Space Reactor-1 Freedom – Wenn Menschheit und Kosmos verschmelzen

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Loslassen, entspannen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen wie Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente. Dort tauchen wir gemeinsam in die Welt der Atome, Elektronen und chemischen Bindungen ein, ruhig, langsam, Schritt für Schritt, mit je einem Element pro Folge. Doch heute Nacht reisen wir hinaus, weit hinaus zu einem der kühnsten technischen Projekte, die die Menschheit je erdacht hat.

0:33 Heute sprechen wir über den Space Reactor One Freedom, über eine Vision bei der Menschheit und Kosmos miteinander verschmelzen, über eine Technologie, die nicht nur unsere Raumfahrt, sondern unser gesamtes Verständnis von dem, was möglich ist, für immer verändern könnte. Der Name klingt fast poetisch. Freedom, Freiheit und tatsächlich steht hinter diesem Begriff mehr als eine technische Konstruktion. Es ist ein Versprechen, ein Versprechen, dass die Menschheit sich eines Tages wirklich frei im Sonnensystem bewegen kann, unabhängig von der Sonne als Energiequelle, unabhängig von chemischen Treibstoffreserven, unabhängig von den Grenzen, die uns bisher immer wieder zurückgehalten haben. Der Space Reactor, One Freedom.

1:23 Ist ein nukleares Antriebssystem für Raumfahrzeuge ein Kernreaktor, der eben nicht auf der Erde steht, sondern im All betrieben wird? Und allein dieser Satz enthält eine stille Revolution, aber fangen wir ganz von vorne an, warum überhaupt ein Kernreaktor im Weltraum, was ist falsch mit den Sonnenpanelen, die wir kennen?

1:45 Die Antwort liegt in der Physik selbst, und sie ist eindeutig. Sonnenpaneele erzeugen elektrische Energie durch den photoelektrischen Effekt. Sie wandeln Sonnenlicht in Strom um. Das funktioniert wunderbar in der Nähe der Sonne, zum Beispiel auf der Erde, in der Erdumlaufbahn, auf dem Mond, vielleicht auch noch auf dem Mars, dort, wo das Sonnenlicht noch intensiv genug ist, um nennenswerte Mengen an Energie zu liefern, aber je weiter wir uns von der Sonne entfernen, desto schwächer wird das Licht, die Intensität der Sonnenstrahlung.

2:17 Nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab das sogenannte inverse Quadratgesetz, auf dem Jupiter in etwa 5 astronomischen Einheiten Entfernung von der Sonne beträgt die Sonnenenergie nur noch etwa 4% dessen, was wir auf der Erde empfangen. Auf dem Saturn sind es noch weniger als 2% und Uranus und Neptun, die Koipergürtelobjekte, der interstellare Raum dort ist Solarenergie schlicht keine Option mehr.

2:45 Für Missionen in das äußere Sonnensystem, für dauerhafte Mondbasen auf der Rückseite des Mondes, für autonome Raumfahrzeuge, die über Jahre oder Jahrzehnte eigenständig funktionieren sollen. Für all das brauchen wir eine andere Energiequelle und die Antwort, die Physikerinnen weltweit geben, lautet nukleare Energie nicht als Notlösung, sondern als logische, zwangsläufige Konsequenz aus den Gesetzen der Natur. Die Idee, Kernreaktoren im Weltraum zu betreiben, ist dabei keineswegs neu.

3:16 Die Sowjetunion hat in den 60er und 70er Jahren ein ganzes Programm namens Rohrsat, bei dem Reaktoren auf Satelliten in niedrigen Erdorbits betrieben werden. Die USA entwickelten im Rahmen des Snap Programms ebenfalls nukleare Energiequellen für den Weltraum. Die Raumsonden Voyager 1 und 2, die seit 1977 durchs All reisen und längst die Grenzen unseres Sonnensystems überschritten haben, werden bis heute von radionuklid Thermogeneratoren angetrieben, sogenannten RT GS. Diese RT GS nutzen die natürliche Wärmeerzeugung bei radioaktivem Zerfall von Plutonium 238, um Strom zu erzeugen.

