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Nr. 3,  März 1958

ATOMRAKETE -

Schlüssel zum Weltraum

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Von Cord-Christian Tröbst

Die Russen haben es wieder einmal geschafft!

Wenn man den Berichten des amerikanischen Geheimdienstes Glauben schenken darf, wird die Sowjetunion in spätestens zwei Jahren mit der Serienproduktion atomgetriebener Bomber beginnen. Damit hätten die Russen in der Entwicklung atomgetriebener Flugzeuge einen Vorsprung, . den die USA allerfrühestens in sechs bis acht Jahren auf holen könnten.

Wie weit die Russen mit der Entwicklung atomgetriebener Raketen sind, läßt sich dagegen nur vermuten. Aber man kann annehmen, daß sie auch da die Amerikaner überrundet haben. Beide Länder begannen bereits 1946 mit der Entwicklung von Atomtriebwerken für Flugzeuge.

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24b.jpg (10774 Byte) GEHEIM sind noch die Pläne für eine amerikanische Atomrakete. Die Zeichnung linke basiert auf einem Entwurf der englischen De Havelland- Werke. - Sensationell war die Nachricht der Zeitschrift 'Aviation Week', daß die Sowjetunion über ein atomgetriebenes Flug. zeug verfüge (rechts). 24c.jpg (8075 Byte)

Während man in Rußland den einmal eingeschlagenen Weg emsig weiterverfolgte, verzeichnete man in den
USA die schon üblichen Fehlanordnungen, eine falsche Knauserigkeit in der Bewilligung der Geldmittel und eine unverständliche Kurzsichtigkeit der Hauptverantwortlichen. Noch im März 1958 lehnte Präsident Eisenhower, offensichtlich schlecht beraten, die Bereitstellung zusätzlicher Mittel für die Entwicklung von Atomflugzeugen als 'unnötig und übereilt' ab.

Die Amerikaner haben dieses Rennen verloren. Die einzige Hoffnung, die ihnen jetzt noch bleibt, ist die, durch eine Intensivierung ihres 'Rover`-Programms die Scharte wieder auszuwetzen.

Das 'Projekt Rover' wird gegenwärtig auf den Jackass Flats in Nevada verwirklicht. Dieser einsame Ort liegt etwa 160 Kilometer von Las Vegas entfernt. Alles, was auf Jackass Flats geschieht, wird von einem Bunker am Rand des Versuchsfeldes aus ferngelenkt: Lokomotiven fahren ohne Führer über die Schienen; im fensterlosen 'Stellwerk' befindet sich kein Mensch, und in der Montagehalle fehlt jegliches Bedienungspersonal. Sämtliche Vorgänge auf Jackass Flats dienen der Erprobung von Amerikas erster Rakete mit Atomtriebwerk.

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Wie von Geisterhand bewegt zieht eine Lokomotive auf einem riesigen Versuchsfeld in Nevada das Atomtriebwerk hinter sich her. Das Triebwerk wird In einem großen Betonhaus getestet (1). Das Raketentriebwerk (siehe Zeichnung oben) gleicht einer riesigen Espressomaschine. Die Lokomotive, die das Triebwerk über die Schienen zieht, wiegt 15 Tonnen (2 und Foto unten). Ihr Antrieb erfolgt über Batterien. Sie zieht das Triebwerk nach Jedem Versuch aus dem Betongebäude In das Montagehaus (3), wo es per Fernsteuerung auseinandergenoinmen wird. Von einem Beobachtungsbunker (4) am Rande des Feldes aus steuern und überwachen Wissenschaftler und Techniker die Versuche. Weiterhin befinden sich am Rande des Feldes große Tankanlagen für Wasserstoff und Helium (5). Der Motor wird mit Uranbrennstäben geheizt und wiegt ungefähr 5'/² Tonnen. Die Düsen sind senkrecht in die Höhe gerichtet. Augenblicklich erzeugt das Triebwerk zwei Tonnen Schub. Seine Leistung soll Jedoch in Kürte auf 50 Tonnen erhöht werden.

Dieser Motor heißt KIWI-A - nach einem australischen Vogel, der nicht fliegen kann. Auch der Motor, der hier entwickelt wird, kann vorerst keinen Flugapparat treiben, denn er ist zu schwer und erzeugt noch zu wenig Schub. Doch hofft man, daß man schon in kurzer Zeit viel mehr als die gegenwärtigen 2 Tonnen Schub, die übrigens schon in Kürze auf 50 Tonnen erhöht werden sollen, aus dem erdgebundenen Vogel herausholen kann.

