1. Helium 3 - Mythos oder Chance?

Der Raumfahrt ist seit langer Zeit die große gesellschaftliche Schubkraft abhanden gekommen. Der Elan, mit dem zwischen 1957 und ca. 1970 an den Aufbruch ins All herangegangen worden ist, kann einen heute nur neidisch machen. Deshalb sind seit langer Zeit immer wieder mal Ideen in Umlauf gebracht worden, wie man der Raumfahrt einen ökonomischen Kick verpassen könnte. Nicht alles davon hält einer kritischen Überprüfung stand.

So gab es vor 15 Jahren eine kurze Palladium - Euphorie, weil die kalte Fusion durch die Medien geisterte, ein Verfahren, das riesige Mengen des sehr seltenen Metalls Palladium benötigt hätte. Da träumten manche schon von einem Palladiumrush auf den Asteroiden, aber um die kalte Fusion ist es still geworden. Mit der heißen Kernfusion sieht es etwas besser aus.

Man sollte sie noch nicht abschreiben, denn immerhin haben die Forschungslabors das Verhältnis von eingesetzter Energie zu freigesetzter Energie in den letzten vier Jahrzehnten um den Faktor 1 Milliarde verbessert! Das Fusionsprodukt (Temperatur x Einschlußzeit pro Kubikmeter) wurde in den letzten 40 Jahren um den Faktor 25 000 erhöht. Derzeit liegt es nur noch um den Faktor fünf unter dem Zielwert für ein kommerzielles Kraftwerk!

Immer wieder wird bei der Diskussion über die Nutzung von außerirdischen Energie- oder Rohstoffquellen auf das Heliumisotop 3He verwiesen. Bei diesem Isotop handelt es sich um ein Heliumatom, das aus zwei Protonen und nur einem Neutron besteht.

Es bildet sich in geringen Mengen im Fusionsprozess der Sterne. Normalerweise entsteht dort bei der Wasserstoffverschmelzung 4 Helium, also ein Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Auf der Erde kommt 3Helium nur in geringen Mengen vor und zwar auschließlich in sehr tief liegenden, uralten Wässern der Erdkruste. Dies ist bedauerlich, weil bei der Verschmelzung von Deuterium (d.h. schwerer Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron) mit 3 Helium viel weniger Neutronen als sonst frei werden, der Fusionsprozess also (fast) sauber ist.

Die "normale" Fusion, an der die Wissenschaftler seit 45 Jahren herumforschen (nicht ganz so erfolglos, wie es manchmal dargestellt wird), soll mit Deuterium und Tritium (ein Proton + zwei Neutronen) erfolgen. Tritium ist sehr giftig und die dabei auftretende Neutronenemission stellt ein großes Problem dar. Außerdem wird es aus Lithium hergestellt und Lithium ist so leicht entzündbar, daß es nicht nur mit Luft und Wasser spontan regiert, sondern sogar mit Beton. Andererseits, die Fusion von zwei Deuteriumatomen zu einem Heliumatom, setzt zwar keine Neutronen frei, liefert aber nur wenig Energie. Die Fusion von einem Wasserstoff und einem Bor zu drei Helium setzt zwar ebenfalls keine Neutronen frei, ist jedoch sehr schwer zu zünden.

Wenn nun doch irgendwann der "Zündpunkt" erreicht wird und eine Kernfusion mit Tritium im Labor gelingt, dann hat man wieder ein Umweltproblem am Hals, wenn auch ein objektiv geringeres als bei der Kernspaltung. Deshalb die Idee von einigen pfiffigen Leuten, mit Hilfe der Raumfahrt, Helium- 3 zur Erde zu schaffen, weil dann die Raumfahrt ein sich selbst finanzierender, riesiger Wirtschaftszweig wird.

 

Wo im Sonnensystem gibt nun es diesen Stoff?

