Erster Uranreaktor auf dem Mond

Neue Ideen für die Energieversorgung zukünftiger bemannter Mondmissionen setzen auf ihr verbessertes Sicherheitskonzept.

Autor: Lars-C. Depka

Den Menschen, die bisher im Rahmen des Apolloprogramms die Oberfläche des Erdmondes besuchten, boten die aus wenig mehr als Gitterrohr und Alufolie bestehenden Landeeinheiten (LM für Lunar Module, oder auch LEM für Lunar Excursion Module) kaum bis gar keinen Schutz gegen die hochenergetische kosmische Teilchenstrahlung, die vor dem Hintergrund der fehlenden Atmosphäre ungehindert auf unseren lunaren Begleiter trifft. Weitergehender Schutz war wegen der relativ kurzen Aufenthaltszeit auf der Oberfläche auch nicht zwingend erforderlich, schließlich lag die durchschnittliche Verweildauer der Astronauten bei kaum mehr als 20 Stunden.

Etwas anders wird sich die Situation um das Jahr 2020 herum gestalten, wenn es nach den aktuell viel diskutierten Plänen einer bemannten Rückkehr zum Mond gehen soll. Mittelfristige Teile der Planung sehen im Zuge dessen einen ständig – mindestens jedoch über Monate hinweg – besetzten Außenposten in den Südpolargebieten vor, wobei dem Mondnordpol in den Planspielen ebenfalls eine gewisse Beachtung zuteil wird.

Ein vielleicht überraschenden Ansatz, sowohl Mensch als auch Material der zukünftigen Mondstation vor dem schädlichen Einfluss der kosmischen Strahlung und Sonnenflares (magnetischen Energieausbrüchen) zu bewahren, ist der Einsatz einer besonderen Art Decken und nicht starrer Schutzeinrichtungen, die beispielsweise einige Teile der ISS vor Mikroeinschlägen schützen.

Was sich zunächst wenig vertrauenerweckend anhört, ergibt bei näherer Betrachtung durchaus Sinn. Wegen des Auftreffens der hochenergetischen Partikel auf starre schildartige Strukturen entstehen Fontänen gefährlicher Sekundärpartikel, die das Risiko bergen, nicht nur krebsfördernd zu sein, sondern auch das menschliche Erbgut nachhaltig zu schädigen. Darüber hinaus sollen die Decken einen wichtigen Beitrag zur Energiegewinnung und -speicherung leisten.

Als weiteres wesentliches Designmerkmal spielt das Gewicht des zukünftigen Sicherheitskonzepts eine große Rolle. Sicherlich zunächst einmal sekundär beim späteren Einsatz in der reduzierten Schwerkraftumgebung auf dem Mond, primär jedoch bei der Frage, wie die benötigten Materialien dorthin gelangen sollen. Derzeit liegen die Kosten, um ein Kilogramm an Nutzlast nur in einen erdnahen Orbit zu befördern, bei mindestens 24.000 Euro. Externe Einflüsse, wie witterungsbedingte Startverzögerungen nicht mit berücksichtigt. Auf der Oberfläche angelangt, geht es schließlich darum, die Einsatzbereitschaft schnellstmöglich durch eine auf ein zunächst absolutes Minimum beschränkte Bodencrew herzustellen zu können. Einsatzanforderungen, denen textile Eigenschaften eines zukünftigen Sicherungskonzepts in die Karten spielen.

Grundbestandteil bildet demnach derzeit folgerichtig ein extremes Leichtpolymerverbundgewebe mit einer Zwischenschicht, die dem Strahlenschutz dient. Sie absorbiert und reflektiert die gefährlichen Strahlungseinflüsse und reduziert die Strahlenexposition im Bereich der ionisierenden Strahlung nach derzeitigem Entwicklungsstand in den Millisievert Bereich. In die Außenschicht des Gewebes soll eine Lage mit flexiblen Solarzellen eingearbeitet werden, um auf diese Weise gleichzeitig elektrische Energie erzeugen zu können.

Doch das ist nicht die einzige Möglichkeit, die dringend benötigte Energie auf dem Mond zu erzeugen. Das Prinzip des Stirlingmotors ist in Kombination mit kernreaktiven Elementen dabei eine weitere tragende Säule im Energiekonzept der Zukunft.

Der Stirlingmotor, auch Heißgasmotor genannt, ist eine Erfindung des frühen 18. Jahrhunderts und geht auf die schottischen Brüder Robert und James Stirling zurück. In dieser Wärmekraftmaschine wird ein Arbeitsgas (z. B. Helium) in einem geschlossenen Kreislauf von außen in zwei verschiedenen Bereichen erhitzt und abgekühlt. Die Ausdehnung, sowie die Kontraktion des Arbeitsgases ist demnach auch für die mechanische Energieerzeugung verantwortlich. Dieser Motor stellte zu seiner Zeit die effizienteste Möglichkeit der Umwandlung von thermischer zu mechanischer Energie dar.

Während das Prinzip des Stirlingmotors auch für den Mondeinsatz unverändert bleibt, sind hinsichtlich des Arbeitsgases vor dem Hintergrund radikal veränderter Umweltverhältnisse entsprechende Anpassungen erforderlich. Zunächst einmal ist der Austausch des klassischen Arbeitsgases durch ein Arbeitsmedium nötig, welches vermutlich in Form einer Kaliumnatriumtartratmischung den Wärmetransport übernehmen soll.

Die thermische Komponente liefert ein Uranreaktor. An seiner Außenseite befinden sich Kontrollspulen, die jeweils eine absorbierende und reflektierende Schicht aufweisen. Durch Ausrichtung der jeweils gewünschten bzw. notwendigen Seite zum Reaktorkern hin, wird der Fluss der austretenden Neutronen im notwendigen Maße beeinflusst und gesteuert. In der Anlaufphase sind die absorbierenden Spulenseiten vom Reaktorkern abgekehrt, so dass austretende Neutronen in den Kern zurückreflektiert werden. Das erhöhte Neutronenniveau löst eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion aus, deren Abfallprodukt (die Hitze) dem Stirlingkonverter zugeführt wird.

Eine Menge von einem kg Uran als Brennstoff würde nach Modellrechnungen bei einer zunächst benötigten Leistung von kalkulierten 40 kW eine Betriebszeit von 15 Jahren ermöglichen. Ob ein thermonuklearer Stirlingkonverter tatsächlich eine sichere Option im Rahmen des Lunarprojektes 2020 ist, wird sich jedoch erst in den kommenden Jahren entscheiden.

Quelle:
Harold S. Freeman von der North Carolina State University, Lars-C. Depka, Marshall Space Flight Center

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