Die Zeit ist reif für eine neue Phase der Raumfahrt, denn mit einem Nuklearantrieb ist ein sehr viel höherer Antriebsschub erreichbar – bedeutend mehr als z. B. mit chemisch angetriebenen Raketen. Konzepte hierfür entstanden schon in den frühen 1960er Jahren, denn schon damals war klar, daß die bemannte Raumfahrt mit chemischem Treibstoff nicht weit über den Mond hinauskommen würde. Ein Nuklearantrieb würde hingegen dem Menschen die Wege im Weltraum wesentlich verkürzen und vor allem eine bemannte Marsmission möglich machen.
Mit herkömmlichen Antriebssystemen dauert ein bemannter Flug zum Mars bei günstigster Konstellation zwischen Erde und Mars 260 Tage. Will man eine höhere Geschwindigkeit erreichen, ist mehr Treibstoff erforderlich, doch größere Treibstofftanks bedeuten ein höheres Gewicht für das Raumschiff, wodurch sich die Geschwindigkeit wieder reduziert. Nur mit größerer Schubkraft ließe sich das Problem der Flugdauer lösen. Nach Berechnungen der Ingenieure könnte man mit einem Nuklearantrieb die Reisedauer zum Mars mehr als halbieren. Die Zukunftsperspektive lautet also: Wir brauchen den Nuklearantrieb und weitere starke Antriebsmethoden.
In China und Rußland wird bereits seit Jahren an nukleargetriebenen Weltraumprojekten gearbeitet, in Rußland sogar schon seit 2010. Doch jetzt wird die Idee auch bei der NASA und der ESA wiederbelebt. Die NASA will gemeinsam mit der DARPA, der Forschungsabteilung des US-Verteidigungsministeriums, bis 2027 (!) eine Rakete mit einem thermischen Nuklearantrieb konzipieren und testen. Eine derartige Rakete könnte die Flugzeiten bei Weltraummissionen stark reduzieren und außerdem die Nutzlast der Raketen deutlich steigern. Die Berechnungen gehen davon aus, daß eine Reise zum Mars mit solch einer Nuklearrakete in ungefähr 45 Tagen bewältigt werden könnte.
„Die Zeit ist mehr als reif für eine neue Phase der Raumfahrt“, sagt auch Prof. Martin Tajmar, einer der heute bedeutendsten Raketeningenieure. Tajmar, ursprünglich Physikingenieur aus Wien, ist heute Direktor des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik an der Technischen Universität Dresden. In seinem Büro stehen chronologisch angeordnete Raketenmodelle, die seine Visionen und Ambitionen für die Zukunft beschreiben, denn er forscht an Raketenantrieben, und zwar an hocheffizienten Triebwerken für Satelliten und unbemannte Raumsonden.
Auch für die bemannte Raumfahrt entwickelt Tajmar Ideen von neuen Antriebssystemen, die effizienter als die chemischen sind, um überhaupt Menschen auf den knapp 230 Millionen km entfernten Planeten Mars schicken zu können. Er gibt momentan dem Nuklearantrieb den Vorzug, ob durch Kernspaltung oder Kernfusion, sieht aber bereits auch zukünftige Möglichkeiten des Ionenantriebs. Seine Pläne gehen weit über die recht veralteten Vorhaben der NASA hinaus. Er erklärte: „Ich möchte mich nicht damit abfinden, daß wir zwar das Sonnensystem erforschen können, aber nichts darüber hinaus“.((Siehe auch das Interview mit Prof. Tajmar in FUSION 02/2019.))
