Russische nucleaire krachtpatser ‘Zeus’ gaat voor vlot en efficiënt vrachtvervoer en energievoorziening op ruimteschepen zorgen

Al ruim tien jaar werkt Rusland hard aan de bouw van een nucleair aangedreven ruimtevaartuig dat tot doel heeft zware vracht en bemanning vlot en efficiënt door het zonnestelsel te laten reizen. Roscosmos onthulde recent op een technologieconferentie in Moskou meer details over deze ruimtesleepboot. De cargomodule is ‘Zeus‘ genoemd, en er zijn twee modellen ontworpen. Het ene type wordt uitgerust met een magnetoplasmamotor, de andere met een ionenmotor. Volgens Roscosmos zal Zeus op zijn eerste reis een kernreactor bevatten die 500 kilowatt elektrisch vermogen kan leveren, in totaal zal de module dan zo’n 22 ton wegen. Zeus zal op zijn maidentrip eerst langs de maan gaan, dan Venus aandoen (bij beide zal het een ander vaartuig afleveren) en vervolgens doorreizen naar Jupiter. De gehele reis zal zo een vier jaar in beslag nemen. De lancering staat gepland voor 2030, ruim twintig jaar na het ontwerpvoorstel in 2010. Van Zeus (ook Transport and Energy Module (TEM) genoemd) werd het eerste protoype in 2018 onthuld (zie RT-video hier). De lancering zal plaatsvinden vanaf het oostelijk gelegen Vostochny Kosmodrom, met een Angara-A5V raket. Vorig jaar wijdde ik reeds een Astroblog aan dit nieuwe Russische ruimteschip dat, zoals gezegd, voornamelijk voor vracht is bedoeld. De nucleaire motor zal worden aangedreven door een gasgekoelde, snelle neutronenreactor, waarbij een mengsel van helium en xenon wordt gebruikt voor het koelsysteem bij een kerntemperatuur die naar verwachting 1500 graden Celsius kan bereiken.

Artistieke impressie van Russische nucleaire raket credits; TASS Roskosmos

Roscosmos onthulde ook een ontwerp van een nieuw orbitaal ruimtestation (ROSS) welke twee modules bevat die uitgerust zijn met de Zeus-technologie. (In april j.l. kondigde Rusland tevens aan zich in 2025 uit het ISS terug te trekken.) De Russische Orel, een next-gen bemand ruimtevaartuig (vervangt de Sojoez) en nieuwe herbruikbare raketten zullen bij dit station kunnen aanmeren. Verder zal de Zeus ook ingezet worden voor de luchtverdediging van het land, om bijvoorbeeld satellieten en vliegtuigen te tracken. Volgens TV9/RIA Novosti ‘zal de (ruimte)sleepboot, afhankelijk van het vermogen van de radarapparatuur (50 of 200 kW), een gebied met een straal van resp. 2200 km of 4300 km kunnen bestrijken (van het Russische luchtruim).’ Roscosmos heeft eind vorig jaar een contract, t.w.v. 57 miljoen USD, met Arsenal (een in St. Petersburg gevestigd ontwerpbureau), voor een preliminair ontwerp, dit zou eind 2024 klaar moeten zijn. De verwachte technische levensduur van de Zeus-module is 10 tot 12 jaar. Tijdens de presentatie meldde Roscosmos tevens dat ze samen met de Russische Academie van Wetenschappen nog steeds bezig zijn om de ballistiek (het traject) van de vlucht te berekenen, evenals de hoeveelheid gewicht die Zeus kan dragen. 