Überall dort, wo Sonnenwind auf ungeschützte Gesteine trifft entsteht er, aber vor allem gibt es ihn in den heliumhaltigen Gashüllen der äußeren Planeten (dort schon seit Entstehung des Sonnensystems). Die Nutzung der Helium-3 Vorräte in den Gashüllen der äußeren Planeten ist mit großen Problemen behaftet. Prinzipiell ist es möglich, ballongestützte Gasminen in der mittleren Atmosphäre des Uranus zu plazieren, also etwa im Druckbereich zwischen 1 bar und 4 bar. Die Gewinnung und der Rücktransport des flüssigen Heliumisotopes zur Erde sind technisch machbar und angeblich extrem gewinnträchtig, zumindest dann, wenn der häufig genannte Preis von 16 Millionen Dollar pro kg realistisch wäre. Dieser Preis ist jedoch ausgesprochen unrealistisch.

Denn nur wenn Helium-3 viel billiger angeboten wird, (z.B. weit unter 1 Million Dollar pro kg) wird sich ein großer Käufermarkt finden und nur dann kann dieser Rohstoff seine segensreichen Wirkungen in der Energieerzeugung und in der "schnellen Raumfahrt" voll entfalten.

Der o.g. Preis von 16 Millionen Dollar wurde in der einschlägigen Literatur verschiedentlich angegeben, mit der irrigen Begründung, daß dies ja der Marktwert derjenigen Strommenge sei, die mit ein Kilogramm 3He erzeugt werden kann. Man kann zwar durch die Fusion von einem Kilogramm 3He mit einer entsprechenden Menge von LiD (Lithiumdeuterid) eine Energiemenge erzeugen, die tatsächlich einer Strommenge im Wert von 16 Mill. Dollar entspricht. Aber daraus folgt doch nicht, daß dies dann der Wert eines Kilogramms 3He sei.
Denn es handelt sich ja nur um einen Ersatzstoff für Tritium, mit dem eine Kernfusion zwar ein relativ "schmutzige" Angelegenheit wird, welches aber Brenntemperaturen erlaubt, die einige hundert Millionen Grad unterhalb der Fusionstemperatur des 3He liegen.

Der Einsatz von Helium- 3 verteuert und verkompliziert eine Kernfusion demnach, es wäre viel einfacher, Tritium zu verwenden, das auf der Erde zwar ziemlich aufwendig, aber zu einem viel geringeren Preis erzeugt, bzw. "erbrütet" werden kann.

Das Einzige, was 3He seine exklusive Vorrangstellung verleiht, ist das weitgehende Fehlen von Neutronenemissionen.

Der Brennprozess verläuft also relativ "sauber", die sonst fälligen Abschirmvorrichtungen gegen die hochenergetischen Neutronen können entfallen und es entfällt auch das Entsorgungsproblem der extrem radioaktiven Schutzschilde nach Ablauf der Betriebszeit des Kraftwerkes. Somit wird die Entscheidung, Fusion mit 3He zu betreiben, zu einer rein politischen Frage.

Nur wenn die Menschen sich dafür entscheiden, die viel höheren Stromerzeugungskosten in Kauf zu nehmen und wenn das Problem der Entsorgung der, bei der Tritiumfusion verstrahlten, Reaktorabschirmungen tatsächlich unlösbare Probleme aufweist (was ich bezweifle), hat dieses Isotop eine Zukunft. Und dann muß mit dem o.g. Betrag von 16 Mill Dollar (oder einem anderen Betrag) natürlich auch noch alles andere bezahlt werden (Fusionsreaktor mit allen Hilfseinrichtungen, Personal, Versicherungen, Deuteriumproduktion, Forschung etc.). Das Helium-3 darf und kann also nur einen kleinen Teil der Gesamtkosten der Fusionsstromerzeugung ausmachen.

 

 

2. Wie läßt sich Helium-3 gewinnen?

Am naheliegendsten ist es, dieses Isotop aus dem Mondstaub, dem Regolith, zu extrahieren. Dorthinein ist es mit dem Sonnenwind gelangt und hat sich über Jahrmilliarden angereichert.