Wernher von Braun hatte bereits in den ersten Nachkriegsjahren in Huntsville, Alabama, Pläne für eine bemannte Reise zum Mars entwickelt, nachdem die Raketenforschung in Peenemünde den Beweis erbracht hatte, daß man nicht nur rechnerisch-theoretisch, sondern auch ganz real mit herkömmlichen chemischen Treibstoffen aus der Erdatmosphäre in den Planetenraum gelangen konnte. Er wurde dann einer der ersten engagierten Fürsprecher des Orion-Projekts der 1960er Jahre, das zum Ziel hatte, ein nukleares Pulstriebwerk als Antrieb für Raumschiffe zu entwickeln. Er gewann sogar Präsident John F. Kennedy dafür, denn zu dieser Zeit gab es noch Staatsoberhäupter, die an der Entwicklung der Menschheit Interesse hatten. In der begeisternden Rede, in der John F. Kennedy Amerika 1961 aufforderte: „Let’s go to the moon!“, appellierte er auch daran, die Atomenergie zu entwickeln.
Der Plan war der Bau eines 4000 Tonnen schweren Raumschiffs, das von Hunderten in schneller Folge explodierenden kleinen Atombomben ins All getrieben werden sollte. Das Raumschiff selber sollte durch einen massiven Schutzschild und ein Stoßdämpfersystem geschützt werden. Das begeisternde Motto lautete: „Mars bis 1965, Saturn bis 1970!“
Der Wettlauf ins All
Alle potentiellen Weltraummächte faßten damals dieses Ziel ins Auge, aber erst mit dem Sputnikschock 1957 begann der Wettlauf in den Weltraum. Es war ein Schock für die USA, die ebenfalls an Raketentechnik für Weltraummissionen arbeitete, als die Sowjetunion am 4. Oktober 1957 den ersten Satelliten Sputnik I ins Weltall schoß. Es folgte sogar nur einen Monat später Sputnik II mit der Hündin Laika an Bord, dem ersten Lebewesen im All.
Wernher von Braun legte 1952 mit dem Entwurf seines „Marsprojekts“ eine bis heute maßgebliche Grundlagenstudie zum Beweis der technischen Durchführbarkeit solch einer enormen Weltraummission vor. Dabei war das eigentliche Ziel nicht der Mond. Die erfolgreiche Mondlandung 1969 sollte nur der erste Schritt sein, um irgendwann die Reise zum erdähnlichsten Nachbarplaneten, den Mars, antreten zu können.
Dieser großartige Plan ging über alles bis dahin technisch Durchführbare hinaus und spiegelte den damals herrschenden Optimismus treffend wider. Von Brauns Entwurf wurde 1952–53 breit publiziert; zum Beispiel erschien er in mehreren reich bebilderten Aufsätzen in Collier‘s Magazine. 1955–1957 wurde er durch die Walt Disney Studios sogar ins Fernsehen gebracht, wodurch die Menschen in vielen Ländern wachgerüttelt und begeistert wurden. In Buchform erschien die Studie zuerst 1952 unter dem Titel Das Marsprojekt – Studie einer interplanetarischen Expedition im Frankfurter Umschau-Verlag, dann 1953 in den USA als The Mars Project von der University of Illinois (Urbana). Von Brauns Visionen waren nicht nur der Anstoß für das Mondprojekt, sondern beflügelten zahllose Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker und nicht zuletzt eine ganze Generation junger Menschen. Unzählige Industrieprojekte wurden in Gang gesetzt, und alle späteren Marsstudien basierten darauf. Neben dem Sputnikschock waren diese Projekte sicher mitentscheidend für die Gründung der NASA am 1. Oktober 1958. Der Marsforscher Jesco von Puttkamer schreibt in seinem Buch Marsprojekt dazu:
„Es war eine erstaunliche Meisterleistung menschlicher Kreativität, denn da es zuvor nur Phantastisches und (dank der Pioniergeister wie Ziolkowsky und Oberth) Spekulatives gegeben hatte, konnte v. Braun nur an diese wenigen Vordenker anknüpfen und sich auf keinerlei technische Vorbilder stützen.“((Jesco von Puttkamer, Jahrtausendprojekt Mars – Chance und Schicksal der Menschheit, Langen Müller, München 1996, S. 224.))
