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Jan 13, 2024

Was wäre, wenn Titan Dragonfly eine Fusionsmaschine hätte?

In etwas mehr als vier Jahren wird die Dragonfly-Mission der NASA ins All starten und

In etwas mehr als vier Jahren wird die Dragonfly-Mission der NASA ins All starten und ihre lange Reise in Richtung Titan, dem größten Saturnmond, antreten. Im Rahmen des New Frontiers-Programms wird dieser Quadrocopter die Atmosphäre, die Oberfläche und die Methanseen des Titanen nach möglichen Hinweisen auf Leben (auch Biosignaturen genannt) erkunden. Dies beginnt im Jahr 2034 mit einer Wissenschaftsphase von drei Jahren und dreieinhalb Monaten. Um seine Langlebigkeit zu gewährleisten, wird der Roboterforscher auf eine Atombatterie – einen Multi-Mission Radioisotope Thermal Generator (MMRTG) – angewiesen sein.

Aber was wäre, wenn Dragonfly mit einem Fusionsenergiesystem der nächsten Generation ausgestattet wäre? In einer aktuellen Missionsstudienarbeit demonstrierte ein Forscherteam von Princeton Satellite Systems, wie ein Direct Fusion Drive (DFD) eine Mission zum Titan erheblich verbessern könnte. Dieses in New Jersey ansässige Luft- und Raumfahrtunternehmen entwickelt Fusionssysteme, die auf der Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) basieren. Diese Forschung könnte zu kompakten Fusionsreaktoren führen, die zu schnellen Transits, Missionen mit längerer Dauer und Miniaturkernreaktoren hier auf der Erde führen könnten.

Das Forschungsteam wurde von Michael Paluszek geleitet, dem Präsidenten von Princeton Satellite Systems (PSS) und einem Luft- und Raumfahrtingenieur mit langjähriger Erfahrung in Raumfahrtsystemen und der kommerziellen Raumfahrtindustrie. Zu ihm gesellten sich mehrere Kollegen vom PSS, dem Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), dem Air Force Institute of Technology an der Wright-Patterson AFB sowie der Princeton und der Stanford University. Ihre Missionsstudie „Titan-Flugzeug mit Kernfusionsantrieb“ erschien kürzlich in Acta Astronautica.

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Das Konzept des Kernantriebs geht auf das frühe Weltraumzeitalter zurück, als die NASA und das sowjetische Raumfahrtprogramm versuchten, Reaktoren zu entwickeln, um zukünftige Missionen über das Erde-Mond-System hinaus anzutreiben. Zwischen 1964 und 1969 führten ihre Bemühungen zum Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), einem Festkernreaktor, der auf dem langsamen Zerfall von hochangereichertem Uran (235U) basiert, um einen nuklear-thermischen Antrieb (NTP) anzutreiben. oder nuklear-elektrisches Antriebssystem (NEP).

Ersteres basiert auf einem Reaktor, um die Treibstoffe Deuterium (2H) und flüssigen Sauerstoff (LOX) zu erhitzen, die dann durch Düsen geleitet werden, um Schub zu erzeugen. Bei letzterem handelt es sich um einen Reaktor, der Strom für ein Hall-Effekt-Triebwerk oder einen Ionenmotor liefert, der auf elektromagnetischen Feldern basiert, um ein Inertgas (wie Xenon) zu ionisieren, das für den Schub durch Düsen geleitet wird. Im Gegensatz zu diesen traditionellen Kerntriebwerken erfordert der Direct Fusion Drive (DFD) ein Kernfusionsraketentriebwerk, das sowohl Schub als auch elektrische Energie für ein interplanetares Raumschiff erzeugen würde.

In einer früheren Studie schlug ein internationales Forschungsteam vor, wie ein mit einem 2-Megawatt-(MW)-DFD ausgestattetes Raumschiff eine Nutzlast von 1000 kg (2200 lbs) in weniger als 2,6 Jahren (~31 Monaten) zum Titan transportieren könnte. Das ist mehr als das Doppelte der Masse der Dragonfly-Mission, die im Vergleich (relativ gesehen) ein Federgewicht ist – 450 kg (990 lbs). Eine Transitzeit von 2,6 Jahren ist auch deutlich kürzer als die sieben Jahre, die die Raumsonde Dragonfly brauchen wird, um Titan zu erreichen.

In ihrer Arbeit erweiterten Paluszek und seine Kollegen diese Arbeit um ein Flugzeug als Nutzlast, das jahrelang die Atmosphäre und Oberfläche des Titans erkunden sollte. Und im Gegensatz zum Quadcopter-Design der Dragonfly wäre ihr Titan-Flugzeug ein Starrflügel-Roboter-Entdecker. Wie Paluszek Universe Today per E-Mail mitteilte, ist der Schlüssel zu diesem Raumfahrzeugkonzept das von Forschern am PPPL entwickelte PFRC-Reaktorkonzept:

„Die Princeton Field Reverse Configuration ist eine magnetische Topologie, bei der von Antennen erzeugte Felder die Feldlinien innerhalb eines magnetischen Spiegels schließen. Die Antennen erzeugen ein sogenanntes rotierendes Magnetfeld (RMF). Die Fusion findet in diesem geschlossenen Feldbereich statt. Zusätzliche Plasmaströme mit niedrigerer Temperatur rund um den Fusionsbereich, um einen Abgasstrom mit der besten Abgasgeschwindigkeit und dem besten Schub für eine bestimmte Mission zu erzeugen.