NASA en nucleaire aandrijving
Ook NASA heeft diverse projecten gaande m.b.t. nucleaire aandrijving voor ruimtereizen.
NASA en Ultra Safe Nuclar Corporation ontwikkelen een nucleair motorsysteem voor deep space-missies naar o.a. Mars. NASA’s KiloPower project (1-10 kilowatt) wordt ontwikkeld voor energievoorziening op planetaire oppervlakken. Vorig jaar schreef ik ook over DARPA, i.v.m. het ontwikkelen van militaire cislunaire missies, project ‘DRACO‘. Gryphon Technologies gaat een nucleaire raketmotor voor DRACO ontwikkelen. En recentelijk werd bekend dat ook Jeff Bezos’ ruimtevaartbedrijf Blue Origin mee gaat werken aan dit project. Gryphon wil een HALEU-voortstuwingssysteem ontwikkelen dat gebruik maakt van nucleaire brandstof gemaakt van gerecyclede civiele reactorbrandstof die is herverwerkt en verrijkt tot tussen de vijf en twintig procent – meer dan dat van civiele reactoren en minder dan dat van marinereactoren. Het resultaat is een reactorkern die klein zal zijn, minder afval produceert, een langere kernlevensduur en meer efficiëntie heeft, daardoor geschikter voor gebruik in de ruimte dan eerdere ontwerpen.

Zonnepanelen, RTG’s, SNAP 10A en Topaz
De meeste ruimtevaartuigen halen hun energie uit zonnepanelen, batterijen of RTG’s (radioistotoop generatoren). NASA’s Juno-ruimtevaartuig voor Jupiter bijvoorbeeld, gebruikt zonnepanelen. En de Huygens-sonde gebruikte in 2005 batterijen om kort op een maan van Saturnus, Titan, te landen. NASA’s Voyagers die inmiddels in de interstellaire ruimte zijn, gebruiken RTG’s, ook wel ‘nucleaire batterijen’ genoemd, en ook de Marsrovers zijn met RTG’s uitgerust. Tot nu toe heeft NASA echter slechts één kernreactor de ruimte in gestuurd, de Snap-10A, gelanceerd in 1965 vanaf de luchtmachtbasis Vandenberg naar een lage aardebaan van 1300 km. De nucleaire elektrische bron was bedoeld om een jaar lang meer dan 500 watt vermogen te produceren. Na 43 dagen faalde een spanningsregelaar – niet gerelateerd aan de SNAP-reactor -, en de reactorkern werd stilgelegd, na het bereiken van een max. vermogen van 590 watt. Rusland heeft veel ervaring met kernreactoren in de ruimte, zij zonden tussen 1960 en 1980 32 Rorsat-satellieten naar de ruimte met aan boord Topaz-kernreactoren, maar dit ging niet altijd goed. In 1987 stortte een van deze satellieten, de Kosmos-954 met aan boord 45 kg hoogverrijkt Uranium-235, neer boven Canada. Bronnen: TASS/Sputnik, Roscosmos, SpaceDaily, TV9news, Aerotime

Innovatie in nucleaire brandstoftechnologie kan Marsreis aanzienlijk verkorten

In drie maanden naar Mars? Als het aan het Amerikaanse Ultra Safe Nuclear Corporation Technologies ligt moet dit in de nabije toekomst gerealiseerd kunnen worden. In opdracht van NASA ontwikkelt USNC-Tech, met als thuisbasis Seattle (WA) een baanbrekende innovatieve nucleaire brandstoftechnologie en motorsysteem waarmee de 40 miljoen kilometers naar de rode planeet veel sneller afgelegd zouden kunnen worden. Verder is het motorsysteem volgens het bedrijf ook veiliger, en efficiënter dan oudere NTP-systemen.*  Dr.Michael Eades, hoofdingenieur bij USNC-Tech, stelde: “Onze motor maximaliseert het gebruik van beproefde technologie, elimineert conceptfouten van eerdere NTP-systemen, en heeft een specifieke impuls die meer dan twee keer zo hoog is als die van chemische systemen.” Eades, noemt het “een cruciale stap voorwaarts in het bereiken van uitbreidbaarheid van NTP-systemen voor deep-space-missies”. Maar wat het USNC-Tech systeem met name doet onderscheiden van andere nucleaire systemen, is het gebruik van volledig keramische micro-ingekapselde (FCM) brandstof voor de kernreactor. De bijzondere brandstof die is ontworpen voor dit systeem bevat hoogwaardig laagverrijkt uranium waarvan het bedrijf stelt dat deze robuuster is dan conventionele nucleaire brandstoffen en kan werken bij hogere temperaturen. Hoewel het concept is gemaakt voor NASA, stelt het bedrijf dat het nucleaire systeem ook door commerciële partijen kan worden gebruikt om toeristen, in praktisch de helft van de reistijd, naar andere planeten in het zonnestelsel te brengen. USNC-Tech heeft onlangs het concept en de details aan NASA geleverd, en NASA meent dat het de markt zou kunnen overnemen nu de huidige chemische raketten hun limiet bereiken. Lees verder

