Magnetische Fusionsplasmamotoren könnten uns durch das Sonnensystem und in den interstellaren Raum befördern

Missionen zum Mond, Missionen zum Mars, Roboterforscher zum äußeren Sonnensystem, eine Mission zum nächsten Stern und vielleicht sogar ein Raumschiff, um interstellare Objekte einzuholen, die durch unser System fliegen. Wenn Sie denken, dass dies wie eine Beschreibung des kommenden Zeitalters der Weltraumforschung klingt, dann liegen Sie richtig.

Derzeit gibt es zahlreiche Pläne und Vorschläge für Missionen, die Astronauten und/oder Sonden zu all diesen Zielen schicken, um einige der lukrativsten wissenschaftlichen Forschungen durchzuführen, die jemals durchgeführt wurden. Natürlich bringen diese Missionsprofile alle möglichen Herausforderungen mit sich, nicht zuletzt den Antrieb.

Vereinfacht gesagt stößt die Menschheit an die Grenzen dessen, was konventionelle (chemische) Antriebe leisten können. Um Missionen zum Mars und zu anderen Zielen im Weltraum zu schicken, sind fortschrittliche Antriebstechnologien erforderlich, die eine hohe Beschleunigung (Delta-V), einen spezifischen Impuls (Isp) und Treibstoffeffizienz bieten.

In einem aktuellen Artikel schlägt der Leidener Professor Florian Neukart vor, wie zukünftige Missionen auf einem neuartigen Antriebskonzept namens Magnetic Fusion Plasma Drive (MFPD) basieren könnten. Dieses Gerät kombiniert Aspekte verschiedener Antriebsmethoden, um ein System zu schaffen, das eine hohe Energiedichte und eine deutlich höhere Kraftstoffeffizienz bietet als herkömmliche Methoden. Der Artikel wurde auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv.

Florian Neukart ist Assistenzprofessor am Leiden Institute of Advanced Computer Science (LIACS) der Universität Leiden und Vorstandsmitglied des Schweizer Quantentechnologieentwicklers Terra Quantum AG.

Der Vorabdruck seiner Arbeit wird zur Veröffentlichung überprüft. Laut Neukart sind Technologien, die konventionelle chemische Antriebe (CCP) übertreffen können, im gegenwärtigen Zeitalter der Weltraumforschung von größter Bedeutung. Insbesondere müssen diese Technologien eine höhere Energieeffizienz, einen höheren Schub und eine höhere Leistungsfähigkeit für Langzeitmissionen bieten.

Dies gilt insbesondere für Missionen zum Mars und zu anderen Orten außerhalb des Erde-Mond-Systems, die ernsthafte Risiken für die Gesundheit, Sicherheit und das Wohlbefinden der Astronauten darstellen. Selbst wenn Erde und Mars alle 26 Monate am nächsten sind (Mars-Opposition), kann es bis zu neun Monate dauern, bis ein einfacher Transit zum Planeten erfolgt.

Kombiniert mit Oberflächenoperationen, die bis zu einem Jahr dauern könnten, und der neunmonatigen Rückreise könnten Missionen zum Mars bis zu 900 Tage dauern. Während dieser Zeit werden Astronauten einem erhöhten Maß an kosmischer und Sonnenstrahlung ausgesetzt sein, ganz zu schweigen von den Belastungen, die ein langer Aufenthalt in der Schwerelosigkeit für ihren Körper haben wird.

Daher erforschen die NASA und andere Raumfahrtbehörden aktiv alternative Antriebsmöglichkeiten. Wie in einem früheren Artikel mit dem Titel „Wie lange würde es dauern, um zum nächsten Stern zu reisen?“ erwähnt, gelten diese Konzepte auch als potenzielle Mittel, um interstellare Reisen über Jahrzehnte hinweg zu erreichen.

Dazu gehören kraftstoffeffiziente Konzepte wie Elektro- oder Ionenantriebe, die elektromagnetische Felder nutzen, um inertes Treibmittel (wie Xenongas) zu ionisieren und es durch Düsen zu beschleunigen, um Schub zu erzeugen. Allerdings erzeugen diese Konzepte im Allgemeinen einen geringen Schub und müssen auf schwere Energiequellen (Solaranlagen oder Kernreaktoren) zurückgreifen, um mehr zu erzeugen.

Eine weitere Option sind Sonnensegel, die eine kontinuierliche Beschleunigung erzeugen können, ohne dass ein Treibstoff benötigt wird (und dadurch Masse eingespart wird). Allerdings sind mit dieser Technologie ausgestattete Missionen hinsichtlich der Schubkraft begrenzt und müssen näher an der Sonne operieren. Eine Variante der Idee besteht darin, Laserarrays mit Gigawatt-Energie (GWe) einzusetzen, um mit Segeln ausgestattete Raumfahrzeuge auf relativistische Geschwindigkeiten (einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit) zu beschleunigen. Dieses Konzept erfordert jedoch eine teure Infrastruktur und enorme Energiemengen, um realisierbar zu sein.

