In den kommenden Jahren plant die NASA, mehrere astrobiologische Missionen zur Venus und zum Mars zu schicken, um nach Beweisen für außerirdisches Leben zu suchen. Diese werden parallel zu bemannten Missionen zum Mond (zum ersten Mal seit der Apollo-Ära) und den ersten bemannten Missionen zum Mars stattfinden.
Über das innere Sonnensystem hinaus gibt es ehrgeizige Pläne, Robotermissionen nach Europa, Titan und anderen „Ozeanwelten“ zu schicken, die exotisches Leben beherbergen könnten. Um diese Ziele zu erreichen, investiert die NASA im Rahmen des NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms in einige interessante neue Technologien.
Die diesjährige Auswahl umfasst solarbetriebene Flugzeuge, Bioreaktoren, Lichtsegel, Winterschlaftechnologie, astrobiologische Experimente und nukleare Antriebstechnologie. Dazu gehört ein Konzept für a Dünnschicht-Isotopen-Kerntriebwerksrakete (TFINER), ein Vorschlag des leitenden technischen Mitarbeiters James Bickford und seiner Kollegen am Charles Stark Draper Laboratory – einem unabhängigen Technologieentwickler mit Sitz in Massachusetts.
Dieser Vorschlag basiert auf dem Zerfall radioaktiver Isotope zur Antriebserzeugung und wurde kürzlich vom NIAC ausgewählt Entwicklung der Phase I.
Wie aus ihrem Vorschlagspapier hervorgeht, sind fortschrittliche Antriebe für die Verwirklichung mehrerer Missionskonzepte der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören das Senden eines Teleskops zum Brennpunkt der Gravitationslinse der Sonne und ein Rendezvous mit einem vorbeiziehenden interstellaren Objekt. Diese Missionskonzepte erfordern hohe Geschwindigkeiten, die mit konventioneller Raketentechnik einfach nicht möglich sind.
Während Lichtsegel für Schnelltransportmissionen im Sonnensystem und in Proxima Centauri untersucht werden, können sie im Weltraum nicht die notwendigen Antriebsmanöver durchführen.
Zu den nuklearen Konzepten, die mit der aktuellen Technologie möglich sind, gehören nuklear-thermische und nuklear-elektrische Antriebe (NTP/NEP), die über den nötigen Schub verfügen, um Orte im Weltraum zu erreichen. Allerdings sind sie, wie Bickford und sein Team feststellten, auch groß, schwer und teuer in der Herstellung.
„Im Gegensatz dazu schlagen wir eine Dünnschicht-Kernisotopenmaschine mit ausreichender Fähigkeit vor, um Proben von entfernten und sich schnell bewegenden interstellaren Objekten zu suchen, zusammenzubringen und dann zurückzugeben“, schreiben sie. „Die gleiche Technologie ermöglicht die Neuausrichtung eines Gravitationslinsenteleskops, sodass mit einer einzigen Mission zahlreiche hochwertige Ziele beobachtet werden können.“
Das Grundkonzept ähnelt einem Sonnensegel, außer dass es auf dünnen Schichten eines radioaktiven Isotops beruht, das den Impuls seiner Zerfallsprodukte nutzt, um Schub zu erzeugen.
Wie sie es beschreiben, umfasst das Basisdesign Schichten aus Thorium-228 mit einer Dicke von etwa ~10 Mikrometern (0,01 mm). Dieses natürlich radioaktive Metall (typischerweise in der Strahlentherapie verwendet) unterliegt einem Alpha-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 1,9 Jahren. Schub wird erzeugt, indem eine Seite mit einer ~50 Mikrometer (0,05 mm) dicken Absorberschicht beschichtet wird, wodurch Alphateilchen in die entgegengesetzte Richtung ihrer Bewegung gezwungen werden.
Das Raumschiff würde 30 kg (66 lbs) Thorium-228 benötigen, verteilt auf eine Fläche von über 250 m2 (~2.700 Quadratfuß), was einen Schub von mehr als 150 km/s (93 mi/s) liefern würde.
Zum Vergleich: Die schnellste Mission, die auf konventionellem Antrieb beruhte, war die Parker Solar Probe (PSP), die eine Geschwindigkeit von 163 km/s (101 mi/s) erreichte, als sie den nächstgelegenen Punkt ihrer Umlaufbahn um die Sonne (Perihel) erreichte. . Dies war jedoch auf das durch die Schwerkraft unterstützte Manöver mit der Venus und die Anziehungskraft der Schwerkraft der Sonne zurückzuführen.
Zu den Vorteilen dieses Systems gehört die Einfachheit, da das Design auf bekannten physikalischen und bekannten Materialien basiert. Es bietet auch Skalierbarkeit für kleinere Nutzlasten (wie Sensoren) oder größere Missionen (wie Weltraumteleskope).
Eine einzige konventionelle Trägerrakete könnte mehrere dieser Raumfahrzeuge in eine solare Fluchtbahn bringen, was eine Fluchtgeschwindigkeit von 42,1 km/s (26 mi/s) erfordert. Die Schubbleche können auch neu konfiguriert werden, um Schubvektoren und Manöver von Raumfahrzeugen zu ermöglichen, was bedeutet, dass das Raumschiff nach zukünftigen Missionen Ausschau halten könnte, sobald es den Weltraum erreicht.
Dazu gehören Teleskope, die auf den Brennpunkt der Sonnengravitationslinse (SGL) ausgerichtet sind, und Missionen, die sich mit interstellaren Objekten (ISOs) treffen und möglicherweise Proben zur Analyse zur Erde zurückbringen. Apropos: Das Raumschiff hätte die freie Kapazität, sich selbstständig mit einem ISO zu treffen und Proben zurückzugeben.
Der natürliche Zerfall der Platten kann auch mithilfe einer Schicht thermoelektrischer Materialien (oder Peltier-Kacheln) genutzt werden, um überschüssige elektrische Leistung von etwa 50 kW bei einem Wirkungsgrad von 1 % zu erzeugen. Eine Schicht aus Betateilchen emittierendem Material könnte ebenfalls hinzugefügt werden, um die Alphastrahlung zu neutralisieren und „eine Spannungsvorspannung zu induzieren, die Abgasemissionen lenkt und/oder den ausgehenden Sonnenwind nutzt“.
Sie weisen auch darauf hin, dass das Konzept mit mehreren „Stufen“ gestaltet werden kann, die mit Actinium-227 (oder anderen Isotopen mit einer längeren Halbwertszeit) ausgestattet sind, was zu einer höheren Geschwindigkeit über längere Missionslebensdauern führt. In ähnlicher Weise kann eine modifizierte Version, die auf Thorium-233 basiert, den Thorium-Brennstoffkreislauf nutzen – einen kaskadierenden Isotopenzerfall, der schließlich Uran-232 produziert –, was (so behaupten sie) zu einer Leistungssteigerung von etwa 500 % führen wird. Die vorgeschlagene Technologie bietet eindeutig viele Möglichkeiten für zukünftige Entwicklungen und könnte zur Ausführung mehrerer Missionsprofile verwendet werden.
Diese Missionen stehen im Einklang mit der Vision der NASA für das kommende Jahrhundert. Dazu gehört die Entsendung von Raumfahrzeugen, um ISOs aus nächster Nähe zu untersuchen, bewohnbare Planeten in benachbarten Sternensystemen zu entdecken, bemannte Missionen über das Erde-Mond-System hinaus durchzuführen und nach Leben auf anderen Himmelskörpern zu suchen.