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Pfannenstil
Aktion für vernünftige Energiepolitik Schweiz (AVES)
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BULLETIN
Nr. 52 November 2005 |
Atomantriebe: Utopien und Realitäten
Während
Atomenergie heute bei vielen Menschen masslos übertriebene Ängste bewirkt, wurden
in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts ebenso übertriebene
Erwartungen in die Atomenergie gesetzt. Es war eine weitverbreitete Meinung,
dass in unmittelbarer Zukunft nicht nur Schiffe, sondern auch Lokomotiven,
Flugzeuge, Raketen und sogar Autos mit „Atomantrieb“ versehen werden könnten.
Zukunftsprognosen haben oft die unangenehme
Eigenschaft, dass sie sich als falsch erweisen. Viele technische Fortschritte
entwickeln sich genau so wie vorausgesagt, aber manche kommen erst viel später
und wieder andere bleiben vielleicht für immer Phantasie. Andererseits gibt es
in der Wissenschaft und in der Technik immer wieder überraschende Entwicklungen,
die von niemandem vorausgesehen wurden.
Atomkraftwerke
Kraftwerke, die mit Hilfe von „Atomenergie“
elektrischen Strom produzieren, wurden erstaunlich schnell Realität. Am 2.
Dezember 1942 wurde im „Chicago-Pile 1“ zum erstenmal „Atomenergie“ freigesetzt
(s. Bulletin Nr. 46). Nur 10 Jahre später lieferte bereits das erste richtige
Kernkraftwerk in Obninsk bei Moskau 5 Megawatt elektrische Leistung. 1956 ging
in Grossbritannien das Kraftwerk „Calder Hall“ als erstes kommerzielles Kernkraftwerk in Betrieb. Es
lieferte 50 Megawatt elektrische Leistung. Ein Jahr später wurde in den USA das
Kernkraftwerk „Shippingport“ in Betrieb gesetzt, das 60 MW elektrische Leistung
lieferte. Das erste Kernkraftwerk in
Deutschland nahm 1961 in Kahl am Main mit 15 MW elektrischer Leistung den
Betrieb auf. In der Schweiz wurde 1969 das erste Kernkraftwerk, Beznau I (350
MW elektrische Leistung), in Betrieb genommen. 1971 folgten Beznau II (350 MW),
1972 Mühleberg (320 MW), 1979 Gösgen (920 MW) und 1984 Leibstadt (990 MW)[1].
Weltweit sind heute über 440 Kernkraftwerke in Betrieb.
Atomautos
1955, also vor genau 50
Jahren, erschien in der November-Ausgabe der Zeitschrift „hobby“ [2]
ein Artikel von Ernst Behrendt mit dem Titel „So leben wir 1975“. Darin wurden
unter anderem die Verkehrsmittel der Zukunft beschrieben:
Darüber,
wie die Verkehrsmittel der Zukunft angetrieben werden, scheinen sich die Konstrukteure
der Gegenwart einig zu sein. Der Benzin-Kolben-Motor, ist soweit man erkennen
kann, fast verschwunden. Sicher gibt es noch irgendwo in einer verschlafenen
Provinz ein paar Dieselmotoren, aber in der grossen Welt hat sich der
Turbinenantrieb längst durchgesetzt. Da die Atomkraft bereits seit geraumer
Zeit zur Elektrizitätserzeugung gebändigt ist, wird man sie wohl auch zum
Antrieb von Autos benutzen können.
[...]
Zumindest
über die äussere Form des Atomautos werden uns genaue Einzelheiten mitgeteilt.
Bei einem besonders schnittigen Modell 1975 handelt es sich um einen eleganten
Zweisitzer mit Heck-Atomantrieb; die Sitze befinden sich dicht hinter den
Vorderrädern, und eine Kühlerhaube gibt es nicht mehr, so dass der Fahrer
nahezu unbeschränkte Sicht hat.
Abbildung 1: Zukunftsvision
eines Atomautos für das Jahr 1975
(„hobby“, November 1955)
[...]
Das
Wesentliche bei einem Atomauto ist jedoch nicht das Aussehen. Das Wesentliche
ist der Antrieb. Alle Probleme, die einer Verwendung von Atomkraft für kleinere
Fahrzeuge heute noch im Wege stehen,
hofft man bis 1975 zu überwinden. Erstens wird es möglich sein, eine kleine,
kompakte Atomanlage zu bauen, die nicht, wie man annehmen möchte, im Wagen, sondern
unter dem Wagen installiert werden kann. Zweitens wird es hoffentlich möglich
sein, die Atomanlage so abzuschirmen, dass Menschen nicht gefährdet werden, dabei
aber den Schutzmantel verhältnismässig leicht zu gestalten. Die Umwandlung von
Kernenergie in elektrische Energie findet möglicherweise direkt statt, und
nicht über den energiewirtschaftlich kostspieligen und umständlichen Umweg
Wärme – Wasser – Dampfturbinen – Strom. Vielmehr wird die aus Kernenergie
erzeugte elektrische Energie direkt dazu benützt, die verschiedenen, an den
einzelnen Achsen angebrachten elektrischen Motoren zu treiben.
Heute, sogar 50 statt nur 20 Jahre nach diesen Prognosen, gibt es noch
immer keine „Atomautos“, und die Möglichkeit eines Atomantriebs für
Strassenfahrzeuge wird – auch für die ferne Zukunft – nicht einmal mehr in
Betracht gezogen.
