Wenn es gelingt, Raumschiffe per Kernfusion anzutreiben, lassen sich die Reisezeiten zu den Planeten unseres Sonnensystems drastisch verkürzen; und sogar über Missionen zu den Sternen könnte man nachdenken. In der Abbildung sind die flügelförmigen Radiatoren zu sehen, die Überschusswärme abstrahlen. Grafik: Nasa Marshall Space Flight Center

Fusion von Deuterium und Helium-3 liefert Energie von mehreren Hundertmillionen Megajoule pro Kilogramm Brennstoff. Je nach Effizienz des Antriebs könnten damit irgendwann Ausströmgeschwindigkeiten um 5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Wenn leichte Antriebe gebaut werden können und das Verhältnis von Startgewicht zu Leergewicht des Raumschiffs günstig ist, könnte damit als Endgeschwindigleit etwa 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Die Reisezeit zu unserem Nachbarsonnensystem Alpha Centauri (4,4 Lichtjahre) würde dann innerhalb der Spanne eines Menschenlebens liegen.

Prinzip des Fusionsantriebs

Links wird Deuterium (D) und Helium-3 (He3) in die Brennkammer geleitet und dort zum Beispiel durch Mikrowellen auf die Zündtemperatur der Kernfusion aufgeheizt. Das extrem heiße Plasma wird durch das Magnetfeld des zylinderförmigen Spulensystems eingeschlossen. Einer der magnetischen Spiegel ist teildurchlässig, so dass ein Teil des Plasmas ständig als Antriebsstrahl entweichen kann. Ein Problem sind die schweren Magnetspulen. Daher wird besonders nach Fusionstechniken gesucht, die mit leichten Spulen auskommen.

Schub

Die Ausström- geschwindigkeiten chemischer Raketenantriebe liegen im Bereich von wenigen km/s. Für Fusionsantriebe werden zurzeit Ausströmgeschwindigkeiten im Bereich von bis zu 1.000 km/s als möglich angesehen bei einem Schub-Gewicht-Verhältnis des Antriebs von etwa 1 zu 1000. (Ein noch wirksamerer Fusionsantrieb wäre mit den heutigen Fusionstechniken auch schwerer.) Mit jedem Gramm Fusionstreibstoff, das pro Sekunde die Antriebsdüse verlässt, würde damit der Schub von 1.000 Newton erzeugt. Zum Vergleich: Um den Schub von etwa 5x7.000.000 Newton zu erzeugen, musste die erste Stufe der Trägerrakete Saturn V, der größten und stärksten bisher von Menschen gebaute Maschine, pro Sekunde etwa 13.400 Kilogramm Treibstoffmasse ausstoßen. Ein Fusionsantrieb könnte den gleichen Schub mit 35 Kilogramm pro Sekunde erzielen.

Die Fusion der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ist am einfachsten zu erzielen und wird gegenwärtig in Forschungsreaktoren untersucht. Ihr Nachteil ist, dass dabei Neutronen erzeugt werden. Sie sind elektrisch neutral, können daher nicht im Magnetfeld eingeschlossen werden und bombardieren die Wände der Plasmakammer, wodurch sie nach und nach beschädigt und radioaktiv werden. Das Tritium muss außerdem aus Lithium durch Neutronenbeschuss erzeugt werden. Denn es ist kurzlebig radioaktiv ist und kommt daher in der Natur kaum vor.

Die Fusion von Deuterium (D) und Helium-3 (He3) hat diese Nachteile weitgehend nicht. Einige Neutronen werden trotzdem durch nebenher stattfindende D-D-Fusionen erzeugt. Deuterium und Helium-3 verschmelzen etwas schwieriger als Deuterium und Tritium; der Wirkungsquerschnitt der D-He3-Fusion ist etwa 1/10 des Wirkungsquerschnitts der D-T-Fusion. Und: Helium-3 kommt in und auf unserem Planeten praktisch nicht vor, aber: beispielsweise auf dem Mond. Dort wird es vom Sonnenwind abgelagert und kann prinzipiell abgebaut werden.

Der mögliche Aufbau des Fusionsantriebes besteht aus einem großen zylinderförmigen Spulensystem, in der das Plasma magnetisch eingeschlossen wird. Da es eine Temperatur im Bereich von 100 Millionen °C besitzt, darf es mit materiellen Wänden nicht in Berührung kommen. Das Plasma kann beispielsweise durch magnetische Kompression oder Mikrowellenstrahlung auf die Zündtemperatur der Kernfusion aufgeheizt werde. An den Enden des Spulensystems sind weitere Spulen angebracht, die als magnetische Spiegel das Plasma in den Innenraum reflektieren. Der eine Spiegel ist jedoch teildurchlässig, so dass ständig ein Teil des Plasmas als Antriebsstrahl entweichen kann.

Ein weiterer Ansatz geht von dem reifenförmigen Tokamak-Reaktor aus, der eine Öffnung für den Antriebsstrahl besitzt.

Ausströmgeschwindigkeit

Überschlagsrechnung: Bei der Fusion von z. B. Deuterium und Helium-3 wird die Energie 18,3 MeV = 2,9x10^-12 J frei (1 Joule = 1 Wattsekunde). Sie verleiht den Reaktionsprodukten, 1 Helium-4 + 1 Proton, eine gewisse Geschwindigkeit v. Die Gesamtmasse M der Reaktionsprodukte beträgt etwa 8x10^-27 kg. Setzen wir die kinetische Energie ½Mv² gleich der freiwerdenden Energie, folgt v = 27000 km/s. D. h., theoretisch beträgt die Ausströmgeschwindigkeit des Antriebsstrahls etwa 9% der Lichtgeschwindigkeit. Wann das praktisch erreicht wird, bleibt abzuwarten.

Wir rechnen hier für die Ausströmgeschwindigkeit mit optimistischen 5% Lichtgeschwindigkeit und nehmen an, dass irgendwann der Erfindungsreichtum des Menschen für solch einen Antrieb schwere Magnetspulen überflüssig macht.

Endgeschwindigkeit

Die Endgeschwindigkeit, die das Raumschiff erreichen kann, hängt ab von der Ausströmgeschwindigkeit des Treibstoffs (hier die Reaktionsprodukte) und vom Verhältnis seiner Massen bei Triebwerkszündung und Brennschluss (Massenverhältnis) (siehe auch Die Raketengrundgleichung). Zumindest prinzipiell sollten daher 10% Lichtgeschwindigkeit mit Fusionsantrieb erreichbar sein.

Fusionsantrieb im Experiment

Bei der Nasa wird theoretisch und experimentell die Machbarkeit des Antriebsprinzips untersucht. Das Experiment des gasdynamischen Spiegels beispielsweise besteht aus einer langen, schlanken Spulenanordnung, die die Vakuumkammer mit dem Plasma umgibt. Es soll herausgefunden werden, wie sich das Plasma im Betrieb verhält und wie es stabil gehalten werden kann. Das Foto zeigt einen Ingenieur des Nasa Marshall Space Flight Center, der eine ringförmige Magnetspule begutachtet. Foto: Nasa Marshall Space Flight Center

Weil's Spaß macht: eine interstellare Mission mit Fusionsantrieb