Der Ausdruck „Kernenergie“ beschwört Bilder von großen dampfenden Türmen oder Tony Starks Lichtbogenreaktor aus den legendären „Iron Man“-Filmen herauf. Aber zwei in Seattle ansässige Startups entwerfen Nukleartechnologien, die klein genug sind, um sie aufzunehmen und zu tragen, teilweise dank der Beteiligung des Verteidigungsministeriums, von denen sie hoffen, dass sie eine neue Generation von Raumschiffen antreiben werden.
Avalanche Energy und Ultra Safe Nuclear Corporation aus Seattle erhielten im Mai von der Defense Innovation Unit des Pentagon Fördermittel in nicht bekannter Höhe, um zwei unterschiedliche Ansätze für kleine Kernkraftwerke weiterzuentwickeln.
Avalanche erweitert die Grenzen der Kernfusion, während Ultra Safe darauf abzielt, nukleare Radioisotopenbatterien zu revolutionieren, wie sie beispielsweise Mars-Rover antreiben. Beide Unternehmen werden voraussichtlich bis 2027 funktionsfähige Prototypen von Raumfahrzeugen an das Pentagon liefern.
„Nuklearenergie ist ein interessanter Bereich, weil dies traditionell hauptsächlich im Bereich der Regierung liegt“, sagte US-Luftwaffenmajor Ryan Weed, der Programmmanager für das Nuklearantriebs- und Energieprogramm der Defense Innovation Unit. Die Einheit – der Außenposten des Pentagon im Silicon Valley – arbeitet ausschließlich mit Unternehmen des Privatsektors zusammen, um neue Technologien für militärische Zwecke anzupassen.
Nach sechs Jahrzehnten materialwissenschaftlicher Forschung sind Kernbrennstoffe relativ sicher und werden vom privaten Sektor angenommen. Die Klimakrise hat auch dazu geführt, dass die öffentliche Meinung die Kernkraft als brauchbaren Ersatz für fossile Brennstoffe akzeptiert. Massive Fortschritte in der Computermodellierung haben die kommerzielle Entwicklung der Kernenergie machbarer gemacht, sagte Chris Hansen, ein Fusionsforscher, der ein Labor an der University of Washington leitet.
Der Bundesstaat Washington hat eine Beziehung zur Nuklearforschung, die auf den Standort Hanford aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs zurückgeht, der den größten Teil des Plutoniums für die USA produzierte. sagte Scott Montgomery, Dozent an der Jackson School of International Studies der University of Washington.
Heute ist der Bundesstaat ein Zentrum für kommerzielle Nuklear-Startups, insbesondere für Unternehmen, die versuchen, die Kernfusion im kleinen Maßstab zu knacken. Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der durch den Abbau von radioaktiven Schwermetallen wie Uran Energie erzeugt wird, erfolgt die Fusion, wenn zwei kleinere Atomkerne kollidieren, um den größeren Kern eines anderen Elements zu bilden und dabei Energie freizusetzen.
Avalanche-Mitbegründer Brian Riordan stellt sich Fusion gerne als Versuch vor, zwei mit Klettverschluss überzogene Magnetkugeln zusammenzukleben.
„Der Klettverschluss wirkt über eine sehr kurze Distanz, aber wenn man sie nahe genug heranbringen könnte und der Klettverschluss stark wäre, würden sie haften bleiben“, sagte Riordan.
Es ist schwierig, eine Fusion zu erreichen, da sich die positiv geladenen Ionen wie bei den mit Klettverschluss bedeckten Magneten natürlich gegenseitig abstoßen. Es ist noch schwieriger, es in einem kleinen Behälter zu verpacken. Ein typisches Beispiel: Mehr als 35 Länder haben Jahre und Milliarden von Dollar in den Bau des Reaktors Iter Tokamak in Südfrankreich investiert. Die Maschine wird sich erst 2025 einschalten und bis mindestens 2035 nicht kommerziell rentabel sein.
In der Zwischenzeit machen Startups aus Seattle Schlagzeilen.
Das größte technische Hindernis für die Fusion besteht darin, die Maschine dazu zu bringen, mehr Energie zu produzieren, als sie verbraucht, aber Zap Energy aus Seattle verkündete letzte Woche, dass es erwartet, innerhalb des Jahres einen funktionierenden Prototyp zu haben. Im Jahr 2021 kündigte das in Everett ansässige Unternehmen Helion Energy an, mit dem Bau des ersten kommerziellen Kernfusionsreaktors in Everett mit einem voraussichtlichen Fertigstellungstermin im Jahr 2028 zu beginnen.