Angereichert ist natürlich ein lustiger Ausdruck, wenn es sich dabei nur um 0.01g pro Tonne Mondstaub handelt. Es muß also eine ganze Menge Regolith im Tagebau gewonnen und in Solarschmelzöfen "ausgekocht" werden, um zwei oder drei Tonnen pro Jahr gewinnen zu können (eine Menge mit der genug Fusionsstrom erzeugt werden könnte, um ein mittelgroßes europäisches Land wie Italien zu versorgen). Da das Restmaterial des Regoliths (immerhin 99.999999 %) für viele andere Zwecke weiter verwendet werden könnte, wäre dies vielleicht auch bei niedrigen Heliumpreisen noch eine ökonomisch tragbare Lösung ( vgl. warum zurück zum Mond Teil 1)

Aber nach einigen Jahrzehnten sähe der Mond wie eine gigantische Tagebaulandschaft aus. Die geschätzten Vorräte  liegen bei etwa zweihunderttausend Tonnen, was die Erde nur 600 Jahre lang mit Energie versorgen könnte (damit ist allerdings die gesamte Energie gemeint, incl. Heizen, Verkehr, Metallurgie etc.)

Bild 1: Tagebau auf dem Mond. Ad Astra Sept./Okt. 1998

Ein exotischer Vorschlag ist in Ad Astra, dem Monatsmagazin der National Space Society (November 1989), gemacht worden. Es sollte nach jenem Vorschlag kein Abbau betrieben werden, sondern die Mondoberfläche mit einem leistungsstarken Kohlendioxidlaser, der bei dem Librationspunkt L 1 im Raum "verankert" wird, oberflächlich aufgeschmolzen werden. Die obersten Zentimeter des Mondbodens werden auf einigen Quadratmetern zum Kochen gebracht, dabei verdampfen die flüchtigen Stoffe. Sie werden von einem unbemannten Roboterfahrzeug mit Hilfe starker Magnetfelder angesaugt, aus dem Plasmagemisch läßt sich dann das Heliumisotop extrahieren.

Bild 2: Der Laserstrahl trifft den Mondboden

Der z.B. drei bis vier Meter dicke Laserstrahl wandert nun mit ca. 50 cm pro Minute über den Mondboden, immer in engster Tuchfühlung mit dem Ansaugfahrzeug. In einem Jahr können 300 km Strecke zurückgelegt werden, es bleibt eine meterbreite Spur aus gesintertem Mondboden, eine vielleicht 10 - 20 cm starke glasartige Schicht. Mit leichten Fahrzeugen kann sie befahren werden, ohne einzubrechen.

Bild 3: Straßenbau auf dem Mond

Nach einigen Jahren existiert so was wie ein "Autobahnnetz" auf dem Mond. Der Trassenverlauf stellt dann vielleicht einen Kompromiß dar, zwischen der besten Heliumhöffigkeit im Regolith einerseits und den logistischen Bedürfnissen der einzelnen Mondbasen andererseits, deren Erreichbarkeit untereinander, ohne Straßen oder Schienenwege, ein echtes Problem darstellen wird, (da man ja im Vakuum nicht fliegen kann, sondern immer einen ballistischen Raketenflug benötigt).

"Ich persönlich stelle mir z.B. als erste Trasse eine Strecke vor, die ausgehend vom südlichen Mare Tranquillitatis, nach Norden durch das Mare Serenitatis, dann durch daß Mare Frigoris und von dort aus wieder mach Süden in den Oceanus Procellarum verläuft. "

Der Mond ist für eine Gewinnung von Helium-3 im ganz großen Stil aber nicht ideal.

Wirklich gewaltige Mengen dieses Rohstoffes gibt es nur in den Atmosphären der äußeren Planeten: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Der Jupiter scheidet eigentlich aus, weil der Abtransport des Heliums, infolge des gewaltigen Schwerkraftfeldes und der enormen Fluchtgeschwindigkeit von 60 km/sec, zu aufwendig ist und weil das extrem starke Magnetfeld des Jupiter eine tödliche Gefahr nicht nur für Menschen, sondern auch für Material und Computer darstellt.

Beim Saturn sind die Bedingungen ein wenig günstiger, aber sie sind noch nicht ideal zu nennen. Auch sind die dortigen Windgeschwindigkeiten mit bis zu 1800 km/h ein bißchen hoch. Aber Uranus und Neptun kommen dafür in Frage. Vor allem der Uranus mit seiner ruhigen, kalten Atmospäre und deren Heliumgehalt von 15 % ist wie geschaffen für die Errichtung von Gasminen. Helium-3 macht natürlich nur einen Bruchteil des gesamten Heliums aus (vielleicht nur 0.1 %), aber immerhin.