Die
„Probleme, die einer Verwendung von Atomkraft für kleinere Fahrzeuge heute noch
im Wege stehen“ sind eben nicht einfach nur technische Probleme, sondern
beruhen auf physikalischen Gesetzmässigkeiten. Nach heutigem Wissen sind sowohl
Fissions[3]-
als auch Fusions[4]-Reaktoren
nicht unter bestimmten Mindestgrössen funktionsfähig. Diese Grössen liegen aber
weit über dem, was sich in einem Strassenfahrzeug normaler Dimensionen
realisieren lässt. Auch für die Abschirmung der Strahlung eines Kernreaktors
gelten physikalische Gesetze, die von keinem neuen, noch unbekannten Material
umgangen werden könnten. Es wird kein „Plastik“ geben, das eine gleiche
Abschirmwirkung hat, wie eine zehn- oder gar hundertmal dickere und schwerere
Blei- oder Betonabschirmung.
Der
Einsatz von „Atommotoren“ wurde sehr viel realistischer beurteilt in dem 1956
erstmals erschienen Buch „Gigant Atom“ [5]:
Das
Prinzip des Atommotors ist vorläufig das gleiche wie das der Kraftwerke: Die
durch Kernspaltung erzeugte Wärme wird auf dem Umweg über Turbinen in
Antriebsenergie umgewandelt.
So
leicht auch das Prinzip erklärt ist, seine praktische Nutzbarmachung stösst auf
sehr viele Schwierigkeiten. Eines der Probleme besteht darin, dass man vorerst
solche Motoren nicht so klein bauen kann, wie es für manche Aufgabe
wünschenswert wäre. Jeder Kernreaktor muss eine bestimmte Mindestgrösse haben,
wenn eine sich selbst unterhaltende Kettenreaktion mit genügender
Wärmeentwicklung zustande kommen soll. Die Grösse der Atommotoren erfordert
daher Verkehrsmittel von enormem Umfang. Folglich lässt sich nach den bisherigen
Erfahrungen und nach dem augenblicklichen Stand der Technik der Atommotor für
kleine Verkehrsmittel (zum Beispiel Autos, Eisenbahnen normalen Formats, kleine
Schiffe usw.) nicht verwenden. Aber es darf dabei nicht vergessen werden, dass
wir hier erst am Anfang einer Entwicklung stehen, die uns täglich neue
Überraschungen und Lösungen bringen kann.
Es
gibt aber noch einen anderen Grund, der bisher nur Atommotoren grosser
Dimensionen gestattet. Genauso wie bei den Reaktoren in den Laboratorien und Kraftwerken,
braucht man natürlich auch für die Reaktoren der Atommotoren einen entsprechend
umfangreichen und schweren Strahlungsschutz. Man rechnet zur Zeit mit einem
Gewicht der Abschirmung von 100 Tonnen
je Kubikmeter Reaktorinhalt.
Selbst wenn diese Probleme lösbar wären, ist aber aus heutiger Sicht ein
Strassenfahrzeug mit einem Kernreaktor völlig undenkbar. Durch keinerlei
technische Sicherheitseinrichtungen liesse sich die Furcht überwinden, dass es
bei einem Verkehrsunfall zu einer katastrophalen Freisetzung von Radioaktivität
kommen könnte.
Falls
nicht doch eines Tages eine ganz neue Methode entdeckt wird, mit welcher
Kernenergie – zum Beispiel durch Fusion – in einem kleinen kompakten Gerät
genutzt werden kann, ohne dabei starke Strahlung und radioaktive Abfälle zu
produzieren, wird das Atomauto wohl für immer eine Utopie bleiben.
Atomlokomotiven
Im
oben zitierten Abschnitt aus dem Buch „Gigant Atom“ wird erklärt, dass sich
„Atommotoren“ wegen ihrer Grösse nicht für kleine Verkehrsmittel verwenden
lassen. Als Beispiel werden unter anderen Eisenbahnen normalen Formats genannt.
Der Atomantrieb wird dagegen für neue Grossraumbahnen in Betracht
gezogen:
Zu
Lande wird das Schwergewicht in nächster Zukunft bei der Weiterentwicklung der
Eisenbahn liegen. Sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus technischen Gründen
kann es sich kaum darum handeln, für die bereits bestehenden Linien und
vorhandenen Dimensionen des rollenden Materials den Atomantrieb einzuführen,
sondern darum, neue, grössere Bahnen zu entwickeln, die auf eigenen Linien
verkehren.
[...]
Der
Grossraumverkehr mit Atomlokomotiven wird sich daher auf transkontinentalen
Fernlinien abspielen, für die in den bereits vorliegenden Projekten eine
Spurweite von 4,5 Metern als wahrscheinlich am günstigsten errechnet wurde –
also rund das Dreifache unserer Normalspur.
1957 erschien in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift „hobby“ ein Artikel
von Gerhard Walter unter dem Titel „Superzüge rasen durch die Taiga“, in dem
ein solches Projekt beschrieben wurde.
Abbildung 2: Superzug mit
Atomlokomotive, Spurweite 4.5 m
(„hobby“, Juni 1957)
Diese Superzüge sollten mit einer (für damalige Verhältnisse
sensationellen) Geschwindigkeit von 200 km/h fahren und Güterwagen mit einer
Nutzlast von 1600 Tonnen befördern. Die Personenwagen sollten Einrichtungen
haben,
„...wie
sie heute nur auf Schiffen möglich ist: also zahlreiche in einem mehrstöckigen
Aufbau untergebrachte Einzelabteile, geräumige Aufenthaltsräume, Kinos, Bäder
usw.“
Vermutlich hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen ist es bis heute
nie zum Bau einer derartigen Bahn gekommen.
In
den westlichen Ländern ist heute eine Atomlokomotive aus den gleichen Gründen
undenkbar, aus denen Atomautos inakzeptabel erscheinen. Jedoch bereits im
Juliheft 1954 stellte „hobby“ ein amerikanisches Projekt einer Atomlokomotive
für Normalspur vor. Die X-12 mit einem Gewicht von 360 Tonnen und einer Länge
von 49 Meter sollte eine Leistung von 7000 PS (5.15 MW) erbringen. Die
Probleme der Abschirmung und der Sicherheit wurden folgendermassen erläutert:
Wie
aber lässt sich die starke Radioaktivität des Aggregats dieser Zugmaschine so
gut abschirmen, dass das Zugspersonal und die Passagiere – und auch die
Reisenden, die auf den Bahnsteigen warten – nicht gefährdet werden?