Ihrer Studie zufolge könnte ein DFD-Antriebsmotor ein großes Raumschiff in weniger als zwei Jahren zum Titan transportieren. Ein zweiter Fusionsreaktor würde die Titan-Raumsonde als Stromgenerator mit geschlossenem Kreislauf antreiben. Beide Reaktoren würden auf dem PFRC-Konzept basieren und auf einem neuartigen Hochfrequenz-Plasmaheizsystem und Deuterium/Helium-3 (2H/3He)-Brennstoff basieren. Dies würde dem Titan-Flugzeug deutlich mehr Leistung verleihen (um mehrere Größenordnungen) und die Lebensdauer der Mission erheblich verlängern. Paluszek sagte:

„Das Titan-Flugzeug ist viel größer. Es liefert über 100 kW für Experimente. Dragonfly liefert etwa 70 W. Mehr Leistung bedeutet schnellere Datenübertragung zur Erde und eine ganz neue Klasse von Hochleistungsinstrumenten. Die Jupiter Icy Moon Orbiter-Mission der NASA hatte eine ähnliche Leistungsmengen und viele neuartige Instrumente geplant, die kW Leistung benötigten.

Die Nutzung der Kernenergie zur Förderung der Weltraumforschung ist etwas, mit dem Raumfahrtagenturen seit Beginn des Weltraumzeitalters experimentieren. Mit dem Artemis-Programm und der Rückkehr zum Mond in diesem Jahrzehnt sowie Missionen zum Mars und anderen Weltraumzielen im nächsten Jahrzehnt erwägen die NASA und andere Raumfahrtbehörden erneut mögliche Anwendungen. Dazu gehören bimodale nukleare Raumschiffe, die mit einem NTP- und NEP-System ausgestattet sind und den Transit zum Mars auf 100 Tage verkürzen könnten (derzeit dauert die Reise eines Raumschiffs dorthin sechs bis neun Monate).

Kürzlich wurde im Rahmen des NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms 2023 ein NTP-System für die Entwicklung der Phase I ausgewählt, das die Transitzeiten auf nur 45 Tage verkürzen könnte. Darüber hinaus hat die NASA einen Vertrag mit DARPA abgeschlossen, um bis 2027 einen NTP-Prototyp – die Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) – im Orbit zu testen. Darüber hinaus gibt es Bemühungen, kleine, leichte Spaltsysteme im Rahmen des Fission Surface Power (FSP)-Projekts der NASA zu entwickeln mindestens zehn Jahre lang kontinuierlich bis zu 10 Kilowatt (kW) Leistung bereitzustellen.

Diese letztgenannten Bemühungen bauen auf dem Kilopower-Projekt der NASA auf, das zum Demonstrator Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY (KRUSTY) führte. Wie Paluszek erklärte, könnte ein DFD, der auf dem PFRC-Reaktordesign basiert, diese Vorschläge drastisch verbessern. Darüber hinaus hat die Technologie erhebliche Auswirkungen auf die Weltraumforschung und terrestrische Anwendungen:

„Eine Schlüsselzahl ist das Verhältnis von Leistung zur Kraftwerksmasse. DFD sollte etwa 1 kW/kg betragen. NEP beträgt etwa 0,02 kW/kg. Diese Technologie könnte für tragbare Stromversorgung für Notfälle oder für das Militär verwendet werden. Sie könnte Fernstrom liefern.“ Städte ohne Netzanbindung [und] für industrielle Anwendungen, bei denen keine Netzanbindung verfügbar ist. Es könnte Schiffe und sehr langlebige Drohnenflugzeuge antreiben. Es könnte auch für modulare Kraftwerke verwendet werden, ähnlich wie Wind Turbinen und Solarenergie. Eine weitere Anwendung ist Spitzenleistung.“

Dies ist nicht das erste Mal, dass Paluszek und seine Kollegen vom PPPL und Princeton Satellite Systems die DFD-Technologie vorschlagen, um die Weltraumforschung voranzutreiben. Im Jahr 2014 empfahlen sie im Rahmen des 65. Internationalen Astronautischen Kongresses (IAC) ein DFD-Raumschiff für eine bemannte Orbitalmission zum Mars. Im Jahr 2016 schlugen sie vor, wie ein mit DFD ausgestatteter Orbiter und Lander eine Mission zum Pluto erleichtern würden, der vom NIAC für die Entwicklung der Phasen I und II ausgewählt wurde.

Im kommenden Jahrzehnt werden Kernantriebe und Kernenergiesysteme wahrscheinlich zu regelmäßigen Missionsbestandteilen gehören. Dazu werden wahrscheinlich Miniatur-Fusionsreaktoren gehören, die Energie für Einrichtungen liefern, die die Erforschung und Entwicklung auf der Mondoberfläche unterstützen. Es könnte auch schnelle Transport- und Energiesysteme auf dem Mars sowie astrobiologische Missionen nach Europa, Ganymed, Titan, Enceladus und anderen „Meereswelten“ im äußeren Sonnensystem ermöglichen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Spalt- und Fusionsenergie ein wesentlicher Bestandteil der Bemühungen der Menschheit sind, weiter in den Weltraum vorzudringen und dort langfristig zu bleiben.

Weiterführende Literatur: Acta Astronautica