Er atomkraft nøglen til rumfartens fremtid?
Det kan blive umuligt for menneskeheden at udforske det ydre solsystem uden atomdrevne rumskibe.
Stubberne Atomkraft NASA Rumfart

Tegning af et muligt atomdrevet rumskib. Til venstre kan man se atommoteren med to dyser anbragt så langt som muligt fra den hvide mandskabskabine, der ligger til højre. Et lille rumskib er også koblet til kabinen. I højre hjørne ses Videnskab.dk's faste rumskribenter, Helle og Henrik Stub. (Illustration: NASA).

Tegning af et muligt atomdrevet rumskib. Til venstre kan man se atommoteren med to dyser anbragt så langt som muligt fra den hvide mandskabskabine, der ligger til højre. Et lille rumskib er også koblet til kabinen. I højre hjørne ses Videnskab.dk's faste rumskribenter, Helle og Henrik Stub. (Illustration: NASA).

Da rumalderen begyndte, talte man meget om, at fremtidens raketter og rumskibe ville anvende atomkraft.

Det var klart, at raketter med kemisk brændstof slet ikke kunne flyve hurtigt nok til at nå det ydre solsystem på en rimelig tid, og at vi derfor uden atomkraft ville være bundet til det indre solsystem, og især vores naboplaneter Mars og Venus.

Taler vi om bemandet rumflyvning var det stort set en korrekt analyse. Desuden havde man slet ikke overvejet de store tekniske, sikkerhedsmæssige og ikke mindst politiske problemer, der er forbundet med at anvende atomkraft i rumfarten.

Men det er måske ved at ændre sig. Således er NASA begyndt at se på den rolle, som brugen af atomkraft kan betyde for rumfartens fremtid. 

Og her taler man ikke bare om de små plutoniumgeneratorer, som rumsonder anvender i dag, men om atomreaktorer og atomdrevne rumskibe.

Men lad os først se på situationen i dag, hvor atomkraft alene bruges til produktion af elektrisk energi.

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Nutiden: Rumsonden New Horizons har mistet kræfter

Rumsonden New Horizons er på vej bort fra Solsystemet og er nu mere end syv milliarder km fra Solen.

Der er ensomt herude, hvor Solen kun er en klar stjerne, og hvor det tager et radiosignal næsten syv timer at komme fra rumsonden og ned til Jorden.

Den fjerne sol giver kun lys, men ikke varme, så man skal passe på, at instrumenterne ikke fryser. Den opgave klares af en lille plutonium-generator, hvor varmen fra det radioaktive henfald af plutonium omdannes til elektricitet.

Men der er gået 15 år, siden rumsonden blev opsendt, og den effekt, generatoren nu kan levere, er kommet ned under 190 Watt. Til sammenligning har en almindelig kogeplade en effekt på over 1.000 Watt (1 kW)

Det er bestemt ikke meget at lune sig ved, og desuden skal noget af denne meget sparsomme effekt bruges til radiosenderen. Der er kun 12 W tilovers til radiosenderen, og det betyder, at data kun kan sendes ganske langsomt med 1.000 bit/sekund.

Stubberne Atomkraft NASA Rumfart

Rumsonden New Horizons. Den grå cylinder, der stikker ud til den ene side, er plutonium-generatoren. På grund af den varme, som produceres, er cylinderen udstyret med små kølefinner. (Foto: NASA).

For to år siden fløj New Horizons forbi den lille isklode Arrokoth, og der blev indsamlet mange gigabit af data. Den meget langsomme overførsel af data har betydet, at det har taget over et år at få alle de indsamlede data tilbage til Jorden.

I de lange måneder, hvor data langsomt kom dyppende ned til de store antenner på Jorden, har teknikerne nok tænkt på, hvordan det havde været med en ægte atomreaktor, som ikke bare producerer nogle få hundrede watt, men måske 40 kW eller endnu mere (1 kW er lig med 1.000 watt).

Svaret er simpelt: Man kunne både have indsamlet og overført langt flere data. I stedet for sølle 1 kb/s kunne man komme op på 100 kb/s eller endnu mere.

Den langsomme dataoverførsel er et problem for næsten alle de rumsonder, vi har sendt langt ud i Solsystemet, hvor sollyset er for svagt til solcelIer. 

I virkeligheden har næsten alle rumsonder til det ydre solsystem været hæmmet af en meget begrænset energi til instrumenter og radiosender.