Ende der 1960er Jahre hatte die NASA im Rahmen des Projekts Rover bereits den Prototypen eines Nuklearantriebs getestet, die Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA). Aber die Nixon-Regierung beschnitt das Budget des Projektes dramatisch, so daß es wieder eingestellt wurde. Auch die grüne Anti-Vernunft-Bewegung, die künstlich in die Welt gesetzt wurde, hat den weltweiten Optimismus, der durch Kennedys Aufruf entstanden war, im Keim erstickt. Bereits 1963 wurden weitere Tests für einen Nuklearantrieb verboten. Das Orion-Projekt lief seit 1957 und wurde aus politischen Gründen dann auch 1965 eingestellt, ohne daß es zu einem Probelauf gekommen wäre. In den USA wurde die Forschung an Nuklearantrieben im Rahmen der Strategischen Verteidigungsinitiative (SDI) zwar wieder aufgenommen, aber dann endgültig 1992 beendet.
Nur einer der drei Apollo-11-Astronauten, der Pilot der Kommandokapsel Michael Collins, sorgte seit der Mondlandung immer wieder dafür, daß die ursprünglichen Ideen einer Weltraumstation, einer Marsmission und der Bedeutung eines Nuklearantriebs nicht untergingen. 1990 erschien sein Buch Mission to Mars, in welchem er auch die inzwischen erdrückende politische Stimmung gegen die weitere Kernforschung attackierte. Ihm war zwar bewußt, daß ein herkömmlicher chemischer Antrieb wie bei Apollo 11 bei einer um ein Vielfaches längeren Marsmission einen riesigen Treibstoffballast erforderlich machte, so kommt er doch wie Wernher von Braun zu dem Schluß: Wir sollten auf jeden Fall und unter allen Umständen erst einmal hin! Er schreibt:
„Alle diese verschiedenen Antriebssysteme werden vielleicht eines Tages praktikabel sein, aber bis dahin sind nur zwei von ihnen – chemische Raketen und Kernreaktoren – technologisch ausgereift genug, um ernsthafte Kandidaten für eine baldige Marsmission zu sein. Im Fall des Kernreaktors besteht jedoch immer noch das Problem, seine Wärme effizient in Schubkraft umzusetzen, ganz zu schweigen von den politischen Problemen, die mit seinem Einsatz verbunden sind… Aus diesen Gründen, und aus einer eingefleischten Hemmung, von bewährten Technologien abzuweichen, stimme ich mit von Braun überein. Fliegt – wenigstens anfangs – mit konventionellen chemischen Raketen zum Mars. Vielleicht können wir ihren Isp [spezifischen Impuls] auf annähernd 500 Sekunden bringen, aber wartet darüber hinaus auf einen Durchbruch, vielleicht bei der Antimaterie.“
Bereits 1967 waren die Studien soweit fortgeschritten, daß am 5. September 1975 ein mit vier Astronauten bemannter Marsvorbeiflug hätte starten können, der den Mars nach 130 Tagen am 23. Januar 1976 erreicht hätte. Bemannte Landemanöver waren ab 1984 geplant, und speziell für Landemanöver waren auch Nuklearantriebe erfolgreich untersucht worden, z. B. von Lockheed seit 1964.
