Hypothetische Ariane 5N

Anlässlich des 40-Jahres-Jubliäums zur Mondlandung gibt’s heute trotz massivem Zeitmangel einen Blogeintrag. Selbstverständlich zum Thema Mondlandung. Es gibt ja zwei bekannte Mondlandeprojekte: Die echten Mondlandungen (Apollo) und Tim und Struppis Abenteuer aus dem Comic von Hergé. Und manchmal noch fast interessanter, das beste Moon-Hoax-Video aller Zeiten… :-) Aber zurück zu Hergé: wie flogen denn Tim & Co. zum Erdtrabanten? Darüber möchte ich im folgenden mal nachdenken.

Der Missionsablauf: Eine einstufige Rakete fliegt mit Sack und Pack (d.h. 5 Astronauten + 1 Astrohund + jede Menge Ausrüstung inkl. Mondfahrzeug + 1 blinder Passagier) zum Mond, landet dort, startet wieder komplett und landet auf der Erde. Die dazu notwendige Geschwindigkeit ist gewaltig und für eine einstufige chemische Rakete absolut jeglicher Realität. Doch Tim & Co. flogen mit nuklearem Antrieb. Dieser besteht aus einem graphit-moderierten Kernreaktor, welcher von (wahrscheinlich) Wasserstoff als Arbeits- und Kühlmedium umströmt wird. Das Gas wird dabei stark erhitzt, was zu einer hohen Druckzunahme führt. Über eine Lavaldüse wird das Gas auf Überschallströmung beschleunigt. Es werden deutlich höhere spezifische Impulse erreicht, als dies mit (herkömmlichen) chemischen Antrieben möglich ist (nicht einmal mit so exotischen Treibstoffen wie Berylliumhydrid mit Ozon und solchen Spässen). Ein NERVA-2, wie es die NASA vor vielen Jahren getestet hat, beschleunigt das Gas auf eine mittlere Ausströmgeschwindigkeit von Ma = 24, was einem spezifischen Impuls von 8090 Ns/kg gleichkommt.

Ist das denn nicht gefährlich? Nun ja, tatsächlich bestehen gewisse Gefahren. Der Reaktor wurde vermutlich mit (Natur-) Uran bestückt, nicht etwa mit MOX-Brennstäben. Da die Radiotoxizität von Uran recht niedrig ist, besteht also keine Gefahr, solange der Reaktor nicht kritisch wurde. (Uran weist eine deutlich niedrigere Radiotoxizität als Plutonium auf, wie es in MOX-Brennstoff eingesetzt wird.) Eine Explosion auf der Startrampe ist also vergleichsweise harmlos. Danach wird’s interessant. Durch Neutroneneinfang und Spaltung entstehen Isotope, die teilweise eine erhebliche Radiotoxizität aufweisen. Die festen Produkte bleiben in den Brennstäben. Solange also die strukturelle Integrität gewährleistet werden kann, bleiben diese im Triebwerk. Spaltgase hingegen werden direkt freigesetzt. Das Arbeitsmedium wird wohl nur schwach aktiviert (Deuterium, Tritium). Zudem ist damit zu rechnen, dass in Ausstossrichtung auch Strahlung aus dem Reaktor austritt. Strahlung ist im Vergleich zu Kontamination aber harmlos. Zudem lebt es sich im Abgasstrahl eines Triebwerks sowieso nicht länger als ein paar Millisekunden ;-) Nun gut, was passiert, wenn die Rakete abstürzt? Dann haben wir ein grösseres Problem. Eventuell kann man den Reaktor aber so bauen, dass die Aussenhülle weitgehen intakt bleibt oder wenigstens die Brennstäbe dicht bleiben. Aber ob das geht??? (Hinweis an Kritiker von Radioisotopenbatterien: Das ist ein ganz anderer Fall, bei der die strukturelle Integrität bei einem Absturz wahrscheinlich tatsächlich gewährleistet werden kann.)

Tim startet die Rakete chemisch und schaltet erst ausserhalb der Troposphäre auf nuklearen Antrieb. Dies verhindert die Kontamination mit kurzlebigen Spaltgasen, da diese, bis sie in die Troposphäre eingedrungen sind, bereits transmutiert haben. Lohnt sich dieser Aufwand? Na ja, das müsste man genauer untersuchen, mein Bauchgefühl sagt aber, dass dies vergebene Liebesmüh ist. Denn die langlebigen Isotope unter den Spaltgasen erreichen die Biosphäre trotzdem, wenn auch gut verteilt. Durch Verstoffwechselung und Nahrungkette ist eine (biologische) Anreicherung denkbar. (Randbemerkung: Die homogene Verteilung radioaktiver Rückstände ist eine mögliche Entsorgungsmethode, die gar nicht so abwegig ist, wie sie im ersten Moment klingt.) Die Wahrscheinlichkeit, dass der Kernreaktor auf die Erde zurückfällt, könnte sich zudem nur dann reduzieren, wenn die Rakete bereits eine minimale Geschwindigkeit erreicht hat (Orbitalgeschwindigkeit). Im Comic sieht das aber anders aus (Zündung in der Stratosphäre).