Der mit Uranbrennstäben geheizte Motor, gut 51/8 Tonnen schwer, sieht aus wie eine riesige, acht Meter hohe italienische Espressomaschine. Die Düsen senkrecht in die Höhe gerichtet - denn er soll ja nicht davonfliegen-, so steht er auf einer Eisenbahnlafette im Betonhaus.

Im Bunker, Hunderte von Metern vom Betonhaus entfernt, können die Wissenschaftler den Versuch auf ihren Fernsehbildschirmen außerhalb der radioaktiven Gefahrenzone verfolgen. „Selbst wenn KIWI auseinanderfliegt, kann uns nichts passieren. Nicht einmal die Luft kann radioaktiv verseucht werden, da, das Betonhaus hermetisch abgedichtet ist", sagt Dr. Schreiber, der Leiter des Projektes.

Nach Beendigung eines jeden Versuches schleppt die Lokomotive KIWI-A in die Montagehalle, wo der Raketenmotor von mechanischen Sklaven auseinandergenommen wird. Automatische Prüfgeräte untersuchen, wie der Test dem Motor bekommen ist, und beseitigen alle Fehler nach ferngelenkten Anweisungen der Fachleute im Bunker. Dann kann der nächste Versuch beginnen.

„So eine Atomrakete arbeitet anders, als die meisten Menschen es sich vorstellen", sagt Dr. Schreiber. „KIWI kann wohl theoretisch, jedoch nicht in der Praxis, unbegrenzt lange Schub erzeugen, nämlich nur so lange, wie der eigentliche Treibstoff (Flüssigwasserstoff) vorhanden ist. Die Antriebszeit dauert deshalb nur 300 bis 400 Sekunden. Dann ist der Flüssigwasserstoff, der' gleichzeitig als Kühlmittel diente, aufgebraucht. Der Atommotor wird dann durch seine Eigenhitze, die von der intensiven Radioaktivität der angesammelten Spaltprodukte herrührt, zerstört. Die relativ kurze Brenndauer genügt jedoch, um die Rakete auf ihre vorgeschriebene Bahn zu bringen."

Aufbau und Arbeitsweise einer Atomrakete

Der flüssige Wasserstoff ist in gut isolierten Tanks gelagert. Das komprimierte Helium verdrängt den Wasserstoff, der durch eine turbinengetriebene Pumpe gefördert wird. Der Wasserstoff strömt von der Pumpe mit hohem Druck durch Röhren zum Ende der Raketendüse, wo er zur Kühlung der Düsen und Reaktorkammerwände benötigt wird. Der größte Teil des Wasserstoffes strömt dann durch den Reaktor und tritt durch die Laval-Düse mit 2200 Grad Celsius aus. Ein geringer Teil wird zur Kühlung des Reflektors und anderer Bauteile abgezweigt und treibt die Turbine der Pumpe an. Nebenstromventile gewährleisten eine Steuerung der Turbine, deren Abgase durch eine Hilfsdüse zur Gewinnung eines zusätzlichen Schubs abgeblasen werden. Die Zahlen In den Zeichnungen links und unten bedeuten:

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1. Nutzlast
2. HochdruckbehälterfürHelium
3. Instrumente und Steuerungsgeräte
4. Regelventile
5. Elektrische Leitungen
6. Treibstofftank
7. Treibstoffhauptpumpe
8. Turbine
9. Treibgasleitung für die Turbine
10. Reflektor aus Beryllium oder Berylllumoxyd
11. Reaktorkontrollgerät
12. Uran-Graphitladung im Reaktorkern
13. Leitungen für Regenerativkühlung
14. Hilfsdüsen für zusätzlichen Schub
15. Saugstrahlhilfspumpe
16. Hauptregler
17. Regelstäbe für den Reaktor
18. Vernierdüsen für Richtungsänderungen
19. Regler für Vernierdüsen
20. Kühlmittelregler
21. Kontrollgerät
22. Treibgasregierfür Turbine
23. Hauptdüse

 

