Kernfusionsantrieb

Fusion von Deuterium und Helium-3 liefert Energie von mehreren Hundertmillionen Megajoule pro Kilogramm Brennstoff. Je nach Effizienz des Antriebs könnten damit irgendwann Ausströmgeschwindigkeiten um 5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Wenn leichte Antriebe gebaut werden können und das Verhältnis von Startgewicht zu Leergewicht des Raumschiffs günstig ist, könnte damit als Endgeschwindigkeit etwa 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Die Reisezeit zu unserem Nachbarsonnensystem Alpha Centauri (4,4 Lichtjahre) würde dann innerhalb der Spanne eines Menschenlebens liegen.

Schub
Die Ausström-Geschwindigkeiten chemischer Raketenantriebe liegen im Bereich von wenigen km/s. Für Fusionsantriebe werden zurzeit Ausströmgeschwindigkeiten im Bereich von bis zu 1.000 km/s als möglich angesehen bei einem Schub-Gewicht-Verhältnis des Antriebs von etwa 1 zu 1000. (Ein noch wirksamerer Fusionsantrieb wäre mit den heutigen Fusionstechniken auch schwerer.) Mit jedem Gramm Fusionstreibstoff, das pro Sekunde die Antriebsdüse verlässt, würde damit der Schub von 1.000 Newton erzeugt. Zum Vergleich: Um den Schub von etwa 5x7.000.000 Newton zu erzeugen, musste die erste Stufe der Trägerrakete Saturn V, der größten und stärksten bisher von Menschen gebaute Maschine, pro Sekunde etwa 13.400 Kilogramm Treibstoffmasse ausstoßen. Ein Fusionsantrieb könnte den gleichen Schub mit 35 Kilogramm pro Sekunde erzielen.

Die Fusion der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ist am einfachsten zu erzielen und wird gegenwärtig in Forschungsreaktoren untersucht. Ihr Nachteil ist, dass dabei Neutronen erzeugt werden. Sie sind elektrisch neutral, können daher nicht im Magnetfeld eingeschlossen werden und bombardieren die Wände der Plasmakammer, wodurch sie nach und nach beschädigt und radioaktiv werden. Das Tritium muss außerdem aus Lithium durch Neutronenbeschuss erzeugt werden. Denn es ist kurzlebig radioaktiv ist und kommt daher in der Natur kaum vor.

Die Fusion von Deuterium (D) und Helium-3 (He3) hat diese Nachteile weitgehend nicht. Einige Neutronen werden trotzdem durch nebenher stattfindende D-D-Fusionen erzeugt. Deuterium und Helium-3 verschmelzen etwas schwieriger als Deuterium und Tritium; der Wirkungsquerschnitt der D-He3-Fusion ist etwa 1/10 des Wirkungsquerschnitts der D-T-Fusion. Und: Helium-3 kommt in und auf unserem Planeten praktisch nicht vor, aber: beispielsweise auf dem Mond. Dort wird es vom Sonnenwind abgelagert und kann prinzipiell abgebaut werden.

Aufbau
Der mögliche Aufbau des Fusionsantriebes besteht aus einem großen zylinderförmigen Spulensystem, in der das Plasma magnetisch eingeschlossen wird. Da es eine Temperatur im Bereich von 100 Millionen °C besitzt, darf es mit materiellen Wänden nicht in Berührung kommen. Das Plasma kann beispielsweise durch magnetische Kompression oder Mikrowellenstrahlung auf die Zündtemperatur der Kernfusion aufgeheizt werde. An den Enden des Spulensystems sind weitere Spulen angebracht, die als magnetische Spiegel das Plasma in den Innenraum reflektieren. Der eine Spiegel ist jedoch teildurchlässig, so dass ständig ein Teil des Plasmas als Antriebsstrahl entweichen kann.

Ein weiterer Ansatz geht von dem reifenförmigen Tokamak-Reaktor aus, der eine Öffnung für den Antriebsstrahl besitzt. Links wird Deuterium (D) und Helium-3 (He3) in die Brennkammer geleitet und dort zum Beispiel durch Mikrowellen auf die Zündtemperatur der Kernfusion aufgeheizt. Das extrem heiße Plasma wird durch das Magnetfeld des zylinderförmigen Spulensystems eingeschlossen. Einer der magnetischen Spiegel ist teildurchlässig, so dass ein Teil des Plasmas ständig als Antriebsstrahl entweichen kann. Ein Problem sind die schweren Magnetspulen. Daher wird besonders nach Fusionstechniken gesucht, die mit leichten Spulen auskommen.

Ausströmgeschwindigkeit
Überschlagsrechnung: Bei der Fusion von z. B. Deuterium und Helium-3 wird die Energie 18,3 MeV = 2,9x10-12 J frei (1 Joule = 1 Wattsekunde). Sie verleiht den Reaktionsprodukten, 1 Helium-4 + 1 Proton, eine gewisse Geschwindigkeit v. Die Gesamtmasse M der Reaktionsprodukte beträgt etwa 8x10-27 kg. Setzen wir die kinetische Energie ½Mv² gleich der freiwerdenden Energie, folgt v = 27000 km/s. D. h., theoretisch beträgt die Ausströmgeschwindigkeit des Antriebsstrahls etwa 9% der Lichtgeschwindigkeit. Wann das praktisch erreicht wird, bleibt abzuwarten.