Bild 4: Uranus, eine blaugüne, eiskalte, ruhige Athmosphäre. Quelle: NASA


Turbulenzen, gegenläufige Scherwinde und ortsfeste Superzyklone, wie auf den anderen Gasplaneten, wurden von Voyager 2 auf dem Uranus nicht beobachtet. Nach neueren Beobachtungen mit dem Hubble-Teleskop, sollen jedoch sehr satrke Stürme mit 200-600 km/h in der Äquatorzone toben.

 

 

3. Wie betreibt man eigentlich Atmosphärenbergbau?

Etwas anders als in dem Star Wars Film "Das Imperium schlägt zurück" sicher schon.
Mancher erinnert sich vielleicht noch an die Gasmine des Larindo Calrissian auf dem Planeten Bespin, eine Stadt in den Wolken, genannt Cloud-City.

So ein monströses Ding wird man nicht in der Uranusatmospäre installieren, sondern z.B. eine 50 Tonnen schwere Verflüssigungsanlage, die an einem großen, beheizbaren Gasballon hängt.



Tab. 1: Zusammensetzung der Uranusatmosphäre


Diese kleine kompakte unbemannte Fabrik müsste von der GEO-Bahn (dem Ort ihrer Montage) zum Uranus geschickt werden. Dort angekommen, taucht die Sonde im Schutz eines Hitzeschildes mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre ein. Sobald die Schallgeschwindigkeit unterschritten ist, öffnen sich nacheinander zwei Bremsfallschirme und schließlich, wenn die Sonde langsam in der immer dichter werdenden Atmosphäre absinkt, ein großer Ballon.



Dieser Ballon ist beheizbar. Er hat die Form eines Zylinderbündels, besteht also aus langen zylindrischen, separaten Kammern. Diese Kammern werden mit angesaugter, eiskalter Uranusluft aufgeblasen und mit der Abwärme eines kleinen Kernreaktors (ca. 1 MW) beheizt.
Die Sonde wird nun immer langsamer, bis sie in der mittleren Uranusatmosphäre (Druckniveau 1 Bar bis 4 Bar) zum Schweben kommt, weil Auftrieb und Schwerkraft sich gerade aufheben. Nun beginnt der Reaktor seine Hauptarbeit (zum Warmhalten der Ballonfüllung werden nur wenige hundert Kilowatt benötigt), indem er Pumpen und Kühlsysteme in Betrieb setzt. Die angesaugte Uranus-Atmosphäre wird von -150 Grad C auf -162 Grad C gekühlt, bis zur Verflüssigung des Methans.

Das flüssige Methan wird zunächst zur Vorkühlung des Ansaugstutzens verwendet, somit kann die Uranusluft noch kälter in den Prozess eingeleitet werden und es wird weniger Reaktorleistung benötigt. Das leicht erwärmte Methan wird dann von Bord gegeben, also zurück in die Umgebungsluft entlassen. Es bleibt ein Gemisch aus Wasserstoff und Helium zurück.

Dieses Gemisch wird in der nächsten Kühlstufe auf - 253 Grad C gekühlt, bis zur Verflüssigung von Wasserstoff. Ein Teil des Wasserstoffes wird in die Ballons geleitet, zur Gewichtsverringerung des Füllgases und zum Ausgleich von Verlusten. Der Rest wird wieder zum Ansaugstutzen geleitet und kühlt dort ebenfalls die ankommende Luft (natürlich in separaten Kühlschlangen, getrennt vom Methan). Der dabei erwärmte Wasserstoff wird nach außen abgeblasen. Nun besteht der verbliebene Gasstrom nur noch aus Helium.

Es wird auf - 269 Grad C abgekühlt und verflüssigt. Die Flüssigkeit wird nach den üblichen Trennungsverfahren in die unterschiedlich schweren Fraktionen 4He und 3He zerlegt. Helium -4 wird, nach Umweg über die Vorkühlung des Ansaugstutzens, von Bord gegeben und Helium-3, der begehrte Rohstoff, grammweise und kilogrammweise gesammelt und tiefgekühlt eingelagert. Die Sonde wird dadurch um einige Tonnen schwerer, was durch stärkere Heizung des Ballons ausgeglichen oder durch ein Absinken in dichtere Atmosphäreschichten kompensiert wird.