Wenn nun der Reaktor dieser Atomrakete in der Praxis auch nicht viel länger arbeiten kann als der Motor einer chemischen Rakete, warum gibt man sich dann überhaupt die Mühe, ihn zu entwickeln?
Dazu sagt Dr. Schreiber: „Der große Vorteil, den eine Atomrakete gegenüber chemischen Raketen besitzt, ist ihr besserer spezifischer Impuls, also das Verhältnis von Schub mal Schubdauer zum Treibstoffverbrauch. Dieser spezifische Impuls ist bei einem Atomtriebwerk drei- bis viermal so hoch wie bei den üblichen chemischen Treibstoffen. Das bedeutet, daß eine Atomrakete bei gleichem Treibstoffverbrauch eine viel größere Nutzlast befördern kann als eine chemische Rakete."
Die vom Pech verfolgte 'Vanguard' der US-Navy wog etwa 10 Tonnen. Im Vergleich dazu wirkte ihre Nutzlast, der ungefähr 10 Kilo schwere Satellit, geradezu lächerlich. Er stellte nur ein zehntel Prozent des Startgewichts dar. Bei einer Atomrakete könnte jedoch die Nutzlast bis zu 20 Prozent des Startgewichts betragen.

„Eine Atomrakete, wie wir sie planen, soll eine Nutzlast von 50 Tonnen tragen. Im Vergleich dazu ist Rußlands 11/2-Tonnen-Mondrakete nicht größer als eine Pferdefliege", sagt Dr. Schreiber.
Wie wird nun diese enorme Leistung erzielt? In chemischen Raketen entstehen durch die Verbrennung des Treibstoffes Hitze und gasförmige Verbrennungsprodukte. Die heißen Gase strömen mit höchster Geschwindigkeit aus der Düse und erzeugen so den Schub. Bei chemischen Treibstoffen, z. B. Wasserstoff Sauerstoff, wird jedoch allerhöchstens eine Strahlgeschwindigkeit von 1900 Metern pro Sekunde erreicht. Die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer beträgt dabei etwa 2700 Grad Celsius, das Molekulargewicht des ausströmenden Gases (Wasserdampf) ist gleich 18.

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EIN ZWEITES PROJEKT einer Atomrakete befindet sich augenblicklich in Idaho Falls Im Versuchsstadium. Unser Foto zeigt diesen Reaktor, der von General Electric gebaut wird. Die angesaugte Luft wird statt in einer Verbrennungskammerim Reaktorerhitzt. Die Abgase werden über eine Turbine geleitet.

Ein Atomtriebwerk jedoch, das bei einer Temperatur von nur 1646 Grad Celsius arbeitet (also rund 40 Prozent niedriger als die chemische Rakete), aber nur Wasserstoff mit dem Molekular gewicht 2 benutzt, liefert bei dem gleichen Brennkammerdruck wie die chemische Rakete eine Strahlgeschwindigkeit von mehr als 5700 Metern pro Sekunde. Das sind mehr als 150 Prozent der Strahlgeschwindigkeit, die mit den üblichen chemischen Treibstoffen erzielt werden kann.

Der Energievorrat des Raketenreaktors wird dazu verwendet, um einen Treibstoff von niedrigem Molekulargewicht - also etwa Flüssigwasserstoff auf viel höhere Strahlgeschwindigkeiten zu bringen, als das bei chemischen Raketen möglich ist, die überdies mit höheren Temperaturen arbeiten.

Raketenflug zum Jupiter

Der Energieabgabe des Atomraketenmotors ist nur durch den Kühlmittelfluß und durch die Materialeigenschaften eine obere Grenze gesetzt, sie könnte also theoretisch beliebig hoch getrieben werden. Man könnte Temperaturen erzeugen, die beinahe den Schmelzpunkt des verwendeten Brennkammer- und Düsenmaterials (Graphit, Wolfram, Molybdän oder Keramikstoffe) erreichen. Dabei sind maximale Strahlgeschwindigkeiten bis zu 10000 m/sec zu erwarten.

Eines der größten Probleme beim Projekt KIWI sehen die Raketenfachleute darin, wie sie den Atommotor 'einschrumpfen' sollen, denn in den Dimensionen, in denen KIWI heute auf Jackass Flats erprobt wird, ist es noch zu groß. So schwebt den Wissenschaftlern ein Atomreaktor vor, der hundertmal mehr Energie liefert als der Atomreaktor von Calder Hall in England, dabei aber dreißigmal kleiner ist!

