Nieuw raketconcept moet uiteindelijke reistijd naar Mars aanzienlijk reduceren

Een theoretische reis naar Mars vraagt om een lastige afweging: veel stuwkracht om snel te manoeuvreren of een efficiënte aandrijving om maandenlang zuinig te versnellen? Ingenieurs van NASA en General Atomics denken beide eigenschappen in één systeem te kunnen combineren. Het nieuwe ontwerp gebruikt één kernreactor tegelijkertijd voor nucleair-thermische voortstuwing én voor de productie van elektriciteit.

Het concept is de Synchronal Bimodal Nuclear Rocket (S-BNR) gedoopt. Het moet een belangrijk probleem van eerdere bimodale kernraketten oplossen. Die ontwerpen konden eveneens schakelen tussen thermische en elektrische aandrijving, maar hadden daarvoor complexe kleppen en leidingen in de reactor nodig. Juist die onderdelen moeten jarenlang betrouwbaar blijven onder hoge temperaturen en sterke straling.

2.700 kelvin door een straalpijp

De nieuwe aanpak gebruikt daarom twee hydraulisch gescheiden circuits binnen dezelfde reactorkern. Het ene circuit is bedoeld voor nucleair-thermische aandrijving, het andere voor elektriciteitsproductie. Voor de thermische aandrijving wordt vloeibare waterstof door een zeer heet gedeelte van de reactor geleid. De waterstof wordt tot meer dan 2.700 kelvin verhit en vervolgens via een straalpijp uitgestoten. Daarmee ontstaat relatief veel stuwkracht, bijvoorbeeld voor belangrijke koerswijzigingen en manoeuvres rond planeten.

Een nucleair-thermische raket kan bovendien aanzienlijk efficiënter omgaan met zijn stuwstof dan een chemische raket. Moderne chemische raketmotoren halen volgens de onderzoekers een specifieke impuls van ongeveer 450 seconden. Met nucleair-thermische voortstuwing is 900 seconden of meer mogelijk.

Versnellen tijdens reis

Het tweede gedeelte van de reactor werkt bij een lagere temperatuur en is geoptimaliseerd om langdurig elektriciteit op te wekken. Een gesloten circuit voert warmte naar een energieomzettingssysteem, dat vervolgens elektrische raketmotoren en andere systemen aan boord van stroom kan voorzien.

Elektrische voortstuwing levert veel minder stuwkracht, maar gebruikt stuwstof zeer efficiënt. Specifieke impulsen van ongeveer 2.200 tot 4.600 seconden zijn mogelijk. Daardoor kan een ruimteschip gedurende lange perioden geleidelijk blijven versnellen en later weer afremmen. De combinatie moet het beste van beide technieken bieden: krachtige nucleair-thermische aandrijving wanneer snel veel stuwkracht nodig is en elektrische aandrijving voor de lange trajecten daartussen.

Splijtstofelementen

Het opvallendste onderdeel van het S-BNR-ontwerp zit in de reactorkern. Daarin bevinden zich twee verschillende soorten splijtstofelementen. Doordat beide gedeelten een eigen vloeistofcircuit hebben, hoeft de reactor niet via een ingewikkeld systeem van kleppen tussen twee bedrijfsmodi te schakelen. De elektrische generator kan daardoor ook actief blijven terwijl de thermische raketmotor wordt gebruikt.

Na een krachtige manoeuvre krijgt het elektrische circuit nog een tweede functie. Het voert de resterende vervalwarmte uit het hogetemperatuurgedeelte af. Bij eerdere ontwerpen was daarvoor extra waterstof nodig, die vervolgens niet meer voor voortstuwing beschikbaar was.

620 plus 30

Vooral bij bemande missies kan een hogere snelheid belangrijk zijn. Hoe langer astronauten onderweg zijn, hoe langer ze worden blootgesteld aan gewichtloosheid en kosmische en zonnestraling. Bovendien moeten levensondersteunende systemen gedurende de hele reis betrouwbaar blijven functioneren. NASA’s kortste referentiescenario voor een bemande heen- en terugreis naar Mars vraagt volgens de ontwerpers om 620 dagen in de ruimte en een verblijf van dertig dagen op Mars. Met geavanceerde nucleaire aandrijving willen de ingenieurs de totale reistijd uiteindelijk aanzienlijk terugbrengen.

Ook voor onbemande missies verder het zonnestelsel in kan de techniek interessant zijn. Daar neemt de hoeveelheid beschikbaar zonlicht sterk af, waardoor zonnepanelen steeds groter moeten worden. Een kernreactor kan onafhankelijk van de afstand tot de zon zowel de aandrijving als wetenschappelijke instrumenten en andere systemen van elektriciteit voorzien.

Flinke technische uitdagingen

Testen op aarde is ingewikkeld. Bij Amerikaanse nucleaire-raketprogramma’s uit de jaren vijftig en zestig konden uitlaatgassen tijdens tests nog rechtstreeks in de atmosfeer worden geblazen. Tegenwoordig moeten eventuele radioactieve stoffen gelukkig volledig worden opgevangen en verwerkt, wat grootschalige tests wel kostbaar maakt.

De onderzoekers voorzien daarom een stapsgewijze ontwikkeling. Eerst moeten modellen en niet-nucleaire tests de warmtehuishouding, vloeistofcircuits en regeling aantonen. Daarna kunnen materialen en onderdelen onder straling en hoge temperaturen worden getest, gevolgd door geïntegreerde reactortests. Pas daarna zou een demonstratie in de ruimte volgen.