4:02 Sie sind keine Reaktoren im eigentlichen Sinne, denn bei ihnen findet keine kontrollierte Kettenreaktion statt. Aber sie zeigen, dass nukleare Energie im Weltraum funktioniert, stabil, zuverlässig, über Jahrzehnte. Der Space Reaktor One Freedom geht jedoch weit darüber hinaus, er ist kein passives Zerfallsystem, er ist ein aktiver Spaltungsgenerator. Ein Gerät, in dem Uran 235 oder Uran 233 durch langsame oder schnelle Neutronen zur Kernspaltung gebracht wird. Bei jeder Spaltung eines Urankerns werden enormen Mengen an Energie freigesetzt, zusammen mit weiteren Neutronen, die ihrerseits neue Spaltung auslösen, die sogenannte Kettenreaktion.

4:47 Diese Reaktion wird durch Steuerstäbe, die in der Regel aus Bor oder Hafnium präzise geregelt. Die dabei erzeugte Wärme wird genutzt, um Strom zu erzeugen, in fortgeschritteneren Konzepten, um direkt Schub zu erzeugen. Es gibt dabei 2 grundlegende Betriebsmodi, die im Kontext der Space Reactor One diskutiert werden, erstens den thermoelektrischen Modus, die Wärme des Reaktors wird über thermoelemente, Materialien, die aus einer Temperaturdifferenz direkt Strom erzeugen, basierend auf dem seeback Effekt in elektrische Energie umgewandelt.

5:23 Dieses Prinzip ist einfach, robust und wartungsarm, aber der Wirkungsgrad ist gering, typischerweise zwischen 5 und 12%. Für kleinere Leistungen ist das ausreichend, für große Antriebssysteme jedoch nicht. Deshalb gibt es den zweiten ehrgeizigen Modus, den nuklearthermischen Antrieb. Hierbei wird Treibmittel fast immer Wasserstoff wegen seiner extrem niedrigen Molekülmasse durch den Reaktorkern geleitet. Auf mehrere 1000 grad erhitzt und dann mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse ausgestoßen. Das erzeugt Schub, und zwar mit einem spezifischen Impuls, der doppelt so hoch ist wie bei den besten chemischen Raketentriebwerten der spezifische Impuls ist das Maß für die Effizienz eines

6:11 Raketenantriebs. Ein herkömmliches Raketentriebwerk, das flüssigen Sauerstoff und Wasserstoff verbrennt, wie die Haupttriebwerke des Space Shuttles zum Beispiel, erreicht einen spezifischen Impuls von etwa 450 Sekunden. Ein nuklearthermisches Triebwerk könnte Werte von 900 bis 1000 Sekunden erreichen, das bedeutet für die gleiche Menge Treibstoff erzeugt ein nukleares System doppelt so viel Schub oder man braucht nur halb so viel Treibstoff für die gleiche Mission.

6:42 Stell dir vor, was das für eine bemannte Marsmission bedeuten würde. Mit chemischen Antrieben dauert die Reise von der Erde zum Mars je nach Startfenster und Flugbahn zwischen 6 und 9 Monaten. In dieser Zeit sind Astronautinnen einer erheblichen kosmischen Strahlung ausgesetzt, Protonen und Atomkerne, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Sonnensystem rasen und das Erbgut menschlicher Zellen schädigen, können auch.

7:07 Eine nukleare Antriebsmission könnte diese Reisezeit auf 3 bis 4 Monate verkürzen. Das ist kein marginaler Gewinn, das ist der Unterschied zwischen einem realistischen und einem extrem riskanten Vorhaben, aber warum haben wir das Ganze nun noch nicht, warum fliegen wir heute Jahrzehnte nach den ersten nuklearen Weltraum Experimenten in den 60er Jahren immer noch mit chemischen Raketen zum Mond? Die Antwort ist vielschichtig und sie hat sowohl technische als auch politische Dimensionen.