Daran
scheiterten bisher alle Projekte, die sich mit der Konstruktion von
Atomlokomotiven befasst hatten. Schon im Jahr 1950 veröffentlichte eine
Arbeitsgemeinschaft der Universität Princeton einen Studienbericht, in dem es
hiess, die Abschirmung dieser tödlichen Strahlen würde mindestens 100 t an
Material erfordern, was nach ihrer Ansicht bei den räumlichen Begrenzungen
einer Lokomotive praktisch undurchführbar war.
Und
nun ist es beim Entwurf der X-12 gelungen, 200 Tonnen Abschirmmaterial, also genau
das Doppelte, in den engen Bauch der Lok zu zaubern! Das ist nur möglich, weil
man recht ausgefallene Ausrüstungselemente wie z.B. den sogenannten
‚Dachshund’-Generator mit 2,5 m langen Rotoren vorsieht, die sich in
Kammern von nur 60 cm Breite unterbringen lassen.
Dadurch
kann der Reaktor in einem massiven Abschirmblock ruhen, der 1,20 m stark ist
und im ganzen 3 x 4,5 x 4,5 m misst. Er wird aus verschiedenen Metallschichten
bestehen, die die Gammastrahlen in Schach halten, sowie aus einem
neutronenhemmenden wasserstoffhaltigen Material – Wasser, Paraffin oder
Kunststoff.
Und
welche Sicherheitsvorkehrungen lassen sich treffen, damit bei einem Zugsunglück
nicht die radioaktiven Materialien ausfliessen oder blossgelegt werden?
Zunächst werden die übereinanderliegenden Materialschichten der starken
Abschirmvorrichtung dafür sorgen, dass bei einem Zusammenstoss die Trümmer der
Lokomotive nicht von der radioaktiven Flüssigkeit bespritzt werden; sollten
selbst einige Schichten der Abschirmung Schaden erleiden, so würden bestimmt andere
intakt bleiben. Sodann würde ein Aufprall den Reaktor automatisch abschalten.
Die Steuerstäbe sind in einem Winkel von 60° montiert, und jede Befestigungsstelle
ist mit einem Abscherbolzen oder einem schwachen Glied ausgestattet. Bei einem
Aufprall, der über ein Fünftel der normalen Schwerkraft hinausgeht, brechen die
Bolzen, und die Schwerkraft besorgt den Rest. Aus der zurückgezogenen Lage
fallen die Steuerstäbe in das Zentrum des Reaktors zurück und stoppen die
Kettenreaktion.
Atomflugzeuge
Ebenfalls
vor 50 Jahren erschien in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift „hobby“ ein Artikel
von Kenneth W. Gatland mit dem Titel „Atom-Flugzeug keine Utopie mehr“. In
diesem Artikel wurden die technischen Schwierigkeiten, die bei der
Verwirklichung eines mit Atomenergie angetriebenen Flugzeuges zu überwinden
wären, durchaus realistisch beschrieben.
Abbildung 3:
Titelbild von „hobby“, Juni 1955
Gewaltige Schwierigkeiten sind noch zu überwinden –
das steht ausser Zweifel. Doch die Grundlagenforschung ist heute so weit
fortgeschritten, dass mit den Planungsarbeiten für ein atomgetriebenes Flugzeug
begonnen werden kann.
[...]
Angesichts der Tatsache, dass das Projekt von
militärischen Stellen gefördert wird, die Langstreckenflugzeuge mit hoher
Geschwindigkeit benötigen, werden die Motoren wahrscheinlich als
Turbo-Luftstrahltriebwerke ausgebildet. Es erscheint jedoch nicht ausgeschlossen,
dass die ersten Atomflugzeuge oder wenigstens die ersten Versuchsmodelle mit
Propeller-Turbo-Luftstrahltriebwerken ausgerüstet werden, die leichter zu
konstruieren und möglicherweise von Dampfturbinen angetrieben sind, die
ihrerseits durch Brennerwärme gespeist werden.
Gewiss ist jedenfalls, dass das Atomflugzeug sehr
schwer sein wird, vielleicht schwerer als die vollbeladene ‚Brabazon’, also
etwa 135 Tonnen.
Bereits 1946 wurde in den USA von der US Air Force das
NEPA-Projekt[6] gestartet,
das ab 1951 zusammen mit der AEC[7]
als ANP-Programm[8]
weitergeführt wurde.
Es wurden zwei Entwicklungslinien verfolgt. General
Electric arbeitete ab 1951 am Konzept eines direkten, offenen Systems. Dabei
wurde die Luft nach dem Kompressor des Strahltriebwerks direkt durch den
Reaktorkern geleitet, dort erhitzt und dann wieder vor der Turbine ins
Strahltriebwerk zurückgeführt. Ab 1953 arbeitete Pratt & Whitney an einem
indirekten, geschlossenen System. Dabei wurde die vom Reaktor produzierte Wärme
durch einen separaten Flüssigmetall-Kreislauf abgeführt und über einen Wärmeaustauscher
an die Luft des Strahltriebwerks abgegeben.
