Mars-Missionen mit Fusionsantrieb
Von Michael Paluszek
Michael Paluszek ist Präsident der Firma Princeton Fusion
Systems. Bei der Internetkonferenz des Schiller-Instituts am 5. September
hielt er den folgenden Vortrag, der für den Abdruck leicht bearbeitet
wurde.
Heute werden wir über Missionen zum Mars mit Kernfusionsantrieb
sprechen.
Der Direkte Fusionsantrieb (Direct Fusion Drive, DFD) ist ein
Kernfusions-Raketenantrieb für den Einsatz im Weltraum. Der DFD erzeugt nicht
genug Schub, um von einem Planeten oder vom Mond aus damit starten zu können.
In diesem Vortrag stellen wir ein Transferfahrzeug vor, das mit einem
schubstarken nuklear-thermischen Antrieb die Erdumlaufbahn verläßt und in eine
Umlaufbahn um den Mars einschwenkt.
Wir werden über zwei Arten von Kernreaktionen sprechen: die Kernspaltung,
bei der Atome gespalten werden, und die Kernfusion, bei der sich Atome
verbinden.
Der DFD ist ein neuartiger Raketenantrieb, der aus einem Fusionsreaktor
besteht, der eine Plasma-Rakete antreibt. Das unterscheidet sich von vielen
anderen Kernfusionstechnologien, weil dieses Fusionstriebwerk sowohl Antrieb
als auch Strom für den Betrieb der Nutzlast erzeugen kann.
Und so funktioniert es:
Das DFD-Triebwerk besteht aus einer linearen Anordnung koaxialer Magnete
mit einem Paar kleinerer, aber stärkerer Spiegelmagnete an den Enden. Im
Zentrum der Anordnung der Magnete ist eine Fusionsregion, und um sie herum
fließt kühles Plasma, um Energie zu gewinnen. Diese Fusionsregion ist etwa so
lang wie ein Surfbrett und enthält sehr heißes Plasma, das sich wie ein Motor
dreht. Antennen, die den Motor umgeben, erzeugen einen neuartigen
Hochfrequenz-Heizmechanismus, der auf bestimmte Brennstoff-Ionen abgestimmt
ist und einen Strom im Plasma erzeugt. Die Plasma-Ionen werden mit zunehmenden
Energiezyklen hochgepumpt, bis die Ionen heiß genug sind, um zu
verschmelzen.
Sobald die Ionen verschmelzen, erzeugen sie neue, sehr energiereiche
Teilchen, die als Fusionsprodukte bezeichnet werden. Diese Teilchen folgen
Bahnen, die sie in die kühle Plasmaschicht hinein und aus ihr heraus führen,
während sie die Magnetfeldlinien umkreisen. Bei jedem Durchgang verlieren die
Fusionsprodukte Energie, bis sie von den offenen Feldlinien eingefangen werden
und hinten aus dem Triebwerk herausschießen. Dies dauert nur wenige
Millisekunden.
Der Spiegelmagnet am Ende des Triebwerks wandelt diese thermische Energie
der Elektronen in kinetische Energie der Ionen um, wodurch Schub erzeugt wird,
genau wie bei einer normalen Raketendüse. Die zusätzliche Wärme aus der
Fusionsreaktion wird in Elektrizität umgewandelt und liefert Strom für
wissenschaftliche Instrumente und Kommunikation.
Tabelle 1: Eigenschaften des DFD-Motors
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Parameter
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Nomineller Wert
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Erreichbare Werte
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Spezifische Leistung, σ
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1000 W/kg
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500-2000 W/kg
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Wirkungsgrad, η
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0,4
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0,25-0,6
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Treibstofftankanteil, ϯ
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0,05
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0,04-0,08
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Ausströmungsgeschwindigkeit
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300 km/s
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80-300 km/s
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Fusionsenergie
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1 MW
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0,5-10 MW
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Die verwendeten Brennstoffe oder Reaktionspartner sind Deuterium und
Helium-3. Die Hauptreaktion ist Deuterium plus Helium-3, wobei Helium-4 (die
Art Helium, die man in Heliumballons sieht) und ein Proton entstehen. Die
meiste Energie steckt in dieser Reaktion.
Wir erhalten auch Nebenreaktionen, bei denen Tritium und Neutronen
entstehen. Neutronen beschädigen die Wände, aber es gibt glücklicherweise
nicht sehr viele davon.
Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften des Direkten
Fusionsantriebs. Die Spezifische Leistung ist ein sehr wichtiger Parameter,
denn sie zeigt, wie viel Leistung wir pro Masseneinheit erhalten, und das
bestimmt, wie gut ein Motor ist. Der Wirkungsgrad besagt, wie viel Leistung
von der Fusionsreaktion in den Schub geht. Der Treibstofftankanteil ist
besonders wichtig, weil er letztlich begrenzt, wie viel Delta v [ΔV, Maß
für Manövrierfähigkeit] man mit einem bestimmten Triebwerk bei einer
bestimmten Abgasgeschwindigkeit erhalten kann. Sie werden feststellen, daß die
Ausströmungsgeschwindigkeit mit 300 km/s sehr hoch ist. Ein typisches
Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk, wie es in einer Rakete wie dem Space Shuttle verwendet wird, hat eine Geschwindigkeit von etwa
4,5 km/s; ein Hall-Triebwerk hat eine Geschwindigkeit von 20 km/s. Die
Fusionsenergie eines typischen Triebwerks beträgt 1 Megawatt (MW).
© PSS
Abb. 1: Aufteilung der Masse eines 1 MW-Fusions-Direktantriebs auf seine
verschiedenen Komponenten.
© NASA
Abb. 2: NASA-Entwurf eines Nuklear-Thermischen Antriebs.
Abbildung 1 zeigt Ihnen die Aufteilung der Masse des
Motors auf alle seine Komponenten. Das Rotierende Magnetfeld (RMF0)
und der Radiofrequenz-Antrieb treiben die Fusionsreaktion an, verschwenden
aber auch Energie und Bremsstrahlung, das ist Röntgen- und
Synchrotronstrahlung. All dies wird in den Motor zurückgeführt, und ein Teil
davon geht als Abwärme an den Kühler verloren.
Schnellere Weltraumflüge mit dem Fusionsantrieb
Mit einem Fusionsantrieb können Sie viel schneller an andere
Orte gelangen. Wir können den Jupiter in einem Jahr erreichen, den Saturn in
zwei und den Pluto in fünf Jahren. Die NASA-Mission New Horizon
brauchte etwa neun Jahre, um zum Pluto zu gelangen, und sie konnte nicht in
die Umlaufbahn gebracht werden. Mit dem DFD könnten wir in eine Umlaufbahn
einschwenken, die verschiedene neue Forschungen ermöglicht.
Wir starten von der Erde und verlassen kurz danach die
Erdumlaufbahn in Richtung Mars. Dann bleiben wir fast ein Jahr auf dem Mars,
auf der Oberfläche, machen Experimente und richten neue Technologie und
Behausungen für zukünftige Reisende ein, und kehren dann zur Erde zurück. Die
ganze Mission dauert nur sehr kurze Zeit, viel weniger, als wenn man wie mit
einem chemischen Antrieb einen Hohmann-Transfer verwenden würde.
Wir verlassen die Erde in einer Spiralbahn, das könnte bis zu
30 Tage dauern. Daher ist eine Idee, einen nuklear-thermischen Antrieb zu
verwenden, der den zehnfachen Schub erzeugt, um uns aus der Erdumlaufbahn zu
bringen. Das wäre dann statt 30 Tagen nur etwas mehr als ein halber Tag.
Andererseits verbraucht man dann aufgrund der viel geringeren
Austrittsgeschwindigkeit sehr viel Wasserstoff.
In Abbildung 2 sehen Sie rechts ein von der NASA
entwickeltes nukleares Wärmekraftwerk, dessen Schub 7297 Newton beträgt, was
ziemlich viel ist. Die Ausströmungsgeschwindigkeit beträgt jedoch nur 8,5
km/s, etwa doppelt so hoch wie die des Wasserstoff-Sauerstoff-Antriebs, den
ich soeben erwähnt habe.
Was bedeutet das für die Marsmission? Wir können in hundert
Tagen dorthin gelangen, was viel besser ist als die sechs Monate, die eine
chemische Rakete brauchen würde. Wir könnten 30 Tonnen transportieren. Nun,
wir haben das Triebwerk noch nicht gebaut, also ist das hypothetisch und
basiert auf der Analyse. Aber man sieht, daß unser Schub viel geringer ist als
bei der nuklearthermischen Stufe.
Neben dem Antrieb zum und vom Mars können wir den DFD auch als
Energiequelle an der Oberfläche nutzen, denn der Direkte Fusionsantrieb wird
auch für die Energieerzeugung entwickelt. Man kann diesen Antrieb also für den
Betrieb von Stützpunkten verwenden, er liefert ein Megawatt elektrischen Strom
für wissenschaftliche Experimente, für Produktion, Bergbau und Industrie auf
dem Mond oder auf dem Mars. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
(Michael Paluszek erreichen Sie bei der Firma Princeton Fusion Systems über
http://www.psatellite.com oder map@psatellite.com.
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