Die Temperaturen in so einem Zwerg hundertfacher Leistung müssen dann natürlich entsprechend höher sein, nämlich rund 2200 Grad Celsius. Dieses Ziel scheint unerreichbar angesichts der Tatsache, daß es schon große Mühe bereitete, die Leistung des Reaktors von Calder Hall um nur 10 bis 20 Prozent zu erhöhen. Doch eine wichtige Tatsache kommt hier den Wissenschaftlern zu Hilfe: die relative Kurzlebigkeit eines Atomraketenmotors. Während ein Kraftwerksreaktor wie der von Calder Hall schließlich mehrere Jahre vorhalten muß, ist ein Atomraketenmotor, wie wir schon sahen, nur für eine Laufzeit von wenigen Minuten vorgesehen.

„Sobald KIWI Flügel hat - und damit den Namen 'Rover' bekommt - wird das ein Schritt weiter in der Eroberung des Weltraumes sein", sagt Dr. Schreiber.

Schon' denkt man an zweistufige Atomraketen. Sie könnten angeblich jeden Platz in unserem Sonnensystem diesseits des Jupiters erreichen. Geplant ist weiter eine Atomrakete von 250 Tonnen Gewicht. Sie würde damit doppelt so schwer sein wie die heutige Atlas-Rakete. Doch ein Reaktor von 340 Kilogramm Gewicht soll genügen, um sie anzutreiben. Bis damit die ersten Startversuche unternommen werden können, werden allerdings noch mindestens zwei, drei Jahre vergehen - und wenn man sich im Pentagon nicht zu einer zielstrebigeren Planungsarbeit entschließt, vielleicht sogar die dreifache oder eine sogar noch längere Zeitspanne.

Wesentlich fortgeschrittener als das 'Projekt Rover' ist das 'Projekt Pluto', ebenfalls ein mit Atomkraft angetriebener Körper, der jedoch mit Stummelflügeln versehen - dicht über der Erdoberfläche fliegen soll. Damit will man mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen: Pluto soll wegen seiner niedrigen Aktionshöhe für Radargeräte unaufspürbar und wegen seiner großen Geschwindigkeit unverwundbar sein. Der wichtigste Punkt ist jedoch der, daß Plutos Flughöhe im atmosphärischen Bereich ihn zum 'Luftatmer' macht, was wiederum bedeutet, daß dieser Raketenmotor im Gegensatz zum KIWI-Triebwerk eine fast unbegrenzte Lebensdauer hat beziehungsweise haben muß.

Wie der russische Bomber mit Hilfe von Turbinen, so wird Pluto zunächst mit Hilfe chemischer Raketen auf große Geschwindigkeit gebracht. Dann übernimmt der Atommotor, der ähnlich wie ein Staustrahltriebwerk arbeitet, den weiteren Antrieb. Die Luft strömt vorne ein, wird komprimiert, im Reaktor erhitzt und strömt dann als heißes Gas aus. Solange die Uranladung reicht, bleibt auch Pluto in der Luft. Bei dem neuen russischen Bomber zum Beispiel, dessen beide Atomtriebwerke etwa 30 Tonnen Schub erzeugen, ersetzt ein Kilogramm Uran-235 rund 1700 Tonnen Flugbenzin. Man erwartet, daß Pluto vielleicht schon Anfang 1960 sein Debut geben wird.


Kernexploslon als Antriebsmittel

Der jüngste Plan amerikanischer Wissenschaftler besteht jedoch nicht mehr darin, eine Rakete mit Atommotor zu konstruieren, sondern ein Weltraumfahrzeug, das durch regelrechte Atombombenexplosionen vorwärtsgetrieben wird. Der amerikanische Wissenschaftler Dr. Stanislaw Ulam ist der Meinung, daß auf diese Weise ein viel größerer Schub pro Kilogramm Antriebsstoff (also 'pro Kilogramm Bombe') geliefert werden könne, als das mit einem Atomreaktor unter günstigsten Bedingungen möglich sei. Versuche mit einer kleinen auf diese Weise angetriebenen Rakete sollen in Kürze in der Atomstadt Los Alamos beginnen.


aus:
hobby Das Magazin der Technik
Nr. 8 August 1958

Bearbeitet am: 12.07.2005/ad


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