Missies naar Mars en andere plaatsen in de ruimte brengen tal van uitdagingen met zich mee, waarvan de meeste te maken hebben met het overbruggen van de gigantische afstanden. Met conventionele voortstuwingsmethoden (chemische raketten of Hall-effect stuwraketten) kan een reis naar Mars zes tot negen maanden duren. Dit maakt het vooruitzicht van herbevoorradingsmissies onpraktisch en noodreddingen onmogelijk. Aan de ene kant worden deze problemen aangepakt door ervoor te zorgen dat bemande missies zo zelfvoorzienend mogelijk zijn. Er wordt echter ook gewerkt aan de ontwikkeling van geavanceerde voortstuwingssystemen die de transittijden verkorten. Dit omvat nucleaire voortstuwingsconcepten, die NASA in 2016 opnieuw begon te onderzoeken voor zijn voorgestelde “Maan naar Mars”-missiearchitectuur.
In een recent artikel hebben twee ruimtevaartvernieuwers de belangrijkste nucleair-elektrische voortstuwingsconcepten, hun voordelen en uitdagingen bekeken. Uiteindelijk concluderen ze dat nucleaire aandrijving het potentieel heeft om een revolutie teweeg te brengen in de verkenning van de ruimte en de mensheid “multiplanetair” te maken. Het onderzoek werd uitgevoerd door Malaya Kumar Biswal M, de oprichter en CEO van Acceleron Aerospace Sciences, en Ramesh Kumar V, de oprichter en CEO van Grahaa Space. Het artikel met hun bevindingen werd onlangs gepresenteerd op de 2025 Lunar and Planetary Science Conference (2025 LPSC), die van 10 tot 14 maart plaatsvond in Woodlands, Texas. Om het eenvoudig uit te leggen: langdurige missies naar Mars brengen veel risico's met zich mee voor de gezondheid van astronauten. Deze omvatten langdurige blootstelling aan microzwaartekracht, wat leidt tot spieratrofie.
Er is ook het gevaar van langdurige blootstelling aan zonne- en kosmische straling, wat kan leiden tot een verhoogd risico op kanker. Zoals gezegd maken de lange afstanden en reistijden tussen de aarde en Mars bevoorradingsmissies onpraktisch. Als astronauten ernstig gewond raken, duurt het veel te lang om ze te evacueren. Daarom bevatten alle plannen voor missies naar Mars voorstellen voor in-situ gebruik van hulpbronnen (ISRU) en bioregeneratieve levensondersteunende systemen (BLSS) om de afhankelijkheid van de aarde te verminderen. Maar omdat alle bijbehorende risico's voortkomen uit de lange afstanden en beperkte lanceervensters, worden er ook inspanningen gedaan om de transittijden te verkorten via geavanceerde voortstuwing. Tijdens het ruimtetijdperk bestudeerden NASA en de Sovjets nucleaire voortstuwing om missies mogelijk te maken naar plaatsen voorbij Low Earth Orbit (LEO) en de maan. Sindsdien heeft het onderzoek zich gericht op twee primaire methoden: nucleair-thermische voortstuwing (NTP) en nucleair-elektrische voortstuwing (NEP). Nucleair-thermische voortstuwing bestaat uit een kernreactor die waterstofdrijfgas verhit en door straalpijpen leidt om versnelling (delta-v) te produceren. Nucleair-elektrische voortstuwing bestaat uit kernreactoren die elektriciteit opwekken om een stuwraket aan te drijven, meestal ion- of Hall-effect stuwraketten.
Nucleaire elektrische voortstuwing
Zoals Biswal en Kumar in hun studie aangeven, zijn er echter ook twee soorten nucleair-elektrische concepten: Radioisotope Electric Propulsion (REP) en Fission Electric Propulsion (FEP). Terwijl REP gebruik maakt van de warmte die wordt opgewekt door het natuurlijke radioactieve verval van isotopen om elektriciteit te produceren, vertrouwt FEP op kernreactoren om energie op te wekken door middel van gecontroleerde kernsplijtingsreacties. Elk van deze systemen heeft zijn eigen voordelen die het ideaal maken voor specifieke missieprofielen. REP-systemen produceren bijvoorbeeld meestal ongeveer 1 kW vermogen, voldoende voor het aandrijven van instrumenten en voortstuwingssystemen met lage stuwkracht, zoals ionenmotoren. Ze staan bekend als compact en betrouwbaar, waardoor ze ideaal zijn voor kleine tot middelgrote missies. Ze hebben een bewezen staat van dienst dankzij missies als de Voyager-sondes en de Curiosity- en Perseverance-rovers. FEP is schaalbaar, flexibel en krachtiger en genereert doorgaans 8 tot 10 kW. Dit maakt het meer geschikt voor langeafstandsverkenning van de hoofdas planetoïdengordel en de buitenste delen van het zonnestelsel.
