Wie ein kleiner Kernreaktor eine Kolonie auf dem Mars oder darüber hinaus antreiben kann

von Patrick McClure und David Poston

Künstlerische Darstellung der schirmartigen Wärmestrahler von vier Kilopower-Kernreaktoren, die Schatten auf die Marsoberfläche werfen. Bild: Die NASA

Wenn wir uns vorstellen, Menschen in nicht allzu ferner Zukunft zum Leben auf dem Mars, dem Mond oder anderen planetarischen Körpern zu schicken, lautet die Hauptfrage: Wie werden wir ihre Kolonie mit Energie versorgen? Sie werden nicht nur Energie brauchen, um eine bewohnbare Umgebung zu schaffen, sondern auch, um zur Erde zurückzukehren. Für ferne Planetenkörper wie den Mars ist es ineffizient, Kraftstoff für die Heimreise mitzunehmen. es ist einfach zu schwer Das bedeutet, dass die Astronauten eine Stromquelle benötigen, um flüssigen Sauerstoff und Treibmittel herzustellen.

Aber welche Art von Energiequelle ist klein und dennoch stark genug, um einen außerirdischen Lebensraum zuverlässig mit Energie zu versorgen?

Betreten Sie Kilopower, einen kleinen Atomreaktor, der im Los Alamos National Laboratory in Zusammenarbeit mit der NASA entwickelt wurde. Die Agentur hofft, eines Tages eine Kolonie auf dem Mars, dem Mond oder darüber hinaus mit Strom versorgen zu können.

Die Brillanz von Kilopower liegt in seiner Einfachheit: Mit wenigen beweglichen Teilen nutzt er die Heatpipe-Technologie, die bereits 1963 in Los Alamos erfunden wurde, um einen Stirling-Motor anzutreiben. So funktioniert es: Das abgedichtete Rohr im Wärmerohr zirkuliert eine Flüssigkeit um den Reaktor, nimmt die Wärme auf und transportiert sie zum Stirlingmotor. Dort setzt die Wärmeenergie Gas unter Druck, um einen Kolben anzutreiben, der mit einem Motor gekoppelt ist, der Elektrizität erzeugt. Durch die gleichzeitige Verwendung der beiden Geräte entsteht eine einfache, zuverlässige Stromversorgung, die für Weltraumanwendungen angepasst werden kann, z. B. für die Erforschung des Menschen und weltraumwissenschaftliche Missionen zu äußeren Planetenkörpern wie den Monden von Jupiter und Saturn.

Kilopower-Reaktoren reichen von 1 Kilowatt - genug, um einen Haushalts-Toaster mit Strom zu versorgen - bis 10 kW. Um einen Lebensraum auf dem Mars effektiv zu betreiben und Treibstoff zu erzeugen, wären etwa 40 kW erforderlich, sodass die NASA wahrscheinlich vier bis fünf der Reaktoren an die Oberfläche des Planeten schicken würde.

Die Vorteile der Kernenergie sind ihr geringes Gewicht und ihre Zuverlässigkeit. Andere Energiequellen benötigen entweder zu viel Kraftstoff - was sie zu schwer macht - oder sind nicht in allen Jahreszeiten zu erwarten. Solarenergie setzt zum Beispiel auf beständiges Sonnenlicht. Dies ist etwas, was auf dem Mars fehlt, da es von der Tageszeit, der Jahreszeit, der Position auf der Planetenoberfläche und der Schwere der Staubstürme auf dem Planeten abhängt, die Monate anhalten können. Die Kernenergie funktioniert unabhängig von Wetter und Tageszeit. Auch die Anzahl der benötigten Sonnenkollektoren und Batterien würde die Rakete zum Mars wieder extrem schwer machen - und mehr Treibstoff erfordern.

Was kommt als nächstes?

Experimente zum Testen von Kilopower - KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) genannt - begannen Ende letzten Jahres am Nevada National Security Site (NNSS) und werden in diesem Frühjahr mit dem Test eines flugähnlichen Reaktorkerns bei voller Betriebstemperatur gipfeln. Neben Los Alamos, der NASA und NNSS wird das Experiment in Zusammenarbeit mit dem Glenn Research Center der NASA, dem Marshall Space Flight Center und dem Y-12 National Security Complex sowie den NASA-Auftragnehmern SunPower und Advanced Cooling Technologies durchgeführt.

Die Arbeit an dieser Technologie ist nicht neu. KRUSTY baut auf einem Experiment aus dem Jahr 2012 auf, das von einem Team aus Los Alamos, NNSS und Glenn durchgeführt wurde und das die erste Verwendung eines Wärmerohrs zur Kühlung eines kleinen Kernreaktors und zum Antrieb eines Stirling-Motors demonstrierte. Diese neuen Experimente bauen auf dem Wissen auf, das wir aus diesem Experiment gewonnen haben.

Mit Blick auf die Zukunft ist das Potenzial der Kernenergie, die Pläne für einen langfristigen Lebensraum auf anderen Planetenkörpern zu stärken, ziemlich außergewöhnlich. Das Antreiben einer Kolonie ist zwar nur eine der vielen komplexen technischen Fragen, die beantwortet werden müssen, wenn wir darüber nachdenken, Menschen auf andere Planeten zu schicken, aber es ist von entscheidender Bedeutung. Kilopower könnte die Antwort sein. Wir sind gespannt, wohin es uns führen wird.

Patrick McClure ist der Kilopower-Projektleiter am Los Alamos National Laboratory des US-Energieministeriums in New Mexico. David Poston ist der Chefdesigner des Reaktors, ebenfalls bei Los Alamos.