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

von Patrick McClure und David Poston

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

Wenn wir uns vorstellen, Menschen in nicht allzu ferner Zukunft auf den Mars, den Mond oder andere Planetenkörper zu schicken, lautet die Hauptfrage: Wie werden wir ihre Kolonie mit Strom versorgen? Sie brauchen nicht nur Energie, um eine bewohnbare Umgebung zu schaffen, sondern auch, um zur Erde zurückzukehren. Für entfernte Planetenkörper wie den Mars ist es ineffizient, Treibstoff für die Heimreise mitzubringen. 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 Strom zu versorgen?

Betreten Sie Kilopower, einen kleinen Kernreaktor, der im Los Alamos National Laboratory in Zusammenarbeit mit der NASA entworfen wurde und von dem die Agentur hofft, dass er eines Tages eine Kolonie auf dem Mars, dem Mond oder darüber hinaus antreiben wird.

Die Brillanz von Kilopower ist seine Einfachheit: Mit wenigen beweglichen Teilen nutzt es die 1963 in Los Alamos erfundene Heatpipe-Technologie, 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, einschließlich menschlicher Erkundungen und weltraumwissenschaftlicher Missionen zu äußeren Planetenkörpern wie den Monden von Jupiter und Saturn.

Kilopower-Reaktoren reichen von 1 Kilowatt - ungefähr genug, um einen Haushaltstoaster anzutreiben - bis zu 10 kW. Um einen Lebensraum auf dem Mars effektiv zu betreiben und Brennstoff 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 liegen darin, dass sie leicht und zuverlässig ist. Andere Energiequellen benötigen entweder zu viel Kraftstoff - was sie zu schwer macht - oder können nicht in allen Jahreszeiten berücksichtigt werden. Solarenergie zum Beispiel ist auf beständiges Sonnenlicht angewiesen. Das fehlt auf dem Mars, da es von der Tageszeit, der Jahreszeit, dem Ort auf der Planetenoberfläche und der Schwere der Staubstürme des Planeten abhängt, die Monate dauern können. Die Kernenergie arbeitet unabhängig von Wetter und Tageszeit. Auch die Anzahl der benötigten Sonnenkollektoren und Batterien würde die Rakete zum Mars erneut extrem schwer machen - mehr Treibstoff erforderlich.

Was kommt als nächstes?

Die Versuche zum Testen von Kilopower - KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) genannt - begannen Ende letzten Jahres am Nevada National Security Site (NNSS) und werden im Frühjahr mit dem Test eines flugähnlichen Reaktorkerns bei voller Betriebstemperatur gipfeln. Neben Los Alamos, 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 von 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 Stirlingmotors 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, Pläne für einen langfristigen Lebensraum auf anderen Planetenkörpern zu unterstützen, ziemlich außergewöhnlich. Während die Stromversorgung einer Kolonie nur eine der vielen komplexen technischen Fragen ist, die beantwortet werden müssen, wenn wir daran denken, Menschen auf andere Planeten zu schicken, ist sie von entscheidender Bedeutung. Kilopower könnte sehr gut 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 Chefreaktordesigner, ebenfalls in Los Alamos.