7:37 Technisch gesehen ist der Betrieb eines Kernreaktors im Weltraum eine außerordentliche Herausforderung. Das erste und vielleicht auch größte Problem ist die Wärmeabfuhr. Ein Reaktor erzeugt enorme Mengen an Wärme und diese Wärme muss irgendwo hin, auf der Erde geschieht dies durch Kühlwasser, durch Luft, durch den Boden, im Weltraum gibt es keine Luft, es gibt kein Wasser, es gibt nur eine Möglichkeit Wärme zu transportieren durch Strahlung.

8:04 Jeder Körper strahlt Energie von elektromagnetischen Wellen ab. Das beschreibt das Stefan Boltzmann Gesetz. Aber Strahlung ist langsam und erfordert riesige Oberflächen, um die Abwärme eines leistungsstarken Raumreaktors Abzustrahlen, braucht man massive Radiatoren, ausgedehnte flügelförmige Strukturen, um die Wärme abzustrahlen.

8:27 Diese Radiatoren müssen leicht genug sein, um ins All transportiert zu werden. Robust genug, um Meteoriten Mikroeinschläge zu widerstehen und effizient genug, um über viele Jahre zuverlässig zu funktionieren. Das zweite Problem sind die Neutronenmoderatoren und der Materialverschleiß im Reaktorkern herrschen extreme Bedingungen, die Neutronen, die bei der Spaltung freigesetzt werden, bombardieren die umgebenden Materialien ohne Unterlass. Sie erzeugen Strahlungsdefekte im Kristallgitter der Metalle, Leerstellen, Versetzungen, Cluster aus fehlplatzierten Atomen.

9:03 Über Zeit werden die Materialien spröde, sie verlieren ihre mechanische Festigkeit, sie verändern ihre thermischen Eigenschaften für einen Reaktor auf der Erde ist das handhabbar, denn er kann nach 30 oder 40 Jahren abgeschaltet und durch einen neuen ersetzt werden, ein Raumreaktor aber, der vielleicht an Bord einer Sonde unterwegs zum Jupiter ist.

9:23 Kann eben nicht gewartet werden, er muss von Anfang an auf eine Lebensdauer von 1020 30 Jahren ausgelegt sein, ohne jede Möglichkeit des Eingreifens. Das dritte Problem ist die Startphase, bevor ein Raumreaktor seine Arbeit aufnehmen kann, muss er von der Erde ins All gebracht werden und dieser Start die explosive, erschütternde Reise durch die Atmosphäre auf einer Trägerrakete, birgt ein inhärentes Risiko, was wenn die Rakete versagt?

9:53 Was, wenn Trümmer radioaktiven Materials über bewohntes Gebiet verstreuen? Das ist keine theoretische Frage im Jahr 1978 trat der sowjetische Satellit Kosmos 954 in die Atmosphäre ein und verstreute radioaktive Trümmer über dem Nordwesten Kanadas eine diplomatische Krise, zudem eine aufwändige Reinigungsaktion und ein mahnendes Beispiel.

10:20 Um solche Szenarien zu verhindern, müssen Raumreaktoren so ausgelegt sein, dass sie beim Staat inaktiv sind. Die Kettenreaktion darf erst weit außerhalb der Atmosphäre in sicherer Entfernung von der Erde gestartet werden, das stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion und erfordert zuverlässige Staatssysteme hier kommt die politische Dimension ins Spiel und wir müssen für einen Moment innehalten und ehrlich sein. Die Entwicklung von Space Reactor One Freedom findet nicht im politischen Vakuum statt.