Wenn sich nun 5 oder 10 Tonnen Helium-3 angesammelt haben, müssen die Vorbereitungen für den Rückflug getroffen werden.

In der letzten Phase des Verflüssigungsprozesses wird der flüssige Wasserstoff nicht mehr abgeblasen, sondern in die (bis dahin leeren), Treibstofftanks der Sonde geleitet. Diese wird nun noch schwerer, deshalb muß der Ballon zusätzlich erwärmt werden (aber es wird bei der LH2-Herstellung schließlich sehr viel Kondensationswärme frei, die mit verwendet werden kann).

Nun ist die Zeit gekommen, den Kernreaktor auf maximale Leistung hochzufahren (wobei die in der Literatur angegebenen 1 MW mir als zu gering erscheinen), und den Wasserstofftreibstoff in den rotglühenden Reaktorkern zu leiten. Bei einer Erwärmung um mehrere tausend Grad entsteht eine sehr hohe Austrittsgeschwindigkeit (bis zu 10 km/sec) und eine entsprechend hohe Schubkraft. Die Sonde beschleunigt, wirft den Ballon und das gesamte Kühl-Equipment ab (was eigentlich jammerschade ist) und beschleunigt einstufig bis auf die Fluchtgeschwindigkeit des Uranus, dh. auf ca. 20 0000 m / sec. Nach sechs Jahren im antriebslosen Flug, (auf den sogenannten Hohmannbahnen) erreicht die Sonde die Erde und liefert dort eine Fracht im Wert von 160 Milliarden Dollar ab.

Es wird sofort klar, daß eine einzelne Mission dann durchaus 50 Milliarden Dollar kosten dürfte und trotzdem noch einen phantastischen Gewinn abwerfen würde. Aber was von diesem irrwitzig hohen Preis zu halten ist, wurde bereits am Anfang dieses Artikels ausgeführt.

Realistischer ist es, von einem um mindestens 90 % niedrigeren Preis auszugehen, also z.B. von nur 1 Million Dollar pro Kilogramm und damit billigeren Fusionsstrom für die ganze Menschheit anbieten zu können und außerdem noch einen bezahlbaren Treibstoff für fusionsgetriebene Raumschiffe zu erhalten. Um trotzdem noch rentabel zu wirtschaften, müssen dann eben die Gewinnungsverfahren auf dem Uranus noch effektiver organisiert werden, z.B. mit permanent arbeitenden großen Gasminen, die regelmäßig kleinere Frachtpakete in den Uranusorbit schießen, wo sie dann von unbemannten Frachtraumschiffen "aufgelesen", gesammelt und zur Erde transportiert werden.

 

 

4. Eine große Chance für die Raumfahrt des 21. Jahrhunderts?

Wenn es tatsächlich zu einem Durchbruch in der Fusionstechnologie kommt, sie sich gegenüber anderen Arten der Energieerzeugung behaupten oder gar durchsetzen kann, aber ihre Akzeptanz an der Neutonenemission zu scheitern droht, dann besteht für die Raumfahrt eine große Chance. Sie könnte den Hilfsstoff Helium-3 zur Verfügung stellen, ihn anfangs kilogrammweise vom Mond und später tonnenweise aus dem äußeren Sonnensystem holen. Die vier großen Planeten dort draußen sind von Robert Zubrin schon mal als der "persische Golf des Sonnensystems" bezeichnet worden.

Folgende Vorräte  werden in den Atmosphären der äußeren Planeten vermutet:



Tabelle 2: Helium-3 Vorräte

Der Zeitraum, (bis die Vorräte erschöpft sind), bezieht sich auf den gegenwärtigen Weltverbrauch an Energie, bei einer Gesamtleistung von 8.5 Terrawatt (Strom, Heizen, Verkehr, Metallurgie, etc.) Diese Energie in Form von Fusionsstrom zu erzeugen, würde pro Jahr 450 Tonnen Helium-3 erfordern (zuzüglich einer entsprechenden Menge an Deuterium).