Beide systemen worden onderzocht voor toekomstige missies naar Mars en het buitenste zonnestelsel. Enkele opmerkelijke voorbeelden zijn de Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY (KRUSTY)-reactor, die in 2018 door NASA is ontwikkeld. Deze reactor kwam voort uit het Kilopower-programma om reactoren te ontwikkelen die twaalf tot vijftien jaar lang continu 1 tot 10 kW vermogen kunnen leveren. Deze reactor maakt gebruik van de warmte die wordt opgewekt door uranium-235 om energie op te wekken. De reactortest toonde aan dat hij in staat is om gedurende langere perioden betrouwbare energie te leveren, waardoor het een cruciale mijlpaal is in de ontwikkeling van nucleaire voortstuwings- en energiesystemen voor ruimtemissies. Deze systemen zijn compact en efficiënt en hebben veel toepassingen, waaronder het aandrijven van ruimtehabitats, life support systems (LSS) en instrumenten aan boord van multiplanetaire missies.
Mogelijke missieprofielen
Biswal en Kumar geven verschillende voorbeelden van missies die een bemand nucleair-elektrisch ruimteschip zou kunnen uitvoeren. In alle gevallen kunnen kilowattreactoren een constante stroomtoevoer onderhouden op plaatsen waar zonne-energie beperkt of niet beschikbaar is. Dit geldt ook voor operaties op het maanoppervlak, waar zonne-energie niet beschikbaar is tijdens maannachten van 14 dagen. Kilowattreactoren zijn ook van vitaal belang voor NASA's plan om een programma te maken voor “duurzame verkenning en ontwikkeling van de maan”, dat wetenschappelijk onderzoek, bewoning en mijnbouw omvat. Voor missies naar Mars zou kernsplijtingsenergie kunnen zorgen voor kortere reistijden en zwaardere ladingen, waardoor een grotere capaciteit en veiligheid mogelijk wordt. Het zou ook duurzame energie kunnen leveren voor oppervlaktehabitats, levensondersteunende systemen en technologieën voor het gebruik van in situ hulpbronnen (ISRU) op Mars. Na Mars zouden door kernsplijting aangedreven systemen missies mogelijk kunnen maken om de gasreuzen en hun maanstelsels te bestuderen, zoals astrobiologische missies naar Europa, Enceladus, Titan en andere “Oceaanwerelden”.
Na de gasreuzen zouden nucleair-elektrische ruimteschepen de ijzige lichamen en dwergplaneten in de Kuipergordel kunnen onderzoeken. Splijtingsenergie zou vooral nuttig zijn gezien de lage temperatuur en de verwaarloosbare hoeveelheid zonne-energie die beschikbaar is. Voorlopermissies zoals de New Horizons sonde hebben de doeltreffendheid van deze technologie aangetoond. Ten slotte zouden nucleaire systemen met hoog vermogen missies van lange duur naar de interstellaire ruimte mogelijk kunnen maken, zoals de Voyager-sondes hebben laten zien.
Beperkingen
Natuurlijk hebben nucleaire systemen ook hun uitdagingen, waar Biswal en Kumar op ingaan. Deze omvatten een grotere initiële massa in vergelijking met traditionele systemen, wat kan leiden tot een hoger lanceergewicht en hogere lanceerkosten. Het opschalen van de technologie naar hogere vermogensniveaus (>100 kWe) is een uitdaging en kan aanzienlijke vooruitgang in materialen, warmtebeheer en energieopwekkingssystemen vereisen voordat ze klaar zijn. Bij een nucleair systeem is er ook behoefte aan stralingsafscherming en protocollen om de veiligheid van de missie te garanderen. Niet alleen moeten bemanningen worden beschermd tegen schadelijke straling, maar er moeten ook strikte veiligheidsnormen worden gehanteerd bij het hanteren van nucleaire brandstof en andere gevaarlijke materialen. Deze overwegingen verhogen de tijd, kosten en complexiteit van de missieplanning.
En last but not least heeft nucleair-elektrische voortstuwing een beperkte operationele geschiedenis in vergelijking met zonne-energiesystemen, zoals Solar-Electric Propulsion (SEP). Dit verhoogt het algehele onzekerheidsniveau en maakt dat de technologie risicovoller lijkt dan conventionele methoden. Vanwege hun complexiteit vereisen nucleair-elektrische systemen ook een langere ontwikkelingstijd en tijdrovende reparaties. Biswal en Kumar geloven echter dat de voordelen ruimschoots opwegen tegen de nadelen en dat sommige van deze uitdagingen overwonnen kunnen worden. Chemische raketten hebben bijvoorbeeld een grotere verhouding tussen stuwkracht en gewicht, waardoor ze een optie zijn voor de eerste inzet. Het ruimtevaartuig in een baan om de aarde monteren is ook een mogelijkheid, vooral met de hulp van het Internationaal Ruimtestation (ISS) en zijn voorgestelde opvolgers. En gezien het scala aan mogelijke missies met REP- en FEP-voortstuwing, zijn de investering en uitdagingen zeker de moeite waard. Naast het bevorderen van exploratie zou deze technologie ook kunnen leiden tot passagiersmissies, waarbij kolonisten naar de maan, Mars en verder worden gebracht. Met een menselijke aanwezigheid op deze hemellichamen zal de mensheid een “multiplanetaire” soort zijn geworden.
Bron: Universe Today/Matthew Williams