10:52 Sie ist eingebettet in internationale Machtspiele, in Budgetstreitigkeiten, in kurzsichtige politische Entscheidung in den Vereinigten Staaten von Amerika, dem Land, das mit den Apollo Missionen den Mond betrat und mit dem Hubble Weltraumteleskop den Horizont der beobachtbaren Zeit verschob, ist die Raumfahrtpolitik der vergangenen Jahre durch Instabilität geprägt worden. Langfristige Forschungsprogramme wurden gekürzt, internationale Kooperationen in Frage gestellt, wissenschaftliche Behörden mit Misstrauen behandelt, eine Regierung die Klimaforschung als Meinung statt als Fakten behandelt. Die internationale Wissenschaftsgremien verlässt. Statt ihnen beizutreten, sendet ein verheerendes Signal, dass kurzfristige politische Gewinne

11:37 wichtiger sind als das generationsübergreifende Projekt der Menschheitserkundung das Erbe der Nasa, mühsam aufgebaut und. Millimeterweise errungen verträgt keine politischen Launen. Nuklearer Weltraumantrieb braucht Dekaden der Forschung, stabile Finanzierung und internationale Zusammenarbeit, Alleingänge, Rückzug und Misstrauen sind seine schlimmsten Feinde, aber die Forschung geht dennoch weiter.

12:04 Mutige Ingenieurinnen und Wissenschaftlerinnen auf der ganzen Welt, in den USA, in Europa, Russland, China, Japan und Indien. Arbeiten an Lösungen für die Probleme, die wir gerade beschrieben haben in den Vereinigten Staaten haben die Nasa und das Verteidigungsministerium oder Neuerweise Kriegsministerium in den vergangenen Jahren das Draco Programm ins Leben gerufen.

12:28 Demonstration Rocket for Agile CIS Nunia Operations dieses Programm hat explizit das Ziel, nuklearthermische Antriebssysteme bis Mitte der 2000 20er Jahre zu demonstrieren. In Europa arbeitet die ESA an den nuklearen Energiesystemen für Mondmissionen. In Russland wurde ein neuartiges Konzept der Megawatt Raumreaktor Tim entwickelt, der als Grundlage für hochenergetische Raumfahrtmissionen dienen soll, und China hat angekündigt, bis 2040 nuklear betriebene Raumsonden in Richtung des äußeren Sonnensystems zuschicken.

13:08 Space Reactor One Freedom selbst steht für ein spezifisches Konzept. Einen kompakten, leistungsstarken Spaltungsreaktor, der modular aufgebaut ist, also in Teilen gestartet und im Orbit zusammengebaut werden kann. Das ist eine entscheidende Innovation, denn eine der größten Einschränkungen der Raumfahrt ist die Nutzlastkapazität, wieviel Gewicht eine Trägerrakete in den Orbit heben kann.

13:32 Ein großer, schwerer Reaktor auf einmal zu starten, ist kaum möglich. Aber mehrere kleine Module, die im Orbit montiert werden, das wäre machbar. Es ist das gleiche Prinzip, das beim Bau der ISS angewendet wurde, einem der komplexesten technischen Vorhaben der Menschheitsgeschichte, das über mehr als ein Jahrzehnt Modul für Modul im Weltraum zusammengesetzt wurde.

13:58 Der Reaktor Kern von Space Reaktor One ist für den Betrieb mit niedrig angereichertem Uran ausgelegt. Diese Entscheidung ist nicht nur technischer, sondern auch von politischer Natur hoch angereichertes Uran, also Material mit mehr als 20% Uran 235, unterliegt strengsten internationalen, nicht verbreitungsregeln, denn es ist eben auch der Rohstoff für Kernwaffen durch die Verwendung von niedrigprozentigem Uran steigt auch die internationale Akzeptanz. Gleichzeitig ist auch hier die Energiedichte hoch genug, um die erforderlichen Leistungen zu erzielen. Ein kleines Handtellergroßes Brennelement enthält mehr Energie als 100 tausende Liter Raketentreibstoff, das ist eine unvorstellbare Konzentration,

14:47 die Kernenergie ermöglicht das Kühlsystem des Reaktors setzt auf flüssige Metalle, Lithium oder eine Natrium Kaliumlegierung. Diese Materialien haben extrem hohe Siedepunkte, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und sind kompatibel mit den hochtemperaturfesten Legierungen, aus denen der Reaktor besteht.

