Aandrijving van ruimtesondes, satellieten en rovers

Al sinds de jaren ‘60 stuurt de NASA sondes en rovers in de ruimte op basis van nucleaire technologie. Ontdek meer over de verschillende nucleaire toepassingen aan boord van een ruimtemissie.

Kernenergie als betrouwbare oplossing in de ruimtevaart

Een ruimtereis is geen kleine trip. De gebruikelijke chemische brandstoffen volstaan dus ook niet als aandrijving van een ruimteschip of energiebron aan boord. Ze zijn te zwaar en je moet er te veel van meenemen voor een complete ruimtemissie. Daarom zijn er maar twee betrouwbare energiebronnen in de ruimte: zonnepanelen en kernenergie. Voor verre trips, naar Mars bijvoorbeeld, kom je buiten het bereik van zonne-energie. En dan levert de nucleaire technologie een betrouwbare oplossing.

Voor de maankolonie werd al een ideale locatie gekozen: een krater waarin zich ijskristallen bevinden, die de astronauten van drinkbaar water kunnen voorzien. Het nadeel van de kraters op de maan is dat de zon er nooit schijnt. Het is er extreem koud (100 graden Celsius onder nul) en volledig donker. Zonnepanelen, die hun nut in ruimtevaart al ruimschoots hebben bewezen, zijn op die plek onbruikbaar om stroom en warmte op te wekken, en daarom denkt NASA aan kernenergie.

Betrouwbare elektriciteit is essentieel, omdat alle technologie en communicatie met de aarde enkel mogelijk is als er een permanente elektriciteitsbron aanwezig is, die veilig en autonoom kan functioneren in de gure omstandigheden van de maan.

Die energiebron is nodig om de ruimtebasis van warmte en elektriciteit te voorzien, maar ook voor de toevoer van zuurstof, het functioneren van de apparatuur en communicatiemiddelen, en als brandstof voor het ruimteveer. Kernenergie lijkt hiervoor de geknipte energiebron.

Kernenergie als propulsietechnologie in nieuwe raketmotor

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA gaat samenwerken met DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) om een nieuwe raketmotor te testen, die wordt aangedreven door kernenergie. Op termijn wil NASA met de nucleaire raketmotor bemande reizen naar Mars mogelijk maken. Al vanaf 2027 wil NASA deze geavanceerde propulsietechnologie uittesten. Dat moet het mogelijk maken om astronauten sneller dan ooit op afgelegen plekken in de ruimte (deep space) te krijgen - een belangrijke voorwaarde om bemande missies naar Mars voor te bereiden.

Op ruimtemissie met radioactieve generatoren

Ruimtemissies maken gebruik van radioactieve generatoren of RTG's: Radioisotope Thermoelectric Generators. Dat zijn generatoren die draaien op de hitte die vrijkomt bij het verval van radioactieve materialen. Die materialen bestaan uit radioactieve elementen of isotopen die niet stabiel zijn en hun overschot aan energie uitzenden via straling. Uit de warmte van de straling komt elektriciteit voort. Voor ruimtevaartmissies wordt vooral plutonium het meest gebruikt, als radioactieve isotoop.

Bewezen energiesysteem

NASA maakt al tientallen jaren gebruik van vergelijkbare energiesystemen, waaronder de Apollo-missies naar de maan, de Vikingmissies naar Mars en voor ruimtevaartuigen die naar de buitenplaneten en Pluto vlogen, waaronder de Pioneer-, Voyager-, Ulysses-, Galileo-, Cassini- en New Horizons-missies.

Radio-isotopensystemen bieden unieke voordelen ten opzichte van andere energiebronnen, omdat ze een stabiele energiebron vormen in donkere delen van het zonnestelsel of op locaties waar er veel stof is. RTG heeft een bewezen staat van dienst als het gaat om het overstijgen van de geplande levensduur voor een missie. Een goed voorbeeld zijn de vorige Marsrovers - Spirit, Opportunity en Curiosity. Spirit en Opportunity maakten gebruik van radio-isotopenverwarmingseenheden, met een levensduur van respectievelijk 7 en 14 jaar, aanzienlijk langer dan de voorziene 3 maanden van de missie. Curiosity wordt gevoed met een RTG en gaat nog steeds mee na meer dan 10 jaar. Dat is veel langer dan de voorziene missieduur. De twee langst werkende missies met een radio-isotopensysteem zijn Voyager I en II, die meer dan 45 jaar later nog steeds in werking zijn.

Ook de elektrische aandrijving van de meest recente Perseverance Mars Rover, gebeurt via deze nucleaire technologie.

Wandelen op de maan, dromen van Mars

De interesse van NASA in kernenergie kadert in de ambitieuze plannen van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie. In 2024 wil NASA opnieuw mensen (waaronder de eerste vrouwelijke astronaut) naar de maan sturen, om er een permanent bewoonde kolonie te stichten. De learnings van die missie zullen goed helpen om op termijn die andere grote droom te verwezenlijken: een door mensen bewoonde kolonie op Mars. Dankzij kernenergie wordt dat mogelijk.

De interesse van NASA in kerntechnologie is niet nieuw. Al sinds de jaren ‘60 stuurt de NASA sondes en rovers in de ruimte op basis van nucleaire technologie. Toen gebeurde dat met plutonium-238. Wat nieuw is, is dat NASA nu ook atoomsplitsing zal toepassen (uranium-235). Het gaat om een compacte kern, even groot als een blikje frisdrank en 28 kilo zwaar, waarmee 10 kilowatt elektriciteit kan worden opgewekt. Om een permanente basis op Mars uit te bouwen, zijn er ‘slechts’ 4 van deze minireactoren nodig.

NASA kernreactor

Hoofdrol voor het Belgische SCK CEN

In België staan de onderzoekers en ingenieurs van het SCK CEN te popelen om deze uitdaging aan te gaan. Dit centrum speelt samen met andere onderzoeksinstellingen, universiteiten en Belgische ondernemers een hoofdrol bij het onderzoek dat de dromen van de mens in de ruimte werkelijkheid moet helpen worden.

Het SCK CEN levert een belangrijke bijdrage aan een aantal onderzoeksprogramma’s op het vlak van de radiobiologie. Zo worden de gevolgen onderzocht van straling in de ruimte op levende wezens, zoals astronauten. Het is heel belangrijk dat die straling op efficiënte wijze kan gemeten worden. Zo kan men astronauten voldoende bescherming bieden bij langdurige ruimtemissies, zoals missies naar de maan en Mars. Een ander onontbeerlijk systeem bij langdurige ruimtemissies is een 'gesloten kringloop voor life support', dat beroep doet op regeneratie. Een dergelijk systeem zorgt voor de recyclage van lucht, water en afvalstoffen om drinkbaar water en voedsel te produceren.

The story continues...

Het onderzoek staat niet stil, the story continues. Twee dingen zijn zeker: op een dag gaan we naar Mars (en verder), en nucleaire technologie zal meereizen. Fasten your seatbelt!