Beide Systeme hatten ihre Vor- und Nachteile. Der mit
geschmolzenem Metall gekühlte Reaktor konnte dank des besseren Wärmeübergangs
wesentlich kompakter gebaut werden, als der luftgekühlte Reaktor. Damit wurden
auch die benötigten Abschirmungen kleiner und dementsprechend leichter. Diese
Gewichtseinsparung wurde aber weitgehend durch das Gewicht des komplexen und
schweren Flüssigmetall-Kreislaufs aufgehoben. Das offene System hatte den
Nachteil, dass bedeutend mehr Radioaktivität in die Atmosphäre abgegeben wurde,
weil die Luft der Triebwerke direkt durch den Reaktorkern strömte. Weil das
offene System einfacher zu entwickeln war und zudem einen zeitlichen Vorsprung
hatte, führte es schliesslich zu erfolgreichen Standversuchen, während das
indirekte System nie so weit gelangte.
Für die Standversuche wurde das
General-Electric-Strahltriebwerk J47 modifiziert und mit X-39 bezeichnet. Auf
einem Testgelände in Idaho wurden ab 1955 die „Heat Transfer Reactor Experiments“
(HTRE) Nr. 1 bis 3 durchgeführt, wobei verschiedene Reaktorkerne getestet wurden.
Dabei wurden vom Reaktor jeweils zwei X-39-Triebwerke mit Wärme versorgt. Bei
HTRE‑3 wurde genügend Schub produziert, um theoretisch einen Flug mit 740
km/h über 48'000 km zu ermöglichen.
1959 erschien im März-Heft der Zeitschrift „hobby“ ein
Artikel mit dem Titel „Atomrakete – Schlüssel zum Weltraum“. Eines der darin
enthaltenen Bilder zeigt jedoch nicht, wie die Bildlegende behauptet, eine
„Atomrakete“, sondern offensichtlich zwei Turbinenstrahltriebwerke, die durch
einen Reaktor betrieben werden (Abbildung 4). Die Abbildung zeigt zweifellos
eines der HTRE. Im dritten und vierten Satz der Bildlegende wird – wieder
durchaus richtig – festgestellt: „Die angesaugte Luft wird statt in einer
Verbrennungskammer im Reaktor erhitzt. Die Abgase werden über eine Turbine
geleitet.“
Die X-39 waren in Wirklichkeit Hybrid-Triebwerke. Die
Brennkammern waren nicht entfernt worden, so dass das Triebwerk auch wie ein
normales Strahltriebwerk laufen konnte. Das Triebwerk wurde auf diese Weise
gestartet, und während der Reaktor auf die richtige Betriebstemperatur
hochfuhr, wurde die Brennstoffzufuhr allmählich gedrosselt und schliesslich
ganz abgeschaltet.
Diese beiden Betriebsarten wären auch beim geplanten
Flugzeug zum Einsatz gekommen. Für Start und Landung wären die Triebwerke mit
normalem Brennstoff betrieben worden und erst in grosser Höhe wäre für den
„Reiseflug“ auf den Reaktorbetrieb umgeschaltet worden. Auch im Zielanflug oder
wenn der Bomber angegriffen worden wäre, hätte das Umschalten der Triebwerke
auf chemischen Brennstoff eine höhere Geschwindigkeit und eine erhöhte Manövrierbarkeit
erlaubt, da die Triebwerke im Reaktorbetrieb relativ träge auf geforderte
Leistungsänderungen reagiert hätten.
Abbildung 4:
Keine „Atomrakete“, sondern zwei Strahltriebwerke J47,
die von einem Reaktor betrieben werden
Wegen des grossen Gewichts des Atomreaktors und der
erforderlichen Abschirmungen musste das Atomflugzeug zwangsläufig sehr gross
sein. Es war daher beabsichtigt, zwei B-36H für den Betrieb mit dem Reaktor umzubauen.
Diese modifizierten Flugzeuge hätten die Bezeichnung X-6 erhalten. Eine dritte
B-36H mit der neuen Bezeichnung NB-36H wurde zu einem fliegenden Testlabor
umgebaut. Die NB-36H führte einen Reaktor an Bord mit, der jedoch nicht für den
Antrieb diente, sondern zum Testen von Abschirmungen und zur Untersuchung der
Strahlenwirkung auf verschiedene empfindliche Materialien (Gummi der Reifen,
Isolationsmaterialien, Elektronikbauteile) verwendet wurde.
Die Convair B-36H war damals der grösste Bomber der Welt.
Sie hatte eine Flügelspannweite von 70.1 m, eine Länge von 49.4 m und eine
Abflugmasse von 186 Tonnen. Sie wurde von sechs 28-Zylinder-Kolbenmotoren
(Pratt & Whitney R-4360-53 Wasp Major mit je 2795 kW) mit Druckpropellern
und vier Strahltriebwerken (General Electric J47‑GE‑19 mit je 23.2
kN Schub) angetrieben. In 11'000 m Höhe war ihre Höchstgeschwindigkeit
660 km/h, ihre Reichweite betrug 10'940 km und die Kampfmittelzuladung war
über 32 Tonnen. Sie hatte 15 Mann Besatzung. Ihre Tragflächen waren so dick,
dass die sechs Propellertriebwerke während des Fluges zugänglich waren und
gewartet werden konnten.
Für die Testflüge der NB-36H wurde der Reaktor im
hinteren Bombenschacht eingebaut. Der Reaktor hatte eine Leistung von 1000 kW
und eine Masse von 15.9 Tonnen.
Um Gewicht zu sparen, wurde die Abschirmung
aufgeteilt. Der Reaktor erhielt eine minimale Abschirmung, und die
Pilotenkanzel wurde rundherum mit 12 Tonnen Blei und Gummi abgeschirmt.
Zusätzlich wurde zwischen Pilotenkanzel und Reaktor eine 4 Tonnen schwere Bleiplatte
eingebaut.
Abbildung 5:
Convair B-36H
(Foto: US Air Force)
Mit der NB-36H wurden zwischen 1955 und 1957 insgesamt
47 Testflüge durchgeführt. Alle Flüge fanden über dünnbesiedeltem Gebiet statt
und wurden jeweils von einem Transportflugzeug C-97 begleitet, das einen Zug
bewaffneter Marinesoldaten an Bord hatte. Im Falle eines Absturzes der NB-36H
wären diese Soldaten mit dem Fallschirm abgesprungen, um die Unfallstelle abzuriegeln.
