NTR

Ein Kernthermalrakete (KTR) ist ein Antriebssystem, das ein Arbeitsmedium, typischerweise flüssigen Wasserstoff, erhitzt, indem es durch einen Kernreaktor geleitet wird, und das erhitzte Medium dann durch eine Düse ausstößt, um Schub zu erzeugen. Anders als chemische Raketen, die Energie aus der Verbrennung gewinnen, nutzt eine KTR Wärme aus einer gesteuerten Kernspaltung, wodurch das Arbeitsmedium viel höhere Temperaturen und damit höhere Ausströmgeschwindigkeiten erreicht. Dieser grundlegende Unterschied ermöglicht einer KTR, spezifische Impulswerte im Bereich von 800 bis 900 Sekunden zu erreichen, verglichen mit 450 Sekunden für ein hochleistungsfähiges chemisches Triebwerk wie das Space Shuttle Main Engine.

Der thermische Leistungsvorteil ergibt sich aus der Energiedichte von Kernbrennstoff und der Möglichkeit, die Wärmequelle vom Treibstoff zu trennen. In einer KTR tritt flüssiger Wasserstoff in Kühlkanäle in der Reaktorstruktur ein, nimmt Wärme auf, während er um den Spaltungskern zirkuliert, und fließt dann in die Schubkammer, wo Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Der Reaktor arbeitet während des Triebwerkbetriebs unter stationären Bedingungen und behält eine relativ stabile Leistungsabgabe bei. Verschiedene KTR-Designs unterscheiden sich in der Reaktorkonfiguration, der Treibstoffwahl (einige Vorschläge haben Ammoniak oder Wasser verwendet) und der Kühlgeometrie.

Keine KTR ist im operativen Betrieb auf einem echten Raumfahrzeug geflogen. Das NERVA-Programm, das in den 1970er Jahren gemeinsam von der NASA und dem Department of Energy durchgeführt wurde, baute und prüfte mehrere KTR-Triebwerke am Boden, erreichte Schubwerte von 50.000 bis 200.000 Pfund und bewies zuverlässigen Betrieb durch zahlreiche Testbrände. Bodentest identifizierten kritische Herausforderungen: thermische Wechselbelastung auf Reaktormaterialien, Neutronenversprödung von Strukturbauteilen, Abschirmungsanforderungen für Besatzung und Instrumente sowie die konstruktive Komplexität der Eindämmung von Kernreaktionen während des Motorbetriebs im Flug.

Behördliche und betriebliche Hürden haben KTRs eher auf dem Reißbrett als auf der Startrampe gehalten. Internationale Verträge beschränken Kernmaterialien im Weltraum; die Entsorgung eines fehlgeschlagenen KTR-Triebwerks beim Wiedereintritt in die Atmosphäre birgt radiologische Risiken; und die politischen Barrieren für den Start eines Kernreaktors, auch eines kleinen konstruierten, bleiben erheblich. Das moderne Interesse an KTR-Technologie ist in fortgeschrittenen Missionsarchitekturstudien für Mars- und Tiefraummissionen wieder gestiegen, wo die Massenersparnis durch höhere Ausströmgeschwindigkeit die Gesamtstartkosten erheblich reduzieren oder die Transitzeit verkürzen könnte.

Die Bezeichnung "kernthermal" unterscheidet dieses Konzept von anderen Kernantriebssystemen: Kernelek troraketem, die Reaktorwärme nutzen, um Strom für Ionentriebwerke oder Arcjet-Triebwerke zu erzeugen, oder Kernimpulsraketen, die sich auf Kernexplosionen für Schub verlassen. In der Fachliteratur der Raumfahrttechnik und in behördlichen Machbarkeitsstudien werden Sie KTR-Begriffe am häufigsten in Langstrecken-Bahnanalysen, Missionsszenarien für bemannte Mars-Missionen und Diskussionen über Treibstoffmassenbudgets für Hochdelta-v-Missionen jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn antreffen.