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Ein nuklearer Mondreaktor
Forscher der NASA und des Energieministeriums haben kürzlich Schlüsseltechnologien für die Entwicklung eines Kernspaltungsreaktors getestet, der einen menschlichen Außenposten auf dem Mond oder Mars antreiben könnte. Die Tests beweisen, dass die Behörden bis 2020, dem Jahr, in dem die NASA die Menschen zum Mond zurückbringen will, ein sicheres, zuverlässiges und effizientes System aufbauen könnten.
Erzeugungsleistung: Eine Leistungsumwandlungseinheit, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Stirling-Triebwerken, wird im Marshall Space Flight Center der NASA zu Testzwecken aufgestellt. Gepumptes Flüssigmetall wird verwendet, um Wärme vom Reaktor zu den Motoren zu übertragen, wo sie in Strom umgewandelt wird.
Ein Spaltreaktor funktioniert, indem er Atome spaltet und Energie in Form von Wärme freisetzt, die in Strom umgewandelt wird. Die Idee, Kernkraft im Weltraum zu nutzen, stammt aus den späten 1950er Jahren, als sie für den Antrieb durch das Projekt Orion in Betracht gezogen wurden. In den 1960er Jahren wurde eine Reihe kompakter, experimenteller Weltraum-Kernreaktoren von der NASA im Rahmen der Systeme Kernhilfsenergie Programm. Aber Bedenken der öffentlichen Sicherheit und ein internationaler Vertrag zum Verbot von Atomwaffen im Weltraum stoppten die Entwicklung.
Jetzt wird Atomkraft für Mond- und Marsmissionen in Betracht gezogen, weil sie im Gegensatz zu Alternativen wie Solarenergie konstante Energie liefern kann, eine Notwendigkeit für menschliche Lebenserhaltungssysteme, das Aufladen von Rovern und den Abbau von Ressourcen. Solarstromsysteme würden auch den Einsatz von Energiespeichern wie Batterien oder Brennstoffzellen erfordern, die dem System unerwünschte Masse hinzufügen. Die Solarenergie ist weiter eingeschränkt, da der Mond bis zu 14 Tage am Stück dunkel ist und tiefe Krater hat, die die Sonne verdunkeln können. Der Mars ist weiter von der Sonne entfernt als die Erde oder der Mond, sodass dort weniger Sonnenenergie gewonnen werden kann.
Das neue Atomkraftwerk ist Teil eines 2006 gestarteten NASA-Projekts mit dem Namen Spaltflächenleistung , das kleine Reaktoren untersucht, die für den Einsatz auf anderen Planeten bestimmt sind. Während die Kernenergie umstritten bleibt, sagen die Forscher, dass der Reaktor absolut sicher konstruiert und in sicherer Entfernung von den Astronauten vergraben würde, um sie vor jeglicher Strahlung zu schützen, die er erzeugen würde.
Die jüngsten Tests untersuchten Technologien, bei denen ein Kernreaktor mit einem Stirling-Motor gekoppelt ist, der 40 Kilowatt Energie erzeugen kann – genug, um einen zukünftigen Mond- oder Mars-Außenposten anzutreiben.
Wir bauen kein System, das Hunderte von Gigawatt Strom benötigt, wie es Strom für unsere Städte produziert, sagt Don Palac, der Projektmanager bei der NASA Glenn-Forschungszentrum in Cleveland, Ohio. Das System muss billig, sicher und robust sein, und unsere jüngsten Tests haben gezeigt, dass wir das erfolgreich bauen können, sagt Palac.
Zur Stromerzeugung nutzten die Forscher ein flüssiges Metall, um die Wärme vom Reaktor auf den Stirling-Motor zu übertragen, der mithilfe von Gasdruck Wärme in Energie umwandelt, die zur Stromerzeugung benötigt wird. Für die Tests verwendeten die Forscher eine nichtnukleare Wärmequelle. Das flüssige Metall war ein Natrium-Kalium-Gemisch, das in der Vergangenheit verwendet wurde, um Wärme von einem Reaktor zu einem Generator zu übertragen, sagt Palac, aber dies ist das erste Mal, dass dieses Gemisch in einem Stirling-Motor verwendet wurde.