Wir rechnen für die Ausströmgeschwindigkeit im Folgenden mit optimistischen 5% Lichtgeschwindigkeit (0,05c) und nehmen an, dass irgendwann der Erfindungsreichtum des Menschen für solch einen Antrieb schwere Magnetspulen überflüssig macht.

Endgeschwindigkeit
Die Endgeschwindigkeit, die das Raumschiff erreichen kann, hängt ab von der Ausströmgeschwindigkeit des Treibstoffs (hier die Reaktionsprodukte) und vom Verhältnis seiner Massen bei Triebwerkszündung und Brennschluss (Massenverhältnis), siehe auch Die Raketengrundgleichung. Prinzipiell sollten daher 10% Lichtgeschwindigkeit (0,1c) mit Fusionsantrieb erreichbar sein.

Weil's Spaß macht: eine interstellare Mission
Treibstoffbedarf

Das Raumschiff mit der Leermasse m=10.000 kg muss den Treibstoff mit der Masse M1 zur Beschleunigung und mit der Masse M2 zur Abbremsung mitführen. Für seine interstellare Reise, beispielsweise zum 4,4 Lichtjahre entfernten Alpha Centauri, soll es im freien Weltraum starten und nicht von der Erdoberfläche. Die Ausströmgeschwindigkeit des Antriebsstrahl setzen wir mit w=5% Lichtgeschwindigkeit (w=0,05c) an (siehe oben).

Das Raumschiff wird mit der Treibstoffmasse M1 von v1=0 auf v2=0,1c beschleunigt. Mit der Treibstoffmasse M2 muss vor der Ankunft noch die Leermasse m (+ verbliebenem Treibstoff) von v2=0,1c auf v1=0 abgebremst werden. Nach der Raketengrundgleichung, Δv=v1-v2=-w ln[(m+M2)/m], ist dafür M2=me2-m=63.891 kg nötig.

Um m+M2 von v1=0 auf v2=0,1c beschleunigen ist wegen Δv=v2-v1=w ln[(m+M1+M2)/(M2+m)] die Treibstoffmasse M1=(M2+m)e2-(M2+m)=472.094 kg nötig.

Die Gesamttreibstoffmasse ist daher M1+M2=535.985 kg.

Zum Vergleich: Treibstoffmasse der Saturn V mit chemischem Antrieb und Start vom Erdboden: 2.530.500 kg.

(Durch Abwerfen des Tanks für die Treibstoffmasse M1 kann der Treibstoffbedarf verringert werden, da entsprechend weniger Masse abgebremst werden muss. Wer allerdings wieder zurück will, sollte den Tank behalten und falls möglich an einem Gasplaneten auftanken.)

Leistungsbedarf
Die Leistung (Energie/Sekunde), die die Triebwerke liefern müssen, hängt davon ab, wie schnell beschleunigt werden soll. Wenn wir innerhalb von 0,5 Jahren von 0 auf 0,1c beschleunigen wollen, müssen wir die Treibstoffmasse M1 innerhalb dieses Zeitraums T durch die Reaktoren jagen und in Schub umsetzen. Der Massendurchsatz ist demnach M1/T=0,03 kg/s. Pro Kilogramm Fusionstreibstoff können etwa 3,4x1014 Ws Energie freigesetzt werden. Die Leistung der Antriebsreaktoren muss daher etwa 1013 W oder 10.000 Gigawatt betragen.

Etwas bescheidener: Wir beschleunigen innerhalb von 10 Jahren auf 0,1c. Dann benötigen wir Antriebsreaktoren mit der Leistung 500 Gigawatt. Zum Vergleich: Für Fusionskraftwerke der Zukunft vom Typ Tokamak oder Stellerator werden als minimale thermische Leistung 30 Gigawatt angesehen (relativ großes Plasmavolumen, um Abstrahlverluste beim Aufheizen klein zu halten). Fusionsantriebe werden sich voraussichtlich einfacher und leichter bauen lassen als Fusionskraftwerke. Denn im Weltraum ist das nötige Vakuum schon vorhanden. Die Reisezeit lässt sich in der Zukunft möglicherweise durch Kälteschlaf überbrücken (siehe Hibernation - Astronauten im Kälteschlaf).

Die Abbremsphase ist deutlich kürzer, da die Masse des Raumschiffs dann schon wesentlich kleiner ist.

Die Überschlagsrechnung zeigt, interstellare Raumfahrt ist selbst mit Fusionsantrieb schwierig, allerdings auch nicht unmöglich. Besser wäre es, wenn man Antimaterie und Materie direkt in Energie umsetzen könnte (siehe Übersichtsartikel Interstellare Raumfahrt). Denn der Energieinhalt des Treibstoffs wäre dann etwa 100 Mal höher als bei der Kernfusion und die Reaktionsprodukte wären im Wesentlichen Strahlung. Die Ausströmgeschwindigkeit w wäre dann die Lichtgeschwindigkeit und der Treibstoffbedarf wesentlich geringer. Die Hauptprobleme: Antimaterie sicher handhaben und die mörderische Strahlung bändigen.

Weitere Links:

University of Wisconsin Fusion Technology Institute

CR-ENEA Frascati

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