Obschon das Projekt beachtliche Fortschritte machte,
wurde es nie vollendet. Die X‑6 wurde nicht gebaut, und 1961 wurde das
ganze Programm beendet. Der Misserfolg des Projekts ist auf mehrere Umstände
zurückzuführen. Das Projekt litt von Anfang an unter einer mangelhaften
Organisations- und Führungsstruktur, unter Kompetenzstreitigkeiten (z.B.
zwischen USAF und AEC) und politischen Entscheidungen, die immer wieder andere
Prioritäten setzten[9]. Ferner
bewirkten die Fortschritte in der Entwicklung der ballistischen Interkontinentalraketen
und die aussergewöhnlich guten Leistungen des neuen Bombers Boeing B-52
Stratofortress, dass der Bau eines Atomflugzeuges mit seinen hohen Kosten und
Risiken immer weniger attraktiv erschien.
Atomraketen
Nuklearthermische Raketen
Der Schub eines Raketentriebwerks ist umso grösser,
je mehr Masse pro Zeiteinheit ausgestossen wird und je grösser die
Geschwindigkeit der ausgestossenen Masse ist. Bei den meisten Raketen ist die
ausgestossene Masse gasförmig. Das Gas wird durch eine Verbrennung in einer
Brennkammer auf hohe Temperatur und hohen Druck gebracht. Das heisse Gas
verlässt die Brennkammer durch eine Düse und wird dabei auf eine hohe
Geschwindigkeit beschleunigt. Die erreichte Geschwindigkeit ist umso grösser,
je höher die Temperatur und je kleiner die Molekülmasse des Gases ist.
Statt dass das Gas wie bei den üblichen
Raketen durch eine Verbrennung erhitzt wird, kann es natürlich auch durch eine
andere Energiequelle, z.B. durch einen Kernreaktor, aufgeheizt werden.
Bereits 1953 wurde am Los Alamos Scientific
Laboratory (LASL)[10]
mit theoretischen Studien über Raketen mit nuklearen Energiequellen begonnen,
wobei verschiedene Entwürfe untersucht wurden. Bei der einfachsten
Konstruktion, genannt „solid core“, wird der Kern eines normalen Kernreaktors
vom Arbeitsmedium durchflossen, das dadurch auf eine hohe Temperatur aufgeheizt
wird. Das Medium wird sodann durch Expansion in einer Düse auf eine möglichst
hohe Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt. Da die höchsten
Strahlgeschwindigkeiten bei Gasen mit kleinster Molekülmasse erreicht werden,
ist Wasserstoff das bestgeeignete Arbeitsmedium.
Dieses besonders einfache „solid
core“-Prinzip hat den Nachteil, dass die Temperatur des Gasstrahls durch die
Schmelztemperaturen der Reaktormaterialien begrenzt ist. Mit verschiedenen
Modifikationen könnten höhere Temperaturen erreicht werden. Beim anspruchsvollsten
Konzept ist der Reaktorbrennstoff selber ebenfalls gasförmig. Dabei können zwar
sehr hohe Temperaturen erreicht werden, aber der Weg zur Verwirklichung dieses
Prinzips ist besonders steil und weit.
1956 starteten die AEC und die US Air Force
am LASL die Entwicklung einer Nuklear-Rakete unter dem Codenamen „Projekt
Rover“ mit der praktischen Erprobung des „solid core“-Konzepts.
Die Versuche wurden in „Area 25“ im Südwesten
des Atomwaffentestgeländes in Nevada durchgeführt. Das
Nuklear-Raketen-Testgelände erhielt die Bezeichnung „Nuclear Rocket Development
Station“ (NRDS). Das NRDS bestand aus drei Prüfständen A, C und ETS-1 („Engine
Test Stand-1“) und zwei Werkgebäuden, R-MAD und E-MAD („Reactor-“, bzw. „Engine-“ „Maintenance, Assembly and Disassembly“). Diese Anlagen lagen
mehrere Meilen voneinander entfernt und waren durch eine Strasse und ein
Eisenbahngeleise[11] miteinander
verbunden.
Bei einer flugfähigen Rakete müssen alle
Hilfsaggregate, insbesondere die Treibstoffpumpen, aus bordeigenen
Energiequellen versorgt werden. Bei den ersten Versuchen des Rover-Projekts
wurde diese Komplikation vermieden, indem bewusst darauf verzichtet wurde, ein
prinzipiell flugfähiges Triebwerk zu bauen. Es ging zunächst nur darum,
verschiedene Reaktorkonstruktionen mit einem Wasserstoffstrahl zu testen. Da
bei diesen ersten Versuchen die Triebwerke also zum vornherein nicht flugfähig
waren, wurden sie nach einem flugunfähigen neuseeländischen Laufvogel mit
„Kiwi“ bezeichnet. Der Einfachheit halber wurden die Triebwerke so montiert,
dass der Gasstrahl nach oben statt nach unten gerichtet war.
Abbildung 6: Test eines „Kiwi“-Reaktors
(Foto: Los Alamos National Laboratory)
Bei den Versuchen der Serie „Kiwi A“ zwischen
1958 und 1960 wurde eine Leistung von 100 MW und ein Schub von 22 kN [12]
erreicht. Der Reaktorkern bestand aus Uranoxid-Platten. Um höhere
Betriebstemperaturen zu ermöglichen, wurden zwischen 1961 und 1964 für die
Reaktoren der Versuche „Kiwi B“ kleine in Graphit eingebettete Uranoxidkugeln
verwendet, die mit Niobcarbid beschichtet waren. Dabei wurde eine Leistung von
1000 MW und ein Schub von 220 kN erreicht. Bei den letzten Versuchen der
„Kiwi“-Serie wurde als Reaktorbrennstoff Urancarbid verwendet.