15:08 Das flüssige Kühlmittel strömt durch den Kern, nimmt die Wärme auf und transportiert sie zu den Radiatoren, wo sie ins All abgestrahlt wird, die Stromerzeugung. Erfolgt über Sterling Generatoren Wärmekraftmaschinen, die auf dem thermodynamischen Sterling Kreisprozess basieren. Der schottische Ingenieur Robert Sterling erfand dieses Prinzip im Jahr 1816 fast 2 Jahrhunderte später könnte seine Maschine ein Raumschiff auf dem Weg zum Jupiter antreiben, die Radiatoren der Space Reactor One bestehen aus Karbon, Karbon, Verbundwerkstoffen. Eine Material, das aus einem Geflecht von Kohlenstofffasern in einer Kohlenstoffmatrix besteht. Es ist extrem leicht, extrem hitzebeständig und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit im

15:59 entwalteten Zustand bilden die Radiatoren eine Fläche, die mehrere 100 Quadratmeter groß sein kann, wie riesige, schimmernde Flügel im Dunkeln des Eis, die Betriebstemperatur auf der Radiatorenoberfläche liegt bei mehreren 100 Grad Celsius. Selbst dann dauert es Stunden, bis die Wärme ins All abgestrahlt ist.

16:20 Die Gesetze der Thermodynamik lassen sich nicht überlisten, man kann sie eben nur clever nutzen. Einer der faszinierendsten Aspekte des Projekts ist das Strahlenschutzsystem ein laufender Kernreaktor ist eine intensive Quelle von Neutronen und Gammastrahlen, beides Formen ionisierender Strahlung, die für lebende Zellen schädlich ist.

16:44 Um eine menschliche Besatzung oder empfindliche Elektronik zu schützen, muss der Reaktor von massiven Abstimmungen umgeben sein. Typischerweise verwendet man dafür Wolfram, ein extrem schweres Material mit hoher Dichte, das Gammastrahlen effektiv adsorbiert, kombiniert mit bohrhaltigem Polyethylen oder lithiumhaltigen Materialien, die Neutronen einfangen.

17:09 Das Problem Abstimmung ist schwer, sehr schwer. Und Gewicht ist im Weltraum das teuerste, was es gibt. Deshalb verwendet man beim Space Reactor One ein Schattenschildprinzip der Reaktor ist dann eine Richtung abgeschirmt, dorthin, wo sich Besatzung oder Nutzlast befinden, und gibt in alle anderen Richtungen Strahlung ab, solange die schutzbedürftigen Systeme im Strahlungsschatten des Schilds bleiben, sind sie sicher, es ist wie ein Sonnenschirm, nur für tödliche Strahlung statt für UV Licht.

17:42 Es gibt aber noch ein weiteres Problem, das seltener diskutiert wird, obwohl es Fundamentalist das Ende der Lebensdauer, ein Kernreaktor im Weltraum enthält. Auch nach seinem Abschalten radioaktives Material für Jahrtausende. Was geschieht mit ausgedienten Raumreaktoren, sollen sie in stabilen, hochgelegenen Park Orbits verbleiben, weit genug von der Erde entfernt, um für Tausende von Jahren keine Gefahr darzustellen? Sollen sie lieber zurück zur Erde gebracht werden und dort sicher entsorgt werden, was mit enormen Risiken verbunden ist, sollen sie tief ins Sonnensystem geschossen werden, also eine de facto Entsorgung im All?

18:22 Diese Fragen sind nicht nur technischer, sondern auch ethischer Natur, sie berühren unsere Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen, gegenüber dem Weltraum selbst und gegenüber den anderen Lebewesen, falls es sie geben sollte, die vielleicht eines Tages. Durch dieselben Regionen des Eis navigieren werden, durch die wir unseren nuklearen Abfall deponiert haben und doch bei all diesen Herausforderungen, bei all diesen offenen Fragen, bleibt die Faszination ungebrochen, weil die Alternative im Sonnensystem gefangen zu bleiben, die äußeren Planeten nur mit winzigen Sonden zu besuchen, niemals eine bemannte Mission über den Mars hinaus zuschicken, keine wirkliche Alternative für eine Spezies ist, die von Natur aus