Rumfarten har et stort behov for atomkraft

Der er rigtig mange steder, hvor rumfarten har brug for en atomreaktor, der kan levere mindst 40 kW, og helst endnu mere. For at tage et par eksempler:

På Månen varer natten to uger, og temperaturen synker til -180 grader. For en base vil det kræve meget energi til både at varme basen op og samtidig sørge for lidt kunstigt sollys til drivhusene med alle mulige forskellige planter til at supplere fødevarerne.

Nær Månens sydpol er der enkelte bjerge, som altid ligger i sollys. Her kan man naturligvis anbringe et solcelleanlæg, men det kan meget let betyde, at der skal trækkes lange kabler fra bjergtoppen til basen. Og de allerfleste steder på Månen har man slet ikke denne mulighed.

På Mars synker temperaturen om natten til -100 grader, en del koldere end på Sydpolen her på Jorden. Samtidig gør støvstorme det vanskeligt at anvende solceller.

Scott-Amundsen-basen på Sydpolen kan klare sig med jetbrændstof, som kan flyves ind, men den mulighed har man ikke på Mars. 

Med kraftige radaranlæg vil vi kunne kortlægge overfladen af Saturns måne Titan langt bedre og meget mere detaljeret, end rumsonden Cassini har kunnet gøre. Overfladen på Titan er nemlig altid skjult for os af et tæt orange skylag, som kun radar kan gennemtrænge.

Men det helt store behov er hurtige rumskibe, der kan bringe de lange rumrejser ned til en varighed, som vi mennesker også kan klare. Over et halvt år til Mars er længe for os mennesker, og de mange år lange rejser til det ydre solsystem kan vi slet ikke klare – alene strålingen fra rummet er et stort problem.

Raketter drevet med atomkraft er hurtigere end de kemiske raketter vi anvender i dag. Det skulle ikke være umuligt at halvere rejsetiden til Mars, så den kommer ned på 3-4 måneder. De store ydre planeter som Jupiter og Saturn er dog så langt borte, at vi selv med atomdrevne raketter stadig taler om rejsetider på flere år.

Vi må nok indstille os på, at bemandede rejser til de store planeter Jupiter og Saturn tilhører en fjern fremtid, selv om der ellers er mange spændende måner at udforske.

Begyndelsen: Rumfartens brug af atomkraft

Vi har i meget begrænset omfang brugt atomkraft i rumfarten i rigtig mange år, men det har alene været til at levere elektricitet til instrumenterne.

Den første satellit, som anvendte atomkraft blev opsendt allerede i 1961 af den amerikanske flåde. Det var en navigationssatellit, som fik bare 2,4 Watt fra en generator, der omdannede varmen fra det radioaktive henfald af plutonium-238 til elektricitet.

Stubberne Atomkraft NASA Rumfart

Plutonium gløder fordi det udvikler varme på grund af radioaktivt henfald. Det radioaktive Plutonium er indkapslet i en skal af grafit. (Foto: U.S. Department of Energy).

Tre år senere, i 1964, skete det første uheld. Opsendelsen gik galt, og generatoren brændte op over Madagaskar.

Man kunne senere spore Plutonium-238 i området, men kun i små mængder. Det førte dog til en beslutning om, at fremtidens generatorer skulle indkapsles, så de ikke ville brænde op i atmosfæren i tilfælde af uheld.

Andre satellitter fulgte efter, men rigtig kendt blev disse generatorer først under Apollo. Her leverede de strøm til de såkaldte ALSEP-laboratorier, som astronauterne efterlod på Månen.

Her var atomkraft i høj grad nødvendig, for at instrumenterne kunne overleve to uger i den iskolde og mørke månenat, hvor man jo slet ikke kan anvende solbatterier.

En af disse generatorer var med Apollo 13. Den kom aldrig til at lande på Månen på grund af en eksplosion på vej mod Månen, og generatoren endte sine dage på bunden af Stillehavet.

Det mest kendte – og mest berygtede – eksempel er russernes anvendelse af atomkraft til at levere energi til radaranlæg på de satellitter, som under den kolde krig blev opsendt for at holde øje med den amerikanske flådes bevægelser.

Her kunne man ikke klare sig med den beskedne varme fra det radioaktive henfald. Det var nødvendigt at bygge en ægte fissionsreaktor baseret på spaltning af Uran. En sådan reaktor kan nemlig levere flere kilowatt.