Sie sind sehr effizient und robust, und wir glauben, dass [es] acht Jahre unbeaufsichtigt dauern kann, sagt Lee Mason, der leitende Ermittler des Projekts bei Glenn. Laut Palac schnitt das System besser ab als erwartet und erzeugte 2,3 Kilowatt Leistung in einem konstanten Tempo.
Abkühlen: Marc Gibson, ein NASA-Testingenieur, inspiziert die Kühlerplatte, die zur Kühlung des im Glenn Research Center getesteten Spaltstromsystems verwendet wird. Das Panel ist sechs mal neun Meter groß. Für ein vollständiges System wären 20 solcher Strahler erforderlich.
Die Forscher entwickelten auch ein leichtes Kühlerpaneel, um das System zu kühlen und die Wärme aus dem Reaktor abzuleiten. Das Prototyp-Panel ist ungefähr 1,8 mal 2,70 Meter groß – ein Zwanzigstel der Größe, die für ein System in Originalgröße erforderlich ist. Die Wärme eines Wasserkühlsystems wird zum Kühler geleitet, wo sie abgeführt wird.
Die Forscher testeten das Kühlerpaneel in einer Vakuumkammer in Glenn, die den Mangel an Atmosphäre und die extremen Temperaturen auf dem Mond nachbildet – von über 100 Grad Celsius tagsüber bis unter 100 Grad Celsius nachts. Das Panel verbrauchte sechs Kilowatt Energie, mehr als erwartet – ein sehr erfolgreicher Test, sagt Palac. Auf dem Mond muss das Panel auch die staubige Umgebung durch den Regolith überstehen.
Schließlich testeten die Forscher die Leistung des Stirling-Generators in einer Strahlungsumgebung bei Sandia National Laboratories in Albuquerque, NM. Ziel war es, die Leistung des Motors zu testen, um sicherzustellen, dass die Materialien nicht abgebaut werden. Die Lichtmaschine wurde der 20-fachen Strahlung ausgesetzt, die sie während ihrer Lebensdauer erwarten würde, und überlebte ohne nennenswerte Probleme.
Mason sagt, dass die Tests sehr wichtig sind, um die Machbarkeit des Systems zu zeigen, und dass der nächste Schritt für die Forscher darin besteht, eine vollständige Systemdemonstration durchzuführen, indem ein nichtnuklearer Reaktorsimulator mit dem Stirling-Motor und dem Kühlerpanel kombiniert wird. Er sagt, dass diese Tests 2014 abgeschlossen sein sollten.
Außerdem arbeiten die Forscher an der Kraftübertragung und Elektronik des Systems. Eine Mondbasis braucht viel Strom für Dinge wie Computer, Lebenserhaltung und zum Erhitzen von Gesteinen, um Ressourcen wie Sauerstoff und Wasserstoff herauszuholen, sagt Ross Radel, ein leitender Mitarbeiter des technischen Personals und Teil der Gruppe für fortschrittliche Nuklearkonzepte bei Sandia . Seine Gruppe arbeitet an der Systemdynamikanalyse, einem Computermodell, das vorhersagt, wie sich der Reaktor während des Tests verhält. Die Kernenergie sei ein Sprungbrett, um weiter in die bemannte Weltraumforschung vorzudringen, sagt Radel.
Es ist ein faszinierendes Projekt und die einzig mögliche Methode, um eine bemannte Reise zum Mars mit Strom zu versorgen, sagt Daniel Hollenbach, ein Forscher in der Abteilung für Nuklearwissenschaften und -technologie am Oak Ridge National Laboratory, der nicht an dem Projekt beteiligt war.
Mason sagt, dass die Kernspaltung eines von mehreren Konzepten ist, die als Energiequelle für menschliche Missionen zum Mond und zum Mars getestet werden, und wenn sie ausgewählt wird, könnte die Technologie bis 2020 eingesetzt werden.