Bereits in den frühen Stadien der Entwicklung der Raketen- und Raumfahrtindustrie tauchten erste Vorschläge für den Einsatz verschiedener Nukleartechnologien auf. Es wurden verschiedene Technologien und Einheiten vorgeschlagen und ausgearbeitet, von denen jedoch nur einige den tatsächlichen Betrieb erreichten. Für die Zukunft wird die Einführung grundlegend neuer Lösungen erwartet.
Der Erste im Weltraum
1954 wurde in den USA der erste thermoelektrische Radioisotop-Generator (RTG oder RTG) entwickelt. Das Hauptelement eines RTG ist ein radioaktives Isotop, das unter Freisetzung von Wärmeenergie auf natürliche Weise zerfällt. Mit Hilfe eines Thermoelements wird thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die Verbrauchern zugeführt wird.
Der Hauptvorteil des RTG ist die Möglichkeit des Langzeitbetriebs mit stabilen Eigenschaften und ohne Wartung. Die Lebensdauer wird durch die Halbwertszeit des ausgewählten Isotops bestimmt. Gleichzeitig zeichnet sich ein solcher Generator durch einen geringen Wirkungsgrad und eine geringe Ausgangsleistung aus und benötigt auch biologischen Schutz und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen. RTGs haben jedoch in einer Reihe von Bereichen mit besonderen Anforderungen Anwendung gefunden.
1961 wurde in den USA ein RTG vom Typ SNAP 3B mit 96 g Plutonium-238 in einer Kapsel erstellt. Im selben Jahr ging der mit einem solchen Generator ausgestattete Satellit Transit 4A in die Umlaufbahn. Es war das erste Raumschiff in der Erdumlaufbahn, das Kernspaltungsenergie nutzte. 1965 startete die UdSSR den Kosmos-84-Satelliten, ihr erstes Orion-1-RTG-Gerät mit Polonium-210.
Anschließend nutzten die beiden Supermächte aktiv RTGs, um Weltraumtechnologie für verschiedene Zwecke zu entwickeln. Zum Beispiel wurden in den letzten Jahrzehnten eine Reihe von Mars-Rovern durch den Zerfall radioaktiver Elemente angetrieben. Ebenso wird die Stromversorgung von Missionen bereitgestellt, die sich von der Sonne entfernen.
Seit mehr als einem halben Jahrhundert haben RTGs ihre Leistungsfähigkeit in einer Reihe von Bereichen unter Beweis gestellt, u.a. in der Raumfahrtindustrie, obwohl sie ein spezialisiertes Werkzeug für bestimmte Aufgaben blieben. In dieser Rolle tragen Radioisotopengeneratoren jedoch zur Entwicklung der Industrie, Forschung usw.
Atomrakete
Bald nach dem Start der Weltraumprogramme begannen die führenden Länder, sich mit der Entwicklung eines nuklearen Raketenantriebs zu befassen. Es wurden unterschiedliche Architekturen mit unterschiedlichen Betriebsprinzipien und unterschiedlichen Vorteilen vorgeschlagen. Im amerikanischen Projekt Orion wurde beispielsweise ein Raumfahrzeug vorgeschlagen, das eine Stoßwelle von nuklearen Sprengköpfen mit geringer Leistung zur Beschleunigung verwendet. Außerdem wurden Designs mit einem vertrauteren Aussehen ausgearbeitet.
In den fünfziger und sechziger Jahren entwickelten die NASA und verwandte Organisationen den NERVA-Motor (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Seine Hauptkomponente war ein Kernreaktor mit offenem Kreislauf. Das Arbeitsmedium in Form von flüssigem Wasserstoff musste aus dem Reaktor erhitzt und durch die Düse ausgestoßen werden, um Schub zu erzeugen. Ein Nuklearmotor dieser Art war herkömmlichen chemischen Brennstoffsystemen in der Konstruktionsleistung überlegen, obwohl er im Betrieb gefährlicher war.
Das NERVA-Projekt wurde mit verschiedenen Komponenten und der gesamten Baugruppe auf den Prüfstand gestellt. Während der Tests wurde der Motor 28 Mal eingeschaltet und fast 2 Stunden lang gearbeitet. Die Eigenschaften wurden bestätigt; es gab keine nennenswerten probleme. Das Projekt wurde jedoch nicht weiterentwickelt. An der Wende der sechziger und siebziger Jahre wurde das amerikanische Raumfahrtprogramm stark eingeschränkt und das NERVA-Triebwerk aufgegeben.
