Woher nehmen wir also die hohe Leistung?
In der Nähe der Sonne müsste man überlegen, wie groß man Solarzellen bauen kann, wieviel sie wiegen und wieviel Leistung sie bringen, um die Triebwerke zu betreiben. Beim Versuch den nächsten Stern zu erreichen, haben wir diesen Luxus aber nicht. Schon nach kurzer Zeit ist die Sonne weit weg. Draußen zwischen den Sternen muss man eine eigene Energiequelle haben und Kernkraft ist die einzige, die dafür in Frage kommt.
Wie schnell geht es?
Um 1kg Treibstoff auf 200km/s zu beschleunigen braucht man 20 Gigajoule Energie. Das Triebwerk arbeitet aber nur mit einer Effizienz von 70%, also braucht man 30 Gigajoule Elektrizität. Wenn man die mit einem Kernreaktor erzeugt, kann man die Wärme des Reaktors mit einer Effizienz von 5-25% in Strom umwandeln. (5% ist der klassische Wert für Thermoelemente die den Seebeckeffekt nutzen, 25% erreichen Stirling Motoren, die aber noch nicht erprobt sind und wegen der beweglichen Teile eine kürzere Lebensdauer haben.)
Pro Kilogramm Treibstoff braucht man also 120-600 Gigajoule Wärme aus dem Reaktor. Die Energiedichte von spaltbarem Material wie Uran oder Plutonium liegt bei etwa 80 Gigajoule pro Gramm. Der Betrieb dieses Triebwerks ist also noch machbar. Ein Flug zu Alpha Centauri würde etwa 4000 Jahre dauern – so lang wie es die Pyramiden in Ägypten gibt.
Was geht noch?
Ein Triebwerk mit der zehnfachen Ausströmgeschwindigkeit (2000km/s) hätte den hundertfachen Energiebedarf. Noch wurde keines gebaut, weil niemand ein derartiges Triebwerk braucht. Warum braucht es niemand? Typischerweise müssen Raumsonden ihre Geschwindigkeit für eine Mission um vielleicht 20km/s ändern. Mit Ausströmgeschwindigkeiten von 2000km/s müsste der Treibstoff dafür nur 1% der Masse der Raumsonde ausmachen.
Genauso gut könnte man ein Triebwerk mit einer Ausströmgeschwindigkeit von 200km/s nehmen. Das würde zehn mal so viel Treibstoff verbrauchen, bringt bei der gleichen Energieversorgung aber den zehnfachen Schub. So lange der Treibstoffverbrauch nicht ausufert, geht dort der Kompromiss immer in Richtung des höheren Treibstoffverbrauchs und der niedrigeren Ausströmgeschwindigkeit.
Aber wir wollen wissen, wie schnell es überhaupt geht und eine völlig überzüchtete Raumsonde bauen, die auf Kompromisse keinen Wert legt. Also nehmen wir die zehnfache Ausströmgeschwindigkeit nur zu gerne!
Die Quittung kommt sofort. Zuvor verbrauchten wir noch 1,5 Gramm Uran pro Kilogramm Treibstoff als Energiequelle. Das neue Triebwerk braucht 100 mal so viel Energie und braucht damit 150 Gramm Uran zur Energieversorgung um 1kg Treibstoff mit 2000km/s hinten raus zu blasen. Wenn wir die Effizienz unseres Triebwerks und vor allem der Energieumwandlung verbessern, schaffen wir auf diese Weise auch 3000km/s.
In dieser Gegend nähern wir us dem Ende der Möglichkeiten. Die Lichtgeschwindigkeit liegt bei 300.000km/s. Unsere Ausströmgeschwindigkeit liegt bei 3000km/s. Immerhin, für 1% der Lichtgeschwindigkeit reicht es. Je nach dem wieviel Triebwerk und Energieversorgung an Leermasse verbrauchen reicht es auch für 2%. Allerdings würde es sich dann anbieten, den Treibstoff während der zweiten Hälfte des Fluges zum abbremsen zu verwenden.
Könnten wir auf magische Weise wirklich alles aus der Kernspaltung heraus holen, die Spaltprodukte auf einen geraden Weg aus dem Triebwerk hinaus zwingen und so als Treibstoff nutzen, kämen wir auf einen maximalen theoretischen Wert von knapp 12649 km/s oder 4% der Lichtgeschwindigkeit. (Die relativistischen Effekte sind noch klein genug um sie hier zu vernachlässigen.)
Kernfusion setzt noch etwas mehr Energie frei als Kernspaltung. Die Fusion von 3 Deuterium Atomen (H-2) zu Helium-4, einem Proton und einem Neutron setzt etwa 21 MeV Energie frei. Das sind pro Gramm etwa 4 mal so viel wie bei der Kernspaltung – man könnte also die doppelte Geschwindigkeit erreichen. (Aber nur, wenn man es schafft, die Neutronen mit ihrer gesamten Energie gezielt in eine Richtung zu bewegen. Was eher unmöglich ist.)
Die rechnerischen 8% der Lichtgeschwindigkeit, die hier als Ergebnis stünden, sind schon reine Illusion. Mehr geht nicht.
Kommentare (21)