Ein weiteres beliebtes Konzept ist der nuklear-thermische Antrieb (NTP), den NASA und DARPA derzeit in Form der Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) entwickeln. Bei dieser Methode wird Treibstoff (z. B. flüssiger Wasserstoff) in einem Kernreaktor erhitzt, wodurch er sich durch Düsen ausdehnt und so Schub erzeugt. Zu den Vorteilen von NTP gehören eine sehr hohe Energiedichte und eine erhebliche Beschleunigung, es bringt jedoch auch zahlreiche technische und sicherheitstechnische Herausforderungen mit sich, die die Handhabung und den Start von Kernmaterial mit sich bringen.

Es gibt auch Antriebskonzepte, die Fusionsreaktionen nutzen, wie Deuterium-Tritium (DT) und Deuterium-Wasserstoff-3 (D-He3)-Reaktionen, mit denen theoretische Wissenschaftler seit Jahrzehnten arbeiten. Diese Methoden bieten das Potenzial für einen hohen Schub und einen extrem hohen spezifischen Impuls, stellen aber auch technische Herausforderungen dar, die nicht zuletzt mit der Handhabung des erforderlichen Treibstoffs und dem Erreichen nachhaltiger und kontrollierter Fusionsreaktionen zusammenhängen.

Es gibt auch exotischere Konzepte wie Antimaterieantrieb und den Alcubierre Warp Drive, aber keines davon wird in absehbarer Zukunft verfügbar sein.

Und es gibt Neukarts Vorschlag, der Elemente des Fusionsantriebs, des Ionenantriebs und anderer Konzepte kombiniert. Wie er Universe Today per E-Mail erklärte:

„Das MFPD ist ein Antriebssystem für die Weltraumforschung, das kontrollierte Kernfusionsreaktionen als primäre Energiequelle sowohl für den Schub als auch für die potenzielle Stromerzeugung nutzt. Das System basiert auf der Nutzung der immensen Energieausbeute von Fusionsreaktionen, an denen typischerweise Isotope von Wasserstoff beteiligt sind Helium, um einen Hochgeschwindigkeitsausstoß von Partikeln zu erzeugen und dadurch Schub gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz zu erzeugen.

„Das Plasma aus den Fusionsreaktionen wird mithilfe von Magnetfeldern begrenzt und manipuliert, wodurch eine kontrollierte Energiefreisetzung und Richtungsabhängigkeit gewährleistet wird. Gleichzeitig sieht das MFPD-Konzept die Möglichkeit vor, einen Teil der Fusionsenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, um Bordsysteme und möglicherweise das Reaktionskontrollsystem zu versorgen.“ des Raumschiffs.

Um dieses Konzept zu entwickeln, begann Nuekart mit Deuterium-Tritium (DT)-Fusionsreaktionen, da es sich um eine der am besten erforschten und verstandenen Reaktionen handelt und eine klare und vertraute Grundlage für die Ausarbeitung der Kernprinzipien und Mechanismen der MFPD bietet.

Darüber hinaus, so Neukart, hätten DT-Reaktionen relativ niedrige Zündtemperaturen und einen größeren Wirkungsquerschnitt als andere Konzepte, was sie zu einem guten „Ausgangspunkt“ mache. Daher stellen sie einen nützlichen Maßstab für die Messung und den Vergleich der Leistung dieses theoretischen Antriebssystems dar.

Das ultimative Ziel von MFPD ist jedoch die Nutzung der aneutronischen Fusion (p-B11), bei der nur sehr wenig der durch die Reaktionen freigesetzten Energie von Neutronen getragen wird. Aneutronische Reaktionen hingegen setzen Energie in Form geladener Teilchen (typischerweise Protonen oder Alphateilchen) frei und reduzieren dadurch die Menge der erzeugten Neutronenstrahlung erheblich.

Die Vorteile dieses Systems liegen sofort auf der Hand: Es kombiniert einen hohen spezifischen Impuls mit einer immensen Energiedichte und liefert sowohl Schub als auch Leistung aus einer einzigen Energiequelle. Zu den weiteren Vorteilen, sagte Neukert, gehören die folgenden:

Hoher spezifischer Impuls: Das MFPD kann einen hochspezifischen Impuls liefern, der dem Raumschiff eine erhebliche Geschwindigkeitsänderung (Delta-V) verleiht und so Missionen zu entfernten Himmelskörpern erleichtert.

Energiedichter Treibstoff: Fusionstreibstoff ist wie Wasserstoffisotope unglaublich energiedicht und ermöglicht möglicherweise längere Missionen, ohne dass große Mengen Treibstoff erforderlich sind.

Geringere Massenanteile: Das Raumschiff könnte mit geringeren Massenanteilen für die Treibstoffspeicherung konstruiert werden, was eine größere Massenzuteilung für wissenschaftliche Instrumente oder zusätzliche Technologien ermöglicht.

Doppelter Nutzen: Das MFPD ist nicht nur ein Antriebssystem; Es ist auch vorgesehen, die Systeme und Instrumente des Raumfahrzeugs mit Strom zu versorgen, was für Langzeitmissionen von entscheidender Bedeutung ist.

