Fissiereactor voor ruimtevaart: kernenergie voorbij de zonnepaneel
Stel je een ruimtestation of maanbasis voor die niet afhankelijk is van zonlicht: geen probleem tijdens een maannacht van veertien dagen, geen probleem in de schaduw van een krater, geen probleem op grote afstand van de zon waar zonlicht te zwak wordt. Dat is wat een fissiereactor voor ruimtevaart mogelijk moet maken: een compacte kerncentrale, klein genoeg om te lanceren, die energie levert door atoomkernen te splitsen in plaats van zonlicht op te vangen.
Het principe is hetzelfde als in een gewone kerncentrale op aarde, maar dan drastisch verkleind en versimpeld. Vergelijk het met het verschil tussen een cv-ketel in een huis en een klein kacheltje in een camper: dezelfde verbrandingslogica, maar toegesneden op een omgeving met weinig ruimte, weinig gewicht en geen onderhoudsmonteur die langskomt. Zulke reactoren worden onderzocht voor stroomvoorziening op de maan en Mars, en voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen zelf.
Wat is het precies?
Fissie is het splitsen van een zware atoomkern, meestal verrijkt uranium, waarbij energie vrijkomt in de vorm van warmte. Dat gebeurt in een kettingreactie: een neutron raakt een uraniumkern, die splitst en stoot op zijn beurt nieuwe neutronen uit die weer andere kernen raken. Door staven van een neutronenabsorberend materiaal (de regelstaven) meer of minder ver in de reactorkern te schuiven, kun je die reactie afremmen of versnellen, en dus het vermogen sturen.
De vrijgekomen warmte moet vervolgens ergens heen. In een reactor voor ruimtevaart gebeurt dat meestal met vloeibaar metaal (zoals een natrium-kaliumlegering) of met warmtepijpen, dunne buizen die warmte razendsnel afvoeren zonder bewegende onderdelen nodig te hebben. Die warmte kan op twee manieren worden gebruikt.
Bij oppervlaktevermogen wordt de warmte omgezet in elektriciteit, bijvoorbeeld met een Stirlingmotor (een zuigermotor die op een warmteverschil draait) gekoppeld aan een generator. Die stroom voedt dan een maanbasis of onderzoeksstation. Bij nucleaire voortstuwing wordt de warmte direct gebruikt om een gas zoals waterstof enorm op te warmen en met hoge snelheid door een straalpijp te blazen, wat stuwkracht oplevert, of om elektriciteit te maken voor ionmotoren die een ruimtevaartuig heel efficiënt, zij het traag, versnellen.
Belangrijk om te onthouden: dit is iets anders dan de radio-isotopengenerator (RTG) die bijvoorbeeld de Mars-rover Curiosity van stroom voorziet. Een RTG bevat geen kettingreactie; die haalt energie uit het natuurlijke, gestage radioactieve verval van plutonium-238. Dat levert veel minder vermogen, maar is eenvoudiger en kent geen risico op een ongecontroleerde reactie.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte is energiedichtheid: een kleine hoeveelheid splijtstof levert enorm veel energie, veel meer per kilogram dan zonnepanelen, batterijen of chemische brandstof. Voor een basis op de maanzuidpool, waar sommige kraterbodems nooit zonlicht zien en de nacht twee weken duurt, is dat een fundamenteel andere propositie dan zonne-energie met batterijopslag.
Voor voortstuwing is het doel vooral reistijd verkorten. Een nucleair-thermische raketmotor heeft een aanzienlijk hogere efficiëntie dan chemische raketmotoren, wat een reis naar Mars mogelijk met weken tot maanden kan inkorten. Kortere reistijden betekenen minder blootstelling van bemanning aan kosmische straling en minder voorraden die moeten worden meegenomen, wat het risico van bemande missies verkleint.
Daarnaast spelen strategische motieven: landen die deze technologie beheersen, verzekeren zich van onafhankelijke energievoorziening op de maan of Mars, zonder concurrentie om de schaarse permanent verlichte plekken die geschikt zijn voor zonnepanelen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste recente experiment is Kilopower, met de testfase KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology). NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie testten in 2018 op de Nevada National Security Site een kleine reactor die enkele kilowatts leverde, als bewijs dat het principe werkt onder omstandigheden die op de maan of Mars lijken.