For bedre at kunne spore skibene fløj disse satellitter i lav højde på under 300 km, men planen var at sende den stærkt radioaktive atomreaktor op i en høj bane 1.000 km over Jorden ved afslutning af flyvningen, for at den ikke skulle falde ned på Jorden.

Men det gik galt med Kosmos 954, som blev opsendt i 1977. Her blev atomreaktoren ikke frigjort, og den endte i Canada, heldigvis i et øde område.

Et amerikansk-canadisk hold fandt 12 dele af satellitten, hvoraf de 10 var radioaktive. Det endte med, at russere betalte 3 millioner dollar for udgifterne ved at fjerne resterne.

Senere gik det også galt for Kosmos 1402, der dog endte i havet.

Det russiske program omfattede ikke mindre end 33 opsendelser, med det resultat at der stadig kredser adskillige radioaktive reaktorer rundt om Jorden i en højde på 1.000 km. Når de endelig falder ned, håber man, at det meste af radioaktiviteten er dampet af.

Stubberne Atomkraft NASA Rumfart

Astronauten Charles Conrad fjerner med hånden (!) en cylinder med plutonium fra landingsfartøjet på Apollo 12 i 1969. Den leverer strøm til de videnskabelige instrumenter, som blev efterladt på Månen. Det er dog ikke så farligt som det lyder, da plutonium kun udsender alfa-stråling, som kan bremses af selv et tyndt lag materiale. (Foto: NASA)

Endelig skal nævnes det amerikanske NERVA-projekt, hvor man i 1960'erne søgte at udvikle en atomdrevet raketmotor, der dog aldrig nåede længere end en afprøvning ude i Nevadas ørken.

Ideen var den simple at føre flydende brint gennem en atomreaktor, som så ville opvarme brinten til så høje temperaturer, at den ville forlade raketdysen med en fart på ikke mindre end 9 km/s, hvilket er det dobbelte af, hvad selv de bedste kemiske brændstoffer kan levere.

Det har stor betydning, for det øger den hastighed, en raket kan opnå. I teorien skulle en atomdrevet raket derfor kunne opnå den dobbelte hastighed i forhold til en kemisk raket.

I praksis kan man dog ikke direkte sammenligne de to typer raketter, fordi en atomdreven raket har en forholdsvis tung atomreaktor, som også skal accelereres, og det nedsætter sluthastigheden.

NASA havde dengang en plan om at montere en NERVA-raket på toppen af en Saturn 5-raket og på den måde sende astronauter til Mars allerede i 1980'erne.

Denne plan blev dog hurtigt opgivet, og dermed bortfaldt også behovet for NERVA, der endeligt blev opgivet i 1973 – men som nu måske er på vej til at blive genoplivet. 

Atomkraften vinder frem

Efter mange år på sidelinjen ser det nu ud til, at atomkraften for alvor er ved at komme ind i rumfarten igen, og det skyldes et direktiv for NASA, som skal sætte gang i helt nye initiativer indenfor anvendelsen af atomkraft.

Direktivet har fået det fornemme navn Strategy for Space Nuclear Power and Propulsion, normalt bare forkortet til SNPP. Det er værd at bemærke, at man nu også taler om Propulsion, hvilket er et forsøg på at genoplive en moderne udgave af den gamle NERVA-raket.

SNPP omfatter fire områder:

1) Videreudvikle de velkendte generatorer, hvor man direkte anvender varmen fra radioaktivt henfald til at producere elektricitet.

2) Udvikle helt nye atomreaktorer til brug i rummet. De skal kunne levere en effekt på mindst 40 kW og skal bruges til at understøtte bygningen af mindre baser på Månen og Mars. Her ser der ud til at være ny teknologi undervejs. Man har i nogle år arbejdet på den såkaldte kilopower-reaktor, der er en lille reaktor, som kan producere 10 kW. Det er ikke meget, men flere kan kobles sammen. Det vigtige er, at reaktorerne er små nok til at kunne sendes ud i rummet.

3) Udvikle teknologi til en atomdrevet raket.  Her vil man anvende erfaringerne fra det gamle NERVA-projekt, dog med den ændring, at man i stedet for højt beriget Uran i reaktoren kun anvender Uran beriget til 20 procent, så det ikke kan anvendes til atomvåben. Uranet skal indkapsles i Zirkonium-Carbid, der selv ved de meget høje temperaturer i reaktoren kan sikre, at Uranet ikke blandes med brinten. 