19:06 neugierig ist. Die. Die von Natur aus expandiert, die von Natur aus Fragen stellt, auf die sie Antworten suchen. Der Name Freedom ist also doppelt bedeutsam. Einerseits ist er die Freiheit des Weltraums, die Befreiung von energetischen Grenzen, die uns bisher gehemmt haben, andererseits ist da eine Erinnerung dafür, dass echte Freiheit Verantwortung voraussetzt, die Freiheit, das Sonnensystem zu erkunden, entbindet uns nicht von der Pflicht.

19:35 Sorgsam mit dem umzugehen, was wir dabei hinterlassen. Jede Entscheidung im Weltraum, welche Materialien wir verwenden, welche Orbits wir wählen, wie wir mit dem nuklearen Abfall umgehen, strahlt zurück auf uns, auf unsere Erde, und damit schließt sich ein Kreis, der uns vielleicht am meisten zum Nachdenken bringen sollte.

19:56 Wir bauen Systeme für den Weltraum, weil wir verstehen, wie kostbare Energie ist, wie knapp Ressourcen sein können, wie kompromisslos die Gesetze der Physik sind. Ein Kilogramm in den Orbit zu bringen, kostet Tausende Euro. Jede Kilowattstunde Strom auf dem Mars wäre unbezahlbar. Wir rechnen im Weltraum mit einer Präzision und Sorgfalt, die uns auf der Erde oft abhanden kommt.

20:18 Warum ist das so, warum sind wir bereit für ein Raumfahrtprojekt jeden Gramm Abwärme zu berücksichtigen, aber auf der Erde Megatonnen von CO 2 in die Atmosphäre zu entlassen, als hätte es keine Konsequenzen? Die Erde ist kein Raumschiff, sie ist etwas Kostbares. Ein Lebensraum, der über Milliarden von Jahren entstanden ist, mit einer Atmosphäre, die in einem fein austariertem Gleichgewicht steht, mit Ozeanen voller Leben, mit Wäldern, die Kohlenstoffbinden mit Böden voller Mikroorganismen, die wir kaum verstehen.

20:51 Sie ist einzigartig, soweit wir wissen, das einzige Mal im Universum, dass das komplexe Zusammenspiel von Chemie, Physik und Biologie zu dem geführt hat, was wir leben nennen, allem, was wir wissen, ist allem, was wir sind, liegt diese kleine blaue Kugel zugrunde. Space Reactor One Freedom könnte uns eines Tages die Sterne erreichbar machen, aber die wichtigste Mission, die wir heute haben, liegt nicht im äußeren Sonnensystem, sie liegt hier auf diesem Planeten im Schutz der einzigen Heimat, die wir je gekannt haben, jeder Watt Strom. Den wir aus erneuerbaren Quellen gewinnen. Jede Tonne CO 2, die wir einsparen. Jede Technologie, die wir entwickeln, um unsere Atmosphäre zu stabilisieren, das sind die

21:36 wahren Missionen der Zeit, nicht weniger kühn als die Reiter zum Jupiter, nicht weniger komplex als der Bau eines Raumreaktors, aber unvergleichbar wichtiger, weil ohne eine gesunde Erde alle Raumfahrtträume bedeutungslos sind. Denn wer sollte auch davon träumen, wenn niemand mehr da ist, der träumen kann? Zudem ist die Demokratie elementar wichtig, um solche Raumfahrtprogramme realisieren zu können, auch wenn wir aus unserer deutschen Perspektive wenig Einfluss auf die Vereinigten Staaten haben, ist auch hier Demokratie absolut wichtig und hilft uns, solche Raumfahrt Träume langfristig erreichbar zu machen.

22:20 Wir sind gespannt, wann wir den ersten funktionsfähigen Raumreaktor erleben werden. Bis dahin eine gute Nacht und bis zur nächsten Folge von Schlafreise durch das Universum.