Mit einer kleineren Version von „Kiwi“,
„Peewee“, wurden mit Zirkoncarbid beschichtete Brennstoffpillen getestet. Damit
wurde eine Gastemperatur von 2550 K und eine Strahlgeschwindigkeit von 8200 m/s
erreicht.
Zwischen 1965 und 1968 wurden die Reaktoren
„Phoebus 1“ und „Phoebus 2“ getestet. Das stärkste Triebwerk, „Phoebus 2A“,
hatte einen maximalen Schub von 930 kN und lieferte im Juni 1968 während 12
Minuten eine Leistung von 4000 MW.
1960 begann die NASA zusammen mit der AEC mit
dem NERVA-Programm (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Dabei ging
es um die Entwicklung eines flugfähigen Triebwerks. Dementsprechend mussten die
Treibmittelpumpen durch das Triebwerk selber angetrieben werden. Im September
1964 starteten die Versuche mit dem Triebwerk „NRX“ [13].
Das letzte dieser Serie, das „EX“ [14],
war das erste, das in „richtiger Position“, d.h. mit Triebwerkstrahl nach unten
gerichtet, getestet wurde. Dieses Triebwerk erreichte eine Leistung von
1100 MW und einen Schub von 334 kN. Im März 1968 wurde dieses Triebwerk
während eines Testlaufs 28 mal gestoppt und wieder gestartet.
Bei diesen Versuchen traten Probleme auf, die
zum Teil nicht vollständig gelöst werden konnten. Durch Vibrationen des
Gasstrahls kam es bei den ersten Tests zu Brüchen der Reaktorbrennstoffbündel.
Dieses Problem konnte gelöst werden, aber die Lösung eines weiteren Problems
schien noch in weiter Ferne zu liegen: Während die Graphitbrennstoffelemente
der hohen Temperatur zwar standhielten, wurden sie jedoch durch die chemische
Reaktion mit dem Wasserstoff stark erodiert.
Mit dem Auslaufen des Apollo-Programms wurde
das Rover/NERVA-Programm 1972 schliesslich gestoppt.
Seit etwa 2002 wird im Hinblick auf bemannte
Marsflüge eine Weiterführung des Nuklear-Raketen-Programms wieder in Betracht
gezogen. Da Nuklear-Raketen rund doppelt so hohe Strahlgeschwindigkeiten wie chemische Raketen liefern, könnten
bedeutend höhere Geschwindigkeiten erreicht und damit die Flugdauer einer
Marsmission stark verkürzt werden. Dadurch würden medizinische Probleme, wie
z.B. die lange Schwerelosigkeit, wesentlich reduziert.
Eine Nuklear-Rakete würde natürlich nicht
von der Erde aus starten. Sie müsste in einer Satellitenbahn in grosser Höhe
zusammengebaut und von dort aus gestartet werden, so dass keinerlei radioaktive
Partikel in die Erdatmosphäre gelangen könnten.
Gepulste Nuklearantriebe
Ein etwas abenteuerliches Konzept eines
Atomantriebes für Raumfahrzeuge war das geheime Projekt „Orion“, das zwischen
1958 und 1965 studiert wurde und das auf einem Vorschlag von S. Ulam[15]
und C. Everett (1955) beruhte. Statt durch einen kontinuierlichen Gasstrahl
sollte das Fahrzeug durch die Druckwellen von kleinen Atombomben angetrieben
werden, die hinter dem Fahrzeug hätten gezündet werden sollen. Die Druckwellen
würden auf eine Prallplatte treffen, die durch Schockabsorber mit dem Fahrzeug
verbunden wäre. Der erste Entwurf war ein Fahrzeug mit einer Masse von 10’000
Tonnen und einer Prallplatte von über 40 Meter Durchmesser. Beim Start würde
jede Sekunde eine Bombe von 0,1 kt TNT gezündet. Während das Fahrzeug
beschleunigte, würden die Explosionen stärker und die zeitlichen Abstände
grösser, bis schliesslich alle 10 Sekunden eine 20-kt-Bombe gezündet würde. Um
auch im Vakuum eine hinreichend starke Druckwelle zu erzeugen, wären die Bomben
mit einer Schicht von Kunststoffschaum versehen worden, um beim Verdampfen des
Kunststoffs Gas zu produzieren.
Der erste Entwurf basierte auf der Meinung,
es wäre demnächst möglich, kleine Wasserstoffbomben direkt zu zünden, ohne die
Verwendung einer Kernspaltungsbombe. Eine reine Wasserstoffbombe würde nur
relativ wenig Radioaktivität freisetzen. Da jedoch bis heute eine Fissionsbombe
zur Zündung einer Fusionsbombe erforderlich ist, käme es, egal ob Fusions- oder
Fissionsbomben verwendet würden, zur Freisetzung einer grossen Menge von
radioaktiven Spaltprodukten.
Da somit ein Start von der Erdoberfläche zu
einer inakzeptablen radioaktiven Kontamination führen würde, wurde bei einem
späteren Entwurf für ein bedeutend kleineres Fahrzeug mit einer Prallplatte von
nur 10 Meter Durchmesser ein Start aus einer Erdumlaufbahn vorgesehen.
Die Vorteile des „Orion“-Antriebs wären ein
hoher Schub und eine hohe Strahlgeschwindigkeit. Die erreichbare
Strahlgeschwindigkeit wäre über 20 km/s für ein kleines „Orion“-Fahrzeug und
bis zu 60 km/s für ein grosses 40’000-Tonnen-Fahrzeug.