Anpassungsfähigkeit: Die Möglichkeit, den Schub und den spezifischen Impuls anzupassen und so Vielseitigkeit für verschiedene Missionsphasen wie Beschleunigung, Reiseflug und Verzögerung zu bieten.

Reduzierte Reisezeit: Das Potenzial für einen höheren kontinuierlichen Schub kann die Transitzeiten zu entfernten Zielen erheblich verkürzen und so die Risiken im Zusammenhang mit der Belastung durch kosmische Strahlung und dem Ressourcenmanagement an Bord mindern.

Strahlungsabschirmung: Auch wenn es eine Herausforderung darstellt, könnten die inhärenten magnetischen und physikalischen Strukturen so konstruiert werden, dass sie unter Nutzung des Plasmas und der Magnetfelder ein gewisses Maß an Strahlungsabschirmung für das Raumschiff und die Besatzung bieten.

Unabhängigkeit von der Nähe zur Sonne: Im Gegensatz zu Sonnensegeln oder solarelektrischen Antrieben ist der MFPD nicht auf die Nähe zur Sonne angewiesen; Daher ist es für Missionen in das äußere Sonnensystem und darüber hinaus geeignet.

Minimiertes Risiko einer nuklearen Kontamination: Im Vergleich zu nuklearthermischen oder spaltungselektrischen Konzepten könnte das MFPD so konzipiert sein, dass das Risiko einer radioaktiven Kontamination minimiert wird, da für die Kernfusion im Allgemeinen weniger radioaktives Material erforderlich ist und möglicherweise eine sicherere Reaktorabschaltung möglich ist.

Im Hinblick auf die möglichen Auswirkungen dieses Systems auf die Weltraumforschung betonte Nuekart die Fähigkeit, große kosmische Entfernungen in kürzeren Zeiträumen zu überwinden, die Missionsprofile zu erweitern (schnelle Transite zu anderen Planeten im Sonnensystem und interstellare Missionen) und die Risiken langer Missionen zu mindern Weltraummissionen (Exposition gegenüber Strahlung und Schwerelosigkeit), Revolutionierung des Raumfahrzeugdesigns durch gleichzeitige Bereitstellung von Antrieb und elektrischer Energie sowie Verbesserung der menschlichen Erkundungsfähigkeiten.

Darüber hinaus sieht er auch das Potenzial für technologische Spin-offs in den Materialwissenschaften, der Plasmaphysik und der Energieerzeugung, die hier auf der Erde Anwendung finden könnten. Die Entwicklung dieses Systems könnte auch internationale Kooperationen fördern und Experten und Ressourcen aus verschiedenen Bereichen zusammenbringen, um gemeinsame Forschungsziele zu verwirklichen.

Natürlich wäre kein Technologievorschlag der nächsten Generation ohne einige Vorbehalte und Ergänzungen vollständig. Beispielsweise, so Nuekart, bestehe die größte Herausforderung für den MFPD-Antrieb darin, stabile Fusionsbeziehungen im Weltraum zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Auf der Erde haben Forscher erhebliche Fortschritte beim magnetischen Einschluss (MCF) und der Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF) gemacht. Bei ersterem handelt es sich um Tokamok-Reaktoren, die Magnetfelder nutzen, um die Fusion in Form von Plasma einzudämmen, während bei letzterem Laser zum Komprimieren und Erhitzen von DT-Brennstofftabletten zum Einsatz kommen.

Allerdings wurden keine ähnlichen Experimente im Weltraum durchgeführt, was zu Fragen darüber führt, wie das System mit der durch Reaktionen verursachten Wärme, der resultierenden Strahlung und den strukturellen Auswirkungen auf Raumfahrzeuge umgeht. Dennoch rollt bereits der Stein für Atomtests im Weltraum (der bereits erwähnte DRACO-Demonstrator).

Angesichts der Vorteile des Fusionsantriebs wird es wahrscheinlich nicht lange auf dem Entwurfsbrett bleiben. Letztendlich, sagt Nuekart, zielt die Forschung zu MFPD darauf ab, einen Weg zu etablieren, der zur interplanetaren und (irgendwann) interstellaren Erforschung führen wird:

„Während der Weg zur Verwirklichung des MFPD-Konzepts unbestreitbar mit Herausforderungen und wissenschaftlichen Hürden verbunden sein wird, ist der potenzielle Gewinn enorm. Die Verwirklichung eines zuverlässigen, effektiven und effizienten Fusionsantriebs könnte die Grenzen erreichbarer Ziele neu definieren und die Menschheit in eine neue Ära der Erforschung führen.“ , Entdeckung und Verständnis des Kosmos.

„Die Hoffnung besteht darin, dass die Forschung Neugier, Innovation und Entschlossenheit bei Wissenschaftlern, Ingenieuren und Entdeckern auf der ganzen Welt weckt und den Kurs für unsere Zukunft zwischen den Sternen festlegt.“