„Die Vorstellung, zu anderen Himmelskörpern zu fliegen, spiegelt im höchsten Grade die Unabhängigkeit und Gewandtheit des menschlichen Geistes. Sie verleiht den technischen und wissenschaftlichen Unternehmungen des Menschen höchste Würde. Vor allem aber berührt sie die Philosophie seiner Existenz überhaupt. Folglich kennt die Idee der Raumfahrt keine Staatsgrenzen, erkennt keine Unterschiede historischer oder ethnischer Abstammung und durchdringt das Gewebe des einen soziologischen oder politischen Weltbildes ebenso rasch wie das eines anderen.“((Krafft Ehricke in seinem Aufsatz Die Anthropologie der Raumfahrt (1957) ))
Der Weltraumpionier Krafft Ehricke war maßgeblich an den ersten Studien beteiligt. Er setzte sich besonders für die schnellstmögliche Entwicklung eines Nuklearantriebes ein, denn solch ein Kernantrieb hätte Missionen von insgesamt 400 bis 450 Tagen und einer Aufenthaltsdauer von 30 bis 50 Tagen auf dem Mars ermöglicht. Auch für die Erzeugung großer Mengen elektrischen Stroms, wie sie an Bord eines Raumschiffes und auch beim Landemanöver erforderlich sind, wird die nukleare Energie die Antwort sein. Auf dem Mondlandeflug von Apollo 11 wurden bereits Radioisotopen-Generatoren (RTGs) benutzt, bei denen durch den natürlichen Zerfall radioaktiver Plutoniumisotope in einem thermoelektrischen Generator Strom erzeugt wurde. Diese plutoniumgefüllten RTGs speisten die Instrumente weiter, lange nachdem die Astronauten den Mond wieder verlassen hatten.
Ein chinesischer und russischer Sputnikeffekt?
Das Budget der NASA ist unter den letzten amerikanischen Regierungen, bis auf die kurze Amtszeit von Trump, immer mehr zusammengestrichen worden. Das ist einer der Gründe dafür, daß sie bis heute nur auf radioaktive Batterien setzt; Orbiter, Weltraumsonden und die Marsrover werden mit Radioisotopenbatterien auf Basis von Plutonium betrieben.
China und Rußland sind dagegen viel ehrgeiziger und mutiger. China will mit einem Nuklear-Raumschiff sogar zu dem Eisriesen Neptun am Rande unseres Sonnensystems (4700 Millionen km Entfernung) vordringen, was bisher erst einer Sonde gelungen ist. In dem Journal Scientia Sinica Technologica, das gemeinsam von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas herausgegeben wird, wird in einem Forschungspapier gezeigt, daß China das äußere Sonnensystem ins Visier nimmt. Ein Raumfahrzeug soll laut dem Papier 2030 mit einer Langer-Marsch-5-Rakete ins All starten und 2040 den Neptun erreichen. Es wird mit einem Kernspaltungsreaktor mit 10 KWe ausgestattet sein, der im Vergleich zu den bislang eingesetzten Radionuklidbatterien wesentlich mehr Energie erzeugt.((https://www.sciengine.com/SST/doi/10.1360/SST-2020-0399)) Dadurch erhält auch das gesamte Raumfahrtprogramm Chinas einen erheblichen Schub.
China gibt mit seinen ehrgeizigen Plänen für weitere Weltraumprojekte inzwischen weltweit das Tempo an. China hat außerdem durch seine Erforschung der Rückseite des Mondes deutlich gemacht, daß es für die Zukunft an Raumfahrzeuge mit Fusionsantrieb denkt, denn die Helium-3-Vorkommen auf dem Mond könnten als Fusionsbrennstoff genutzt werden und sichere und schnelle bemannte Reisen zum Mars und anderen Regionen des Sonnensystems ermöglichen.
Auch die Russische Föderation betreibt bereits mehrere Kernspaltungsreaktoren im All, und Rosatom, die staatliche Agentur für Atomenergie Rußlands, arbeitet nach eigenen Angaben schon seit 2010 an einem „Megawatt-Klasse-Nuklearantrieb“ für zukünftige Weltraummissionen.
Die neuen Nuklearantriebe sollen die 30fache Energiereserve eines konventionellen Raumschiffs haben, sowie eine hohe Manövrierbarkeit und eine dauerhaftere Beschleunigung ermöglichen. Somit war den russischen Raumfahrtingenieuren schon vor 13 Jahren klar, daß eine Crew mit Nuklearantrieb in 45 Tagen zum Mars fliegen kann.