Diesen grossen Vorteilen stehen natürlich
auch Nachteile gegenüber. Auch ein Start ausserhalb der Atmosphäre ist
hinsichtlich Strahlung nicht problemlos. Die bei der Explosion einer Atombombe
entstehende Gammastrahlung kann noch in Entfernungen von einigen tausend
Kilometern elektronische Schaltungen beschädigen. Als das „Orion“-Projekt studiert
wurde, gab es im erdnahen Raum kaum etwas, das hätte beschädigt werden können. Heute
würde ein „Orion“-Start aus einer niedrigen Erdumlaufbahn unzählige
Kommunikations-Satelliten zerstören. Es ist auch fraglich, ob die Prallplatte,
die Schockabsorber und schliesslich das Raumschiff tausende von Kernexplosionen
problemlos überstehen würden. Mit kleinen Modellen (genannt „Put-Puts“ oder
„Hot Rods“) und kleinen konventionellen Explosionen wurde demonstriert, dass
ein Pulsantrieb im Prinzip möglich ist. Im November 1959 flog ein Modell mit
Hilfe von 6 Explosionen 100 Meter weit. Trotzdem wäre vermutlich noch viel
Entwicklungsarbeit zu leisten. Da ein Start von der Erdoberfläche nicht in Frage
kommt, lassen sich zudem die Hauptvorteile des „Orion“-Antriebs gar nicht
richtig ausnützen. Für planetare Missionen von der Umlaufbahn um die Erde zur
Umlaufbahn um den Zielplaneten könnten sich andere Triebwerke als vorteilhafter
erweisen.
Im übrigen ist es ein etwas unsympathischer
Gedanke, statt durch einen kontinuierlichen Schub durch einzelne Explosionen
angetrieben zu werden.
Zwischen 1973 und 1979 studierte eine Gruppe
von Wissenschaftern und Ingenieuren der British Interplanetary Society das
Projekt „Daedalus“. Dabei sollten kleine „Pillen“ von Fusionsbrennstoff in
einer Reaktionskammer mit Hilfe von Laser- oder Elektronenstrahlen gezündet werden.
Ein geeignetes Magnetfeld sollte für das bei der Mikroexplosion entstehende heisse
Gas als Düse wirken. Da die Explosionen viel schwächer wären als beim
„Orion“-Projekt und dafür Pulsraten bis zu 250 pro Sekunde vorgesehen waren,
wären die Schockabsorber bedeutend leichter zu konstruieren. Die Idee, aus den
Explosionen gleichzeitig die Energie für den Betrieb des Schiffes und des
Triebwerks zu gewinnen, erwies sich als nicht realisierbar. Eine von der NASA
in den 90er-Jahren studierte Variante des „Daedalus“-Projekts, das Projekt
„Longshot“, verwendete für die Energieversorgung des Schiffes und des Triebwerks
einen konventionellen 300-kW-Fissionsreaktor.
Eine Variante des „Daedalus“-Konzepts, das
„Medusa“-Projekt, das ebenfalls in den 90er-Jahren entwickelt wurde, sah vor,
dass die Mikroexplosionen nicht hinter dem Schiff in einer Reaktionskammer,
sondern vor dem Schiff gezündet werden sollten. Die Druckwellen sollten auf ein
riesiges vor dem Schiff aufgespanntes „Segel“ wirken. Dieses würde das Schiff an
langen Kabeln hinter sich herziehen. Mit einem „Medusa“-Antrieb sollten
Strahlgeschwindigkeiten bis gegen 1000 km/s möglich sein.
Da aber das Zündproblem bei der Fusion mit
Trägheitseinschluss[16]
immer noch nicht gelöst ist, lassen sich alle diese Projekte („Daedalus,
„Medusa“ und „Longshot“) vorläufig nicht verwirklichen.
Atomschiffe
Während der Atomantrieb für Autos,
Lokomotiven, Flugzeuge und Raketen bis heute weitgehend eine Utopie blieb,
wurde er bei Schiffen erstaunlich schnell Realität.
Unterseeboote
Bis 1955 waren Unterseeboote in
Wirklichkeit Schiffe, die hauptsächlich auf der Meeresoberfläche fuhren und die
notfalls während begrenzter Zeit tauchen konnten. Während der Fahrt an der
Oberfläche wurde das U-Boot durch (meist zwei) Dieselmotoren angetrieben, die
wahlweise auch je einen elektrischen Generator treiben konnten, mit dem riesige
Akkumulatoren-Batterien geladen wurden. Diese lieferten den Strom für die
Elektromotoren, mit denen das Boot bei Tauchfahrt angetrieben wurde.
Abgesehen vom Luftvorrat war die Tauchzeit
begrenzt durch die Dauer, während der die Akkumulatoren-Batterien das Boot mit
Energie versorgen konnten. Einerseits konnte diese Zeit durch langsame Fahrt
auf 14 bis 48 Stunden (je nach Boots-Typ) ausgedehnt werden, und andererseits
wurde diese Zeit durch hohen Energieverbrauch infolge von Ausweichmanövern mit
hoher Geschwindigkeit bei der Verfolgung durch einen (oder mehrere!)
wasserbombenwerfenden Zerstörer stark verkürzt.
Daher war der Kernreaktor als eine
luftunabhängige Energiequelle genau das, was sich jeder U-Boot-Fahrer schon
immer sehnlichst gewünscht hatte. Das wurde von dem brillianten und energischen
(und auch gefürchteten) Kapitän (später Vizeadmiral) H.G. Rickover schon 1947
klar erkannt. Dank seiner Initiative wurde im September 1947 eine Studie eines
nuklear angetriebenen Unterseebootes gestartet. Im August 1950 wurde mit der
Konstruktion eines Prototyps des für das U-Boot vorgesehenen Reaktors begonnen,
und im Juni 1952 erfolgte die Kiellegung des ersten atomgetriebenen U-Bootes,
der „Nautilus“, die 1955 in Dienst gestellt wurde.