4) Sikre produktion af de nødvendige materialer til at anvende kernekraft. Det kan være produktion af Plutonium-238 eller højt beriget Uran. NASA har kun 17 kg Plutonium-238, men søger nu at øge produktionen til 1,5 kg pr. år i 2023. Det sker på Oak Ridge-laboratoriet, hvor Neptunium omdannes til Plutonium – en ganske vanskelig proces. Cassini-rumsonden til Saturn brugte 33 kg, og den mindre rumsonde New Horizons 11 kg Plutonium til deres generatorer, så et lager på kun 17 kg Plutonium er alt for lille til det behov, man kan forudse.

Der er dog tale om et langsigtet program, som nok først vil få en afgørende betydning for rumfarten om måske 10 år. Men da det tager tid at udvikle nye systemer, så er det godt med lidt rettidig omhu.

Stubberne Atomkraft NASA Rumfart

Tegningen forestiller en base på Mars, som får strøm fra en kilopower-reaktor. (Foto: LANL/NASA).

Strålingsfaren er et stort problem i rummet

Naturligvis bliver en aktiv atomreaktor radioaktiv, men det skulle være muligt både at afskærme reaktoren og anbringe den så langt fra mandskabskabinen, at astronauter ikke vil blive udsat for stråling i et farligt omfang – også selv om de jo er tvunget til at have reaktoren som nabo i mange måneder.

Stråling er i det hele taget et stort problem ude i rummet, men beregninger viser, at ved at halvere rejsetiden til Mars fra otte til fire måneder, så nedsættes den samlede strålingsdosis for besætningen, simpelthen fordi de udsættes i kortere tid for den farlige kosmiske stråling.

Desuden er der andre fordele ved en kort rejsetid, nemlig et kortere ophold i den vægtløse tilstand, som svækker muskler og knogler og kan give synsproblemer – et problem som man først er blevet opmærksom på i de senere år.

Men atomkraft eller ej: En Marsrejse øger sandsynligheden for at få kræft. En Marsrejse skal naturligvis planlægges så denne sandsynlighed bliver så lille som mulig.

Rumfartens fremtid

Det er nærliggende at prøve at se længere ud i fremtiden, og hermed mener vi i første omgang frem mod år 2100.

Men når man forsøger at spå om rumfarten, er det værd at huske på, at rumfart ikke alene afhænger af den teknik, vi kan udvikle, men også af det behov, vi kan se for rumfarten, det være sig politisk, økonomisk eller militært.

Ren videnskabelig nysgerrighed vil næppe i en overskuelig fremtid være nok til at danne grundlaget for et omfattende rumprogram, især ikke et program, hvor bemandede flyvninger er en central del.

Men ser vi alene på teknikken, så har vi her og nu, hvad man kunne kalde en første generations rumflyvning.

Første generation er beskrevet ved:

  • Brug af kemiske raketter. Rejsetid til Mars 7-8 måneder.
  • Rumstationer.
  • Månerejser og med noget besvær rejser til Mars.
  • En udforskning af solsystemet baseret på rumsonder

Anden generation er beskrevet ved:

  • Brug af atomdrevne raketter. Rejsetid til Mars 3-4 måneder.
  • En mulig bemandet udforskning af asteroidebæltet og Jupiters måner
  • Mulighed for at bygge større baser på Månen og Mars

Tredje generation er beskrevet ved:

  • De første raketter drevet af fusion, og hvor Helium-3 bliver et meget centralt brændstof. 
  • Fusionsdrevne raketter kan opnå en så stor fart, at bemandede rejser til Saturn, Uranus, Neptun og iskloderne i Kuiperbæltet bliver mulige.
  • Udvikling af lukkede biologiske systemer, der vil muliggøre mere permanente baser, måske endda på en så fjern klode som Saturns store måne Titan.

Men her er vi kommet så langt ud i fremtiden, at det afgørende ikke bare er de tekniske muligheder, men især hvad samfundet ønsker og har brug for.

Bare tænk på de kommende årtiers klimaændringer, der kan føre til samfund med helt andre prioriteter end dem, vi har i dag. Så her slutter vi.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs her om påfugleedderkoppen, der er opkaldt efter fisken Nemo.