Infolgedessen stehen NASA und ESA jetzt unter starkem Zugzwang. Tatsächlich haben NASA und ESA seit Beginn des Jahres 2023 das Thema Nuklearantrieb wieder aufgegriffen. Gemeinsam mit der Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums DARPA beginnen nun Forschungen an einer nuklearen Antriebsart für Raketen im Weltall. Bei dieser Antriebstechnik erzeugt ein Reaktor Strom, der elektrisch geladene Teilchen zur Schuberzeugung beschleunigt. Der erste Test des neuen Nuklear-Antriebs soll laut NASA bereits 2027 stattfinden. Geplant ist, daß in einem Kernreaktor Kernspaltung stattfindet, wodurch Treibstoff erhitzt und so ein Schub erzeugt wird, der für den Antrieb einer Rakete im Weltraum erforderlich ist. Der NASA-Administrator Bill Nelson verkündete: „Mit dieser neuen Technik können Astronauten in Zukunft viel schneller als jemals im Weltraum unterwegs sein – eine grundlegende Voraussetzung für eine bemannte Mars-Mission.“
Die USA planen in diesem Rahmen auch, ein Kernkraftwerk am Mond zu bauen, um damit ihre Basis auf dem Erdtrabanten mit Energie zu versorgen. Ein bereits 2017 gegründetes Unternehmen Atomos Space mit Sitz in Denver im US-Bundesstaat Colorado investiert derzeit in einen Reaktor als Teil der größeren Vision des Unternehmens, „Weltraumschleppdienste“ zu entwickeln, die Satelliten nach dem Start in die Zielorbits leiten. Außer den Regierungsbehörden NASA und DARPA gibt es auch private Unternehmen, die Kernreaktoren für den Weltraum entwickeln. Für sehr engagierte Leute wie die Atomos-Chefin Clark „ist die Kernenergie schlicht die Technologie, um sich im Weltraum weit oder schnell zu bewegen“. Nur so sei letztlich eine dauerhafte Präsenz außerhalb unseres Heimatplaneten möglich, und Mars- und Mond-Stationen seien ohne Kernenergie nicht denkbar.
Auch bei der ESA laufen seit Mai 2023 mehrere Machbarkeitsstudien zum Einsatz von nuklearbasierten elektrischen Antrieben (NEP) im Weltraum. Durchgeführt werden die Studien von Wissenschaftlern der Universität Prag, der Universität Stuttgart und des Unternehmens OHB System. Laut Jakub Sevecek, Leiter des Projektmanagements der OHB Czechspace, wird das Projekt von seinem Unternehmen geleitet. Wie Jan Frybort, leitender Forscher für Nukleartechologie von der Technischen Universität in Prag, erklärt, sollen mit der Antriebstechnik in Zukunft auch Weltraummissionen in anderen Sonnensystemen möglich werden:
„Die Verwendung von nuklearbasierter elektrischer Antriebstechnik für anspruchsvolle Weltraummissionen wurde bereits in mehreren Studien in der Vergangenheit behandelt. Dank der aktuellen Technologien ist dieses Thema auch in Europa wieder relevant. Tatsächlich kann nuklearer Antrieb effizienter sein als der effizienteste chemische Antrieb oder die durch Solarenergie begrenzte elektrische Antriebstechnik überwinden, wodurch die Erforschung von Orten ermöglicht wird, die keine andere Technologie erreichen kann. Dies stellt eine große Herausforderung für zukünftige Weltraummissionen jenseits unseres Sonnensystems dar, zum Beispiel.“
Im Rahmen des ESA-Programms zur Vorbereitung zukünftiger Trägerraketen (FLIPP) haben Wissenschaftler und Ingenieure nun 11 Monate Zeit, um Machbarkeitsstudien zu erstellen und die Vorzüge von nuklear basierten im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben für Raumfahrtmissionen zu analysieren. Ein neues Zeitalter der Raumfahrt ist also angebrochen und die Menschheit wird, konkurrierend oder in Zusammenarbeit, auf jeden Fall in weitere Gebiete des Weltraums vordringen.