noch deutlicher, wenn man den spezifischen Gewichtsimpuls in die „Raketengleichung“, also die Gleichung, die in einer ihrer Formen die Geschwindigkeitsänderung der Rakete mit der Masse des an Bord befindlichen Treibstoffs verknüpft.

Stellen wir uns vor, dass man der Rakete für ein Orbitalmanöver eine Geschwindigkeitsänderung von 10 km/s aufzwingen müsste. Im Falle eines thermochemischen Flüssigtreibstoffmotors mit I_sp= 500 Sek. Man erhält einen Massenanteil des benötigten Treibstoffs von 87 % der Gesamtmasse der Rakete. Im Falle einer Kernwärmekraftmaschine mit I_sp= 900 Sek. Sie erhalten einen Massenanteil des benötigten Treibstoffs, der 67.8 % der Gesamtmasse der Rakete entspricht!

Wie sich gezeigt hat, ist der Kernantrieb von Vorteil, allerdings sollten die Sicherheitsaspekte nicht unterschätzt werden, angefangen beim möglichen Verlust von spaltbarem Material bis hin zur Notwendigkeit, die Besatzung vor der im Kern erzeugten Strahlung zu schützen. Allerdings haben die jüngsten amerikanischen Bestrebungen, Menschen zum Mars zu bringen, das Interesse an dieser Art von Antrieb neu entfacht. Tatsächlich ist er bei gleicher Treibstoffmasse in der Lage, eine höhere Geschwindigkeitssteigerung als thermochemische Reaktoren zu erzielen und ermöglicht so die Durchführung kürzerer Transferumlaufbahnen zwischen der Erde und dem Roten Planeten. Dies ist ein grundlegender Aspekt, insbesondere angesichts der potenziellen Gesundheitsrisiken für Astronauten, die mit einer längeren Sonneneinstrahlung verbunden sind.

_Metaphorik:

_NASA

_{https://www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/4764/1/2010_10_Mazzetti.pdf}

_{https://4.bp.blogspot.com/-rhLf2-GQdA4/Wm3lJBrxfZI/AAAAAAAARiU/gekUPBxWK...}

_{https://www.researchgate.net/figure/Credit-Atomic-Energy-Commission-The-...}

_{https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...}

_Quellen:

_{https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...}

_{https://www.researchgate.net/publication/320621010_HISTORY_OF_THE_NUCLEA...}

_{Kursnotizen für Luft- und Raumfahrtantriebe, Polytechnikum Mailand}