Nasa wil met kernraketten naar Mars

Kernreactoren kunnen de energie en voortstuwing produceren die nodig zijn om grote ruimtevaartuigen snel naar Mars te brengen en, indien gewenst, verder. Het idee van nucleaire raketmotoren dateert uit de jaren veertig. Deze keer worden de plannen voor interplanetaire missies aangedreven door kernsplijting en kernfusie echter ondersteund door nieuwe ontwerpen die een veel betere kans hebben om van de grond te komen.

Cruciaal is dat de nucleaire motoren alleen bedoeld zijn voor interplanetaire reizen, niet voor gebruik in de atmosfeer van de aarde. Chemische raketten lanceren het vaartuig buiten een lage baan om de aarde. Pas dan treedt het nucleaire voortstuwingssysteem in werking.

De uitdaging was om deze nucleaire motoren veilig en lichtgewicht te maken. Nieuwe brandstoffen en reactorontwerpen lijken aan de taak te voldoen, aangezien Nasa nu samenwerkt met industriële partners voor mogelijke toekomstige bemande ruimtemissies met nucleaire brandstof. "Nucleaire voortstuwing zou voordelig zijn als je binnen twee jaar naar Mars en weer terug wilt", zegt Jeff Sheehy, hoofdingenieur bij Nasa's Space Technology Mission Directorate. Om die missie mogelijk te maken, zegt hij, "is de brandstof een sleuteltechnologie die nog verder moet worden ontwikkeld."

 In het bijzonder moet de brandstof de superhoge temperaturen en vluchtige omstandigheden in een nucleaire thermische motor doorstaan. Twee bedrijven zeggen nu dat hun brandstoffen robuust genoeg zijn voor een veilige, compacte en krachtige reactor. Een van deze bedrijven heeft Nasa zelfs al een gedetailleerd conceptueel ontwerp geleverd.

Nucleaire thermische voortstuwing gebruikt energie die vrijkomt bij kernreacties om vloeibare waterstof te verwarmen tot ongeveer 2430 ° C - ongeveer acht keer de temperatuur van kernen van kerncentrales. Het drijfgas zet uit en spuit de spuitmonden met enorme snelheden uit. Dit kan tweemaal de stuwkracht per massa drijfgas produceren in vergelijking met die van chemische raketten, waardoor nucleair aangedreven ruimteschepen langer en sneller kunnen reizen. En eenmaal op de bestemming, of het nu Saturnusmaan Titan of Pluto is, kan de kernreactor overschakelen van voortstuwingssysteem naar stroombron, waardoor het voertuig jarenlang hoogwaardige gegevens kan terugsturen.

Om genoeg stuwkracht uit een nucleaire raket te krijgen, was eerst zeer verrijkt uranium van wapenkwaliteit nodig. Laagverrijkte uraniumbrandstoffen, die in commerciële energiecentrales worden gebruikt, zouden veiliger te gebruiken zijn, maar ze kunnen broos worden en uit elkaar vallen onder de zinderende temperaturen en chemische aanvallen van de extreem reactieve waterstof.

 Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), gevestigd in Seattle, gebruikt echter een uraniumbrandstof die is verrijkt tot minder dan 20 procent, wat een hogere graad is dan die van elektrische reactoren, maar 'kan niet worden omgeleid voor snode doeleinden, dus het vermindert de proliferatierisico's aanzienlijk ", zegt technisch directeur Michael Eades. De brandstof van het bedrijf bevat microscopisch kleine keramisch gecoate uraniumbrandstofdeeltjes verspreid in een zirkoniumcarbidematrix. De microcapsules houden de bijproducten van radioactieve splijting binnen en laten warmte ontsnappen.

Het in Lynchburg, Virginia gevestigde BWX Technologies werkt onder een NASA-contract om ontwerpen te bekijken die een vergelijkbare keramische composietbrandstof gebruiken - en ook om een alternatieve brandstofvorm te onderzoeken die is ingekapseld in een metalen matrix.

De ontwerpen van beide bedrijven zijn afhankelijk van verschillende soorten moderators. Moderatoren vertragen energetische neutronen die tijdens splijting worden geproduceerd, zodat ze een kettingreactie kunnen ondersteunen, in plaats van de reactorstructuur te raken en te beschadigen. BWX verspreidt zijn brandstofblokken tussen hydride-elementen, terwijl het unieke ontwerp van USNC-Tech een berylliummetaalmoderator in de brandstof integreert. "Onze brandstof blijft heel, overleeft de hete waterstof- en stralingsomstandigheden en eet niet alle neutronen van de reactor", zegt Eades.

Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory gebruiken deze experimentele reactor om fusieplasma's tot een miljoen graden Celsius te verhitten - tijdens de lange reis naar de ontwikkeling van raketten met fusie-energie voor interplanetaire reizen.

Er is een andere route naar kleine, veilige nucleair aangedreven raketten, zegt Samuel Cohen van het Princeton Plasma Physics Laboratory: fusiereactoren. Mainline-fusie maakt gebruik van deuterium- en tritium-brandstoffen, maar Cohen leidt de inspanningen om een ??reactor te maken die berust op fusie tussen deuteriumatomen en helium-3 in een plasma met hoge temperatuur, dat zeer weinig neutronen produceert. "We houden niet van neutronen omdat ze constructiemateriaal zoals staal kunnen veranderen in iets dat meer op Zwitserse kaas lijkt en het radioactief kunnen maken", zegt hij. Het concept van het Princeton-lab, Direct Fusion Drive genaamd, heeft ook veel minder brandstof nodig dan conventionele fusie, en het apparaat zou een duizendste zo groot kunnen zijn, zegt Cohen.

Fusie-voortstuwing zou in theorie veel beter kunnen presteren dan op kernsplijting gebaseerde voortstuwing, omdat fusiereacties tot vier keer zoveel energie vrijgeven, zegt Nasa's Sheehy. De technologie is echter niet zo ver en staat voor verschillende uitdagingen, waaronder het genereren en vasthouden van plasma en het efficiënt omzetten van de vrijgekomen energie in gerichte jetuitlaat. "Het is eind jaren 2030 nog niet klaar voor Mars-missies."

USNC-Tech heeft daarentegen al kleine hardware-prototypes gemaakt op basis van zijn nieuwe brandstof. "We liggen op schema om Nasa's doel te bereiken om tegen 2027 een demonstratiesysteem op halve schaal klaar te hebben voor lancering", zegt Eades. De volgende stap zou zijn om een volledig Mars-vluchtsysteem te bouwen, een systeem dat heel goed een Mars-missie van 2035 zou kunnen besturen.