Terugblik; lancering eerste nucleaire ruimteschip SNAP-10A

Vandaag, 3 april 2020, is het precies 55 jaar geleden dat in de Verenigde Staten een experimentele satelliet gelanceerd werd met aan boord een nucleaire reactor. Dit was de eerste keer in de geschiedenis. De ‘Systems for Nuclear Auxilary Power’ afgekort SNAP-10A werd gelanceerd op een Atlas/Agena D raket vanaf de luchtmachtbasis Vandenberg in Californië. De nucleaire reactor werd, toen het in de goede aardebaan terecht kwam, tien uur na lancering, opgestart. Het systeem bestond uit een compacte kernsplijtingsreactor* met als brandstof 4,5 kg uranium-235. Het ruimteschip zou 43 dagen vlekkeloos honderden banen om de aarde draaien. Een elektrische storing in de Agena raket zou een voortijdig eind maken aan de vlucht. De reactor werd gedeactiveerd en de SNAP-10A cirkelt nu voor vier millennia in een aardebaan op een hoogte van 1300 km. Na die periode zal het in de aardse atmosfeer opbranden. Lees verder

VS herstart productie geavanceerde splijtstof voor energie en ruimtevaart

BWX Technologies een Amerikaans nucleair bedrijf, heeft recent de productie hervat van een geavanceerde splijtstof TRISO genaamd.  Als aanleiding gaf BWXT de toegenomen belangstelling vanuit defensie en het Amerikaanse bedrijfsleven voor gebruik in kleine kernreactoren m.b.t. de ruimtevaart en voor civiel gebruik. TRISO* houdt kernsplijtingsproducten vast tot hoge opbrand en tot hoge temperatuur, 1600 Celsius. De splijtstof komt in de vorm van kleine gecoate bolletjes, deze coating werkt als insluiting. Dat houdt in dat de kernsplijtingsproducten er niet uit kunnen lekken, wat uit oogpunt van de veiligheid een voordeel is.

Lees verder

NASA creëert momentum voor geavanceerde nucleaire en elektrische voortstuwing

De ontwikkeling van een nucleair-thermisch (NTP) aangedreven raket o.a. voor reizen naar Mars, met een testvlucht van deze in 2024, het Kilopower project voor energievoorziening op planetaire oppervlakken en ook geavanceerde elektrische ionenmotoren voor robotische exploratiesondes zijn enkele van NASA’s kernprojecten voor de komende jaren op het gebied van geavanceerde energievoorziening en voortstuwingssystemen op rij gezet. Hiermee werkt NASA hard aan creatie van het juiste momentum voor inzet van deze systemen bij deep space missies. In totaal wordt er dit jaar een miljard dollar voor uitgetrokken, dik vijf procent van NASA’s budget van 2019 van 21.5 miljard dollar. Lees verder

Een nieuw start voor nucleaire voortstuwing?

Een nieuwe start voor nucleaire voortstuwing? Dit artikel is verschenen in Ruimtevaart nr. 2 2017. Het beschrijft hoe een ruimtevaartmodel gebaseerd op de nucleaire raket gestalte zou moeten krijgen en hoe het de maatschappij als geheel zou beïnvloeden mede door drastische prijsdalingen in de branche en haar aanverwante sectoren.

Lees verder