Abbildung 7: USS Nautilus auf einer Testfahrt, 20.1.1955
(Foto: U.S. National Archives and
Records Administration)
Die „Nautilus“ fuhr 1958 unter der
ganzen arktischen Eiskappe durch und erreichte unter dem Eis den Nordpol. 1960
fuhr das von zwei Atomreaktoren angetriebene U-Boot „Triton“ rund um die Erde
ohne aufzutauchen.
Flugzeugträger
Der erste Flugzeugträger mit Nuklearantrieb,
die „USS Enterprise“ (CVN-65 [17]),
wurde nach nur drei Jahren Bauzeit 1961 in Dienst gestellt. Die „Enterprise“
ist heute noch im Dienst, und es ist vorgesehen, dass sie erst 2013 ausser
Dienst gesetzt und durch die geplante CVN-78 ersetzt wird. Sie hat vier
Schrauben und 8 (in Worten: acht !) Reaktoren. Sie hat eine Wasserverdrängung
von über 80’000 Tonnen und ist mit einer Länge von 342 Metern der längste
Flugzeugträger der US-Flotte.
Alle neueren im Dienst der US-Flotte stehenden nukleargetriebenen Träger („Nimitz“, „Dwight D. Eisenhower“, „Carl Vinson“, „Thedore Roosevelt“, „Abraham Lincoln“, „George Washington“, „John C. Stennis“, „Harry S. Truman“, und „Ronald Reagan“) verfügen über „nur“ zwei Kernreaktoren und haben eine Länge von 333 Metern. Die sechs neuesten Träger haben eine Wasserverdrängung von rund 90’000 Tonnen.
Kreuzer
Der erste nukleargetriebene Kreuzer, der Lenkwaffenkreuzer „USS Long Beach“, wurde 1961 in Dienst gestellt. Im August 2004 betrieb die amerikanische Navy insgesamt 80 nukleargetriebene Kriegsschiffe (U-Boote, Träger und Kreuzer).
Abbildung 8: USS Enterprise, USS
Long Beach und USS Bainbridge,
die ersten drei nukleargetriebenen Überwasserschiffe der US Navy
(Foto: US Navy)
Eisbrecher
Die „Lenin“ war der erste Eisbrecher mit
Atomantrieb. Russland verfügt über insgesamt 8 nukleargetriebene Eisbrecher.
Handelsschiffe
Die amerikanische „NS Savannah“, das erste
Handelsschiff mit Atomantrieb, wurde 1962 in Betrieb genommen. Das 182 m lange
22’000-Tonnen-Schiff konnte 60 Passagiere und 14’000 Tonnen Fracht transportieren.
Die deutsche „Otto Hahn“ wurde 1968 in
Betrieb gesetzt. Das 17’000-Tonnen-Schiff sollte dazu dienen, Erfahrungen mit
dem Nuklearantrieb zu sammeln.
Einerseits aus wirtschaftlichen Gründen und andererseits wegen der zunehmenden Opposition gegen die Nutzung der Kernenergie wurde 1972 die „Savannah“ stillgelegt und 1982 die „Otto Hahn“ auf Dieselbetrieb umgebaut.
Der japanische Frachter „Mutsu“ wurde 1970
in Betrieb genommen. Das 8000-Tonnen-Schiff wurde wegen technischer und
politischer Probleme zu einem Misserfolg.
In Russland wurde 1988 der eisbrechende
Frachter „Sevmorput“ in Dienst gestellt.
Mit der zunehmenden Verknappung und Verteuerung des Erdöls könnten nukleargetriebene Handels- und Passagierschiffe in nicht allzu ferner Zukunft wirtschaftlich attraktiv werden.
Abbildung 9: Das nukleargetriebene Handelsschiff
„Savannah“
(Foto:
U.S. National Archives and Records Administration)
Quellen
Karl Böhm, Rolf Dörge,
„Gigant Atom“, Verlag neues Leben, Berlin 1960.
William
R. Anderson, Clay Blair, „Die abenteuerliche Fahrt der Nautilus”, Verlag Kurt
Deutsch, München 1959.
Edward
L. Beach, „Unter Wasser um den Erdball“, Günther Verlag, Stuttgart 1964.
William R. Corliss, „Nuclear Propulsion for Space“, U.S. AEC, Division
of Technical Information.
Ulrich
Gabler, „Unterseebootbau“, Bernard & Graefe Verlag, Bonn 1997.
Zahlreiche Internet-Quellen, u.a.:
http://www.absoluteastronomy.com/encyclopedia/n/nu/nuclear_pulse_propulsion.htm
http://www.aerospaceweb.org/aircraft/bomber/b36
http://www.algebra.com/algebra/about/history/Nuclear-thermal-rocket.wikipedia
http://www.alternatehistory.com/gateway/essays/OrionProblems.html
http://www.answers.com/topic/nuclear-thermal-rocket
http://www.astrodigital.org/space/nuclear.html
http://www.atomicengines.com/ANP_intro.html
http://www.atomicengines.com/ANP_tech.html
http://www.chris-winter.com/CATS_Quest/Nuc_Rkt.html
http://www.islandone.org/Propulsion/ProjectOrion.html
http://www.lanl.gov/news/dateline/Dateline0198.pdf
http://www.megazone.org/ANP
http://www.nuclear.com/history/Nuclear_airplanes.html
http://www.radiationworks.com/nuclearships.htm
http://www.uic.com.au/nip32.htm
http://www.ussnautilus.org/history.html
http://www.vectorsite.net/tarokt2.html
http://www.webcom.com/~amraam/rcar.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Otto_Hahn_(Schiff)
http://de.wikipedia.org/wiki/USS_Enterprise_(CVN-65)
http://de.wikipedia.org/wiki/USS_Nautilus_(SSN-571)
http://home.att.net/~jbaugher2/b36_14.html
A.R.