Im gleichen Zeitraum wurden ähnliche Arbeiten in der UdSSR durchgeführt. Ein vielversprechendes Projekt schlug den Einsatz eines Motors mit einem Reaktor vor, der das Arbeitsmedium in Form von flüssigem Wasserstoff erhitzt. In den frühen sechziger Jahren wurde ein Reaktor für einen solchen Motor geschaffen, und später begannen die Arbeiten an den übrigen Aggregaten. Lange Zeit wurde die Erprobung und Entwicklung verschiedener Geräte fortgesetzt.
In den siebziger Jahren bestand der fertige RD-0410-Motor eine Reihe von Zündtests und bestätigte die Hauptmerkmale. Aufgrund der hohen Komplexität und Risiken wurde das Projekt jedoch nicht weiterentwickelt. Die heimische Raketen- und Raumfahrtindustrie nutzte weiterhin "chemische" Triebwerke.
Weltraumschlepper
Im Zuge weiterer Forschungs- und Konstruktionsarbeiten in den USA und in unserem Land kamen sie zu dem Schluss, dass es unzweckmäßig ist, Motoren des Typs NERVA oder RD-0410 zu verwenden. 2003 begann die NASA mit der Erprobung einer grundlegend neuen Architektur für ein Raumschiff mit Kernkraftwerk. Das Projekt wurde Prometheus genannt.
Das neue Konzept sah den Bau eines Raumfahrzeugs mit einem vollwertigen Reaktor an Bord vor, der Strom liefert, sowie einem Ionenstrahltriebwerk. Ein solches Gerät könnte bei Fernforschungsmissionen Anwendung finden. Die Entwicklung von "Prometheus" erwies sich jedoch als unerschwinglich, und die Ergebnisse wurden erst in ferner Zukunft erwartet. 2005 wurde das Projekt aus Perspektivlosigkeit geschlossen.
2009 begann die Entwicklung eines ähnlichen Produkts in Russland. Das "Transport and Power Module" (TEM) oder "Space Tug" soll ein Kernkraftwerk der Megawatt-Klasse gekoppelt mit einem ID-500-Ionentriebwerk erhalten. Es wird vorgeschlagen, das Raumfahrzeug in der Erdumlaufbahn zusammenzubauen und für den Transport verschiedener Lasten, die Beschleunigung anderer Raumfahrzeuge usw.
Das TEM-Projekt ist hochkomplex, was sich auf Kosten und Timing auswirkt. Hinzu kamen zahlreiche organisatorische Probleme. Trotzdem wurden Mitte der Zehntel einzelne Komponenten des TEM zum Testen herausgenommen. Die Arbeit geht weiter und kann in Zukunft zur Entstehung eines echten "Weltraumschleppers" führen. Der Bau eines solchen Apparates ist für die zweite Hälfte der zwanziger Jahre geplant; Inbetriebnahme - im Jahr 2030
Ohne ernsthafte Schwierigkeiten und rechtzeitige Erfüllung aller Pläne kann das TEM als weltweit erstes Produkt seiner Klasse in Betrieb genommen werden. Gleichzeitig besteht ein gewisser Zeitspielraum, wobei das rechtzeitige Erscheinen von Wettbewerbern ausgeschlossen ist.
Perspektiven und Grenzen
Nukleartechnologien sind für die Raketen- und Raumfahrtindustrie von großem Interesse. Zunächst einmal können Kraftwerke verschiedener Klassen sinnvoll sein. RTGs haben bereits Anwendung gefunden und sind in einigen Bereichen fest verankert. Vollwertige Kernreaktoren werden aufgrund ihrer großen Abmessungen und Masse noch nicht eingesetzt, aber es gibt bereits Entwicklungen auf Schiffen mit solcher Ausrüstung.
Die führenden Raumfahrt- und Atommächte haben über mehrere Jahrzehnte eine Reihe origineller Ideen erarbeitet und in der Praxis erprobt, ihre Machbarkeit ermittelt und die Hauptanwendungsgebiete gefunden. Solche Prozesse dauern bis heute an und werden wahrscheinlich bald neue praktische Ergebnisse liefern.
Es sei darauf hingewiesen, dass Nukleartechnologien im Weltraumsektor nicht weit verbreitet sind und sich diese Situation wahrscheinlich nicht ändern wird. Gleichzeitig erweisen sie sich in bestimmten Bereichen und Projekten als nützlich und erfolgversprechend. Und gerade in diesen Nischen wird das vorhandene Potenzial bereits ausgeschöpft.