Avalanche, das von den ehemaligen Blue Origin-Ingenieuren Riordan und Robin Langtry mitbegründet wurde, trat 2018 in das Rennen um die Fusion ein und hat einen neuen Fusionsreaktor in der Größe einer Brotdose namens „Orbitron“ patentieren lassen.
Das Gerät kombiniert zwei vorhandene Instrumente in einer Vakuumkammer – eine „Orbitfalle“, die positiv geladene Ionen in einer kleinen Umlaufbahn um eine negativ geladene Kathode nutzt, und ein „Magnetron“, das einen Elektronenstrom erzeugt. Das Einführen von Elektronen in den Reaktor neutralisiert die positive Ladung und ermöglicht es einer größeren Anzahl von Ionen, in den Raum einzutreten, und das Packen von mehr Ionen in diesen kleinen Raum erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Fusion exponentiell.
Das Team verfeinert den ersten Prototypen und plant, im August auf ein größeres Gerät hochzuskalieren. Die größte technische Herausforderung besteht darin, den Hochspannungsleiter so zu miniaturisieren, dass er in das gewünschte Gehäuse passt, aber dennoch genügend Energie an die Kathode liefert, damit die Ionen schnell genug umkreisen, um miteinander zu verschmelzen.
Letztendlich sollte das fertige Produkt zwischen 5 und 15 Kilowatt produzieren, obwohl Benutzer viele Einheiten zusammenfassen könnten, um viel größere Mengen an Strom zu erzeugen. Die Größe macht Orbitron für die Raumfahrt förderlich, was Avalanche während des Pentagon-Vertragsauswahlverfahrens auszeichnet, sagte Weed, Projektmanager der Defense Innovation Unit.
Während Avalanche versucht, Fusionen im kleinen Maßstab freizusetzen, entwickelt Ultra Safe eine neue und verbesserte „Atombatterie“ namens EmberCore. Diese Geräte sind im Wesentlichen heiße, radioaktive Gesteine, die beim Zerfall stetig Energie freisetzen.
„Sie können den heißen Stein als heißen Stein verwenden oder ihn mit Energieumwandlungstechnologie umhüllen, um diese Wärme in Strom umzuwandeln“, sagte Adam Schilffarth, Strategiedirektor der Advanced Technologies Division von Ultra Safe.
Die NASA hat in der Vergangenheit Plutonium für Radioisotopenbatterien verwendet, wie diejenigen, die den Rover Curiosity auf dem Mars und die Weltraumsonden Voyager 1 und 2 antreiben. Plutonium ist jedoch eine teure, seltene und gefährliche Substanz. Ultra Safe hat verschiedene Isotope wie Kobalt-60 und Thulium untersucht, die so skaliert werden können, dass sie die 10-fache Energie herkömmlicher Plutoniumsysteme erzeugen und gleichzeitig sicherer und kostengünstiger sind.
Das erste auf den Markt gebrachte EmberCore-Produkt Ultra Safe hat die Größe eines Apfels. Es funktioniert wie ein „Handwärmer“ für Mondlander, damit sie eine 14-tägige Mondnacht überleben können, sagte Chris Morrison, Chefingenieur des EmberCore-Projekts. Der endgültige Prototyp für das Pentagon wird die Größe eines kleinen Aktenschranks haben.
Weed sagte, EmberCore und Orbitron könnten es Raumschiffen ermöglichen, weiter zu reisen und die Abhängigkeit von Sonnenkollektoren zu beseitigen. Mit solch großen Leistungskapazitäten könnten diese Technologien auch eine neue Generation von Raumfahrzeugen hervorbringen, die leicht zwischen den Ebenen der Erdumlaufbahn springen können. Das könnte die Tür zu allen Arten von kommerzieller Raumfahrt, Tourismus und Handel öffnen.
„Diese neuen Antriebssysteme werden es uns ermöglichen, neue Missionen zu kennen, und so wird es sich darauf auswirken, wie wir Weltraumenergie einsetzen“, sagte Weed. „Es wird definitiv ein Game Changer sein.“
©2022 The Seattle Times.
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