Daaruit is het project Fission Surface Power voortgekomen. NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie gaven in 2022 aan drie teams, waaronder Lockheed Martin, Westinghouse en het samenwerkingsverband IX (Intuitive Machines met X-energy), opdracht om een concept uit te werken voor een reactor van ongeveer 40 kilowatt die op de maan zou moeten kunnen draaien. Dit betrof ontwerpcontracten; een daadwerkelijke lancering en demonstratie op de maan is voorzien voor de jaren dertig van deze eeuw, al verschuiven zulke data in de ruimtevaart geregeld.
Voor voortstuwing loopt het programma DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), een samenwerking tussen het Amerikaanse defensieonderzoeksbureau DARPA en NASA. Lockheed Martin bouwt het ruimtevaartuig, met een reactorontwerp van BWXT, gericht op een testvlucht met een nucleair-thermische motor. Zulke programma's kennen doorgaans meerdere jaren vertraging ten opzichte van de oorspronkelijke planning, dus concrete vluchtdata moeten met terughoudendheid worden gelezen.
Historisch gezien vloog de Verenigde Staten in 1965 de SNAP-10A, de eerste (en tot nu toe enige Amerikaanse) fissiereactor die daadwerkelijk in een baan om de aarde stroom leverde, tot een elektrisch defect de missie na ruim veertig dagen beëindigde. De Sovjet-Unie ging veel verder met het RORSAT-programma: tientallen radarverkenningssatellieten met kleine BES-5-reactoren, gelanceerd vanaf de jaren zeventig. Een van die satellieten, Kosmos 954, stortte in 1978 neer boven Canada en verspreidde radioactief puin over een groot gebied, een incident dat internationale regels voor nucleaire systemen in de ruimte heeft aangescherpt.
Hoe ver is de techniek?
Het natuurkundige principe is niet nieuw en beproefd: kernsplijting wordt al decennia beheerst op aarde en is, zoals hierboven beschreven, ook al in de ruimte gebruikt. De uitdaging zit in de miniaturisering en betrouwbaarheid: een reactor moet een raketlancering doorstaan, jarenlang onbemand en zonder onderhoud functioneren, passief veilig zijn bij een eventuele mislukte lancering, en dat alles binnen een streng gewichtsbudget.
Op dit moment bevinden de meeste projecten zich in de fase van conceptontwerp en grondtesten, niet in daadwerkelijke ruimtevluchten. KRUSTY heeft laten zien dat een kleine reactor met warmtepijpen en een Stirlingmotor werkt, maar dat is nog geen operationeel systeem dat op de maan staat. Voor nucleaire voortstuwing is nog geen enkele motor daadwerkelijk in de ruimte getest; DRACO moet dat voor het eerst sinds decennia gaan doen.
Belangrijke obstakels zijn, naast de techniek zelf, ook regelgeving en publieke acceptatie: lanceringen met splijtbaar materiaal vereisen strenge veiligheidsprocedures en internationale afstemming, mede vanwege het risico op verspreiding van radioactief materiaal bij een ongeval tijdens lancering. Financiering en politieke prioriteiten spelen minstens zo'n grote rol als de techniek in hoe snel dit veld vordert; tijdlijnen zijn in het verleden herhaaldelijk opgeschoven.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten trekken NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie (met het nationale laboratorium Los Alamos als belangrijke technische partner) de kar voor oppervlaktevermogen, met industriële partners Lockheed Martin, Westinghouse en IX (Intuitive Machines en X-energy). Voor voortstuwing werken DARPA en NASA samen met Lockheed Martin en reactorbouwer BWXT.
Rusland ontwikkelt via de ruimtevaartorganisatie Roscosmos en het staatsbedrijf voor kernenergie Rosatom al langere tijd een nucleaire ruimtesleepboot, bekend onder namen als Zeus of TEM (transport-energiemodule), bedoeld om vracht en later mogelijk bemanning efficiënt door de ruimte te verplaatsen; dit project kampt met herhaalde vertragingen.
China heeft, mede in samenwerking met Rusland in het kader van het geplande International Lunar Research Station, plannen aangekondigd voor een kernreactor in de megawattklasse voor een toekomstige maanbasis, met een tijdlijn die rond het midden van de jaren 2030 wordt genoemd. Ook Europa volgt de ontwikkelingen via het Europees Ruimteagentschap (ESA), vooralsnog vooral in de vorm van studies en internationale samenwerking, zonder een eigen groot vlootproject.