China und die USA wetteifern um die erste, dauerhaft bewohnte Station auf dem Mond, auch Indien und Europa planen eine eigene Mondbasis oder wollen sich zumindest an einer beteiligen. Wie kann man eine solche Station dauerhaft und zuverlässig mit Energie versorgen? Damit beschäftigt sich das Projekt MULE – Microreactor Utilisation for Lunar Exploration („Nutzung von Mikroreaktoren zur Monderkundung„) der Technischen Universität München.
Mini-Atomkraftwerke liefern enorme Mengen an Energie
Am Institut „Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz“ forschen Wissenschaftler wie Christian Reiter, Leiter der Professur Angewandte Kerntechnologien, an der Entwicklung von Mini-Atomreaktoren für den Einsatz im Weltraum: „Kernkraft hat den Vorteil, dass Sie aus einem sehr geringen Volumen eine hohe Energie- und eine Leistungsdichte bekommen“, sagt er. Eine Fingerkuppe des spaltbaren Isotops Uran-235 enthält soviel Energie wie 10.000 Tonnen Kohle. Ein wenige Kubikmeter großer Reaktor könnte so eine Raumbasis jahrelang mit Strom versorgen.
Eine kompakte und kontrollierbare Energieversorgung mit möglichst langer Laufzeit ist eine Grundvoraussetzung für eine dauerhafte Präsenz von Menschen auf einem anderen Himmelskörper wie dem Mond. Sonnensegel, wie sie bei Satelliten eingesetzt werden, sind für die Energieversorgung einer Raumstation ungeeignet. In den langen Mondnächten, die bis zu zwanzig Tage dauern können, ist eine vom Sonnenlicht unabhängige Stromversorgung zwingend notwendig. In den Polregionen kann es extrem kalt werden – bis zu minus 233 Grad. Dann ist die Wärme, die ein Reaktor produziert, überlebenswichtig.
Einfache Technik für Hochleistungsreaktoren auf dem Mond
Mit den technisch hochkomplexen Atomkraftwerken auf der Erde haben die „extraterrestrischen“ Reaktoren wenig gemein – sie basieren auf einfachen und teilweise sehr alten Prinzipien. Der „Kilopower-Reaktor“ (externer Link), der derzeit von der NASA entwickelt wird und der ebenfalls in zukünftigen Missionen Energie für bemannte Stationen auf Mond und Mars liefern soll, besteht im Wesentlichen aus einem einzelnen, mit Uran angereichertem Brennelement von der Größe einer Thermoskanne, dessen Hitze einen Stromgenerator nach dem Prinzip eines Stirling-Motors antreibt. Dieser Motor ist eine Wärmekraftmaschine, die bereits im Jahr 1816 erfunden wurde und die Wärme in einem geschlossenen Kreislaufsystem in elektrische Energie umwandeln kann.
„Wenn Sie sich vorstellen, Sie schießen etwas ins All, dann muss das möglichst resilient und einfach sein, damit möglichst wenig kaputt gehen kann. Je robuster eine Technologie ist, desto wahrscheinlicher ist der Erfolg der Mission“, erklärt Christian Reiter. Robust und wartungsarm ist auch der Reaktor, den er und seine Kollegen in Garching für das Terrae-Novae-Programm, das „Neue-Welten“-Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA, entwickeln, das ab 2040 ebenfalls Menschen zu anderen Himmelskörpern bringen soll.
Kerntechnik liefert Wärme und Elektrizität
Einen Prototypen wie bei der NASA gibt es in Garching zwar noch nicht, dafür soll ihr Reaktor mit seiner Leistung von einigen hundert bis tausend KW Wärmeenergie deutlich mehr Energie liefern als die amerikanische Entwicklung. Auch kann er Wärme und elektrische Energie je nach Bedarf aufteilen. Etwa, um das auf dem Mond vorhandene Wassereis zunächst durch Wärme zu schmelzen und dann mittels Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten, um Atemluft oder Raketentreibstoff zu gewinnen.
Warum Mondreaktoren weniger riskant sind – und der Start die größte Gefahr bleibt
Doch welches Risiko birgt das Betreiben von Atomreaktoren auf anderen Himmelkörpern? Auf dem Mond mit seiner praktisch nicht vorhandenen Atmosphäre ohne Wind und Wetter könnten sich radioaktive Partikel bei einem Störfall nicht wie auf der Erde verteilen – ein Reaktorunfall mit Strahlungsaustritt bliebe laut Christian Reiter ein lokal begrenztes Ereignis. Mit einer entsprechenden Schutzhülle ließe sich zudem die Ausbreitung von Radioaktivität vermeiden. Die größte Herausforderung für die Forscher ist es, den Kernbrennstoff sicher ins All zu schießen: „Dann würde man natürlich den Reaktor so einkapseln in der Rakete, dass selbst bei einem Absturz oder einer Explosion der Reaktor intakt bleibt bzw. der Kernbrennstoff nicht verteilt wird.“
Die Wissenschaftler in Garching haben noch einige Hürden zu meistern, bis ihr Reaktor einsatzbereit ist. Doch während Europa in vielen Bereichen der Raumfahrt wie etwa der Raketentechnologie der Konkurrenz hinterherhängt, hat es laut Christian Reiter bei der Entwicklung von Kernbrennstoffen die Nase vorn.