Wäre es technisch möglich? Mit Sicherheit nicht! Wenn jemand möchte, kann er oder sie einmal den dazu notwendigen spezifischen Impuls dieses hypothetischen Triebwerks berechnen. Daraus kann auf die Reaktortemperatur geschlossen werden. Diese wird jenseits von Gut und Böse liegen. Man beachte auch die gigantische Leermasse der Rakete, z.B. durch die drei (bei heutiger Regeltechnik) völlig unnötigen Finnen. Zudem haben Nukleartriebwerke eine hohe Masse, NERVA-2 beispielsweise 12 t bei 867 kN Schub. Es können also nur weitere 75 t mittransportiert werden, falls die Rakete gegen die Schwerkraft abheben können soll.

Sind denn nukleare Triebwerke gänzlich unrealistisch? Was wäre, wenn die Ariane einen nuklearen Antrieb verpasst bekäme? Diese Fragen stellte ich mir bei der Lektüre der letzten Ausgabe des IEEE Spectrums, welche von Konzepten für zukünftigen Marsmissionen handelt. (Übrigens gibt es da auch einen aufschlussreichen und ermutigenden Artikel von Elon Musk von SpaceX!)

Variante 1: Nukleare Hauptstufe (Étage principal nucléaire EPN)

NERVA-2 hat einen Vakuumschub von 867 kN, also halb soviel wie das Vulcain-Triebwerk. Die EPC würde nur mit Wasserstoff gefüllt, d.h. ohne Sauerstoff. Das Volumen beträgt dann ungefähr der Summe beider bisherigen Tanks, was zu insgesamt etwa 32 t Wasserstoff führt. Das ist natürlich viel zu wenig. Wir flanschen kurzerhand noch zwei weitere EPC an, womit wir 96 t Wasserstoff mitführen können. Das ist noch immer sehr wenig, aber wir müsen auch berücksichtigen, dass NERVA-2 schubschwächer als Vulcain-2 ist. Zu berücksichtigen ist auch die viel höhere Triebwerksmasse von 11.86 t gegenüber 1.9 t, welche sich zur Leermasse der Grundstufe addiert — ganz zu schweigen von der Leermasse der Zusatztanks.

Würde man das NERVA-2-Triebwerk erst nach Ausbrennen der Feststoffbooster starten (da der spezifische Impuls im Vakuum mehr als doppelt so hoch ist), reduzierte (!) sich die Nutzlast von 10 t auf 8 t (ESC-A-Oberstufe). Formale Verhübschungen sind bekanntlich zu vermeiden, deshalb kurz und bündig: “Das isch e Saich!” Dies liegt an der gigantischen Leermasse aus einerseits dem Triebwerk und andererseits den 2 EPC als Zusatztanks. Auch muss angemerkt werden, dass der Schub von NERVA-2 eigentlich zu gering ist, um die 3 EPC plus Oberstufe und Nutzlast gegen die Schwerkraft zu stemmen. Forget it!

Variante 2: Nukleare Oberstufe (Étage supérieur nucléaire ESN)

Nun zum zweiten Versuch. Wir lassen die Grunstufe wie sie ist und setzten nur eine nukleare Oberstufe auf. Auch dafür gibt es ein Triebwerk, nämlich das RD-0410, welches 35.2 kN Schub bei 8927 Ns/kg spezifischem Impuls und 2 t Masse liefert. Es handelt sich um ein Trieberwerk der Sovietunion, getestet auf dem Atomwaffentestgelände Semipalatinsk (Nordost-Kasachstan), wo heute unter anderem auch Brennelemente des kasachischen Schnellen Brüters Schewtschenko-AKW liegen. (Anm: Russland investiert stark in natriumgekühlte Brutreaktoren wie den BN-800.) Wir würden 15 t Treibstoff (Wasserstoff) mitführen, was dem Wert entspricht, der einmal für eine vergrösserte Oberstufe mit verbessertem Aestus-Triebwerk projektiert wurde. Die Leermasse schätze ich auf 6 t (2 t Triebwerk, 4 t Stufe inkl. LH2-Tank). Damit in die Raketengleichung und schon erhalten wir eine Nutzlast von 21 t in den GTO! Sicherlich würde es sich lohnen, Satelliten gleich in den GSO zu befördern.

Ist das sinnvoll? Ich davon aus, dass sich dieses Vorhaben wirtschaftlich nicht rechnet — so ein RD-0410 wird wohl nicht so preisgünstig zu haben sein. Eigentlich ist es ja gar nicht zu haben, da die Entwicklung abgebrochen wurde. Auch ist mit Protesten der Bevölkerung zu rechnen. Bei meiner obigen Rechnung (ariane5n.xlsx) handelt sich also nur um ein Gedankenspiel.

PS: Hat jemand Erfahrungen mit dem Schwalbe Hurricane (26″x2.0″)? Ich hatte einen Plattfuss und da mein 6-jähriger “Schwalbe Big Apple” bereits Risse aufwies (und längst keine Spur mehr von einem Profil hatte), liess ich mir kürzlich im Veloplus den “Hurricane” aufschwatzen. Zusammen mit einem XXLight-Schlauch (95 g). Der Reifen ist verhältnismässig leicht (690 g), hat wenig Profil innen und viel Profil aussen, weist einen Kevlar-Pannenschutz auf und bietet Reflex-Streifen. Die Gummimischung soll identlich mit jener des Big Apple sein — und diese bot jedenfalls viel Grip. Man darf gespannt sein.

PPS: Falls GS-Kollegen auch meinen Blog lesen: Gerade habe ich die Theorieprüfung bestanden (96/100: 1FL+1WK+0GV+1MK+1FP).

 

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