Man sieht, selbst wenn der gefährliche Jupiter außen vor gelassen wird und man von den übrigen Vorräten nur einen bestimmten Prozentsatz nutzt, (weil mit der Zeit der Gehalt an Helium-3 immer mehr ausgedünnt wird), reicht das alles eine ganze Weile. Die Vorräte reichen theoretisch Neunzig Milliarden Jahre, viel länger, als die Sonne noch zu leben hat.

Aber Theorie und Praxis sind nicht dasselbe. In der Praxis sind die Vorräte sicher schon viel früher erschöpft.

Denn erstens:

eine Zehnmilliarden-Menschheit, die in Wohlstand und Bequemlichkeit lebt, braucht ja mindestens 4000 bis 5000 Tonnen Helium-3 pro Jahr, entsprechend einem (gegenüber heute) verzehnfachten Energieumsatz.

Und zweitens:

wird die Raumfahrt wahrscheinlich selbst der Hauptprofiteur und Hauptabnehmer sein. Sie wird ungeheuere Mengen an Fusionstreibstoff benötigen. Der Grund liegt darin, daß eine wirkliche Erschließung des gesamten Sonnensystems nur möglich ist, wenn die Reisegeschwindigkeiten auf ein mehrfaches der bisher üblichen Geschwindigkeiten gesteigert werden. Dies wiederum erfordert viel höhere Düsenauströmgeschwindigkeiten als die bisher erzielten drei oder vier Kilometer pro Sekunde. Auch Nuklearthermische Antriebe bieten mit Ausströmgeschwindigkeiten von 8 - 10 km / sec keinen wirklichen Ausweg, außerdem wären die Uranvorräte des Asteroidengürtels (von den Vorräten der Erde ganz zu schweigen) bei dem hohen Verbrauch recht schnell aufgezehrt.

Alle elektrischen Antriebe haben zwar den Vorteil hoher spezifischer Impulse (also hoher Auströmgeschwindigkeiten) kranken aber an viel zu großer Abwärme, was im Vakuum des Weltalls natürlich zu erheblichen Kühlungsproblemen führt (klingt paradox, aber im Weltall ist es eben nicht kalt!!). Sonnensegeln und Magnetsegeln sind sicher elegante und preiswerte Antriebsverfahren, aber sehr schubschwach und außerdem im äußeren Sonnensystem überhaupt nicht zu gebrauchen.

Es bleibt eigentlich nur der Fusionsantrieb.

Er erzeugt bei der 3He / Deuterium - Reaktion einen ca. 400 Millionen Grad heißen Plasmastrahl, der mit 7 % bis 9 % der Lichtgeschwindigkeit aus der Brennkammer austritt. Damit könnte man bequem eine Endgeschwindigkeit von bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, aber das will ja keiner, jedenfalls nicht innerhalb des Sonnensystems. Die Schubkraft des reinen Plasmas ist nur mäßig hoch, denn es leuchtet ein, daß man nur ganz wenige Gramm oder gar Milligramm pro Sekunde erzeugen und durch die Düse austreten lassen kann, sonst verglüht das Raumschiff durch die Abwärme seines eigenen Triebwerkes.

Impuls ist gleich Masse x Geschwindigkeit und das Produkt aus einer hohen Strahlgeschwindigkeit und einer winzigen Masse ergibt nun mal nur ein mittelmäßiges Ergebnis.

Aber es gibt eine elegante Lösung für dieses Problem. Der Plasmastrahl kann vor seinem Austritt aus der Düse mit eingesprühtem, aus mitgeführten Tanks stammendem Wasserstoff, von 400 Millionen Grad auf z.B. hundertausend oder zweihunderttausend Grad heruntergekühlt werden. Er verringert damit seine Strahlgeschwindigkeit  w  von 20.000 km/sec auf 100 bis 200 km/sec. Gleichzeitig erhöht sich aber die Schubkraft beträchtlich, denn nun treten mit dem verdünnten Plasmastrahl nicht mehr wenige Gramm, sondern einige Kilogramm pro Sekunde aus. Ein Kilogramm verdünntes Plasma, mit 200.000 m / sec hinten austretend, erzeugt einen Schub von 200.000 / 9.81 x 1kg = 20 387 kg, also ca. 20 Tonnen.


Diesen Effekt kann man etwa vergleichen mit einem mit Vollgas anfahrenden Auto auf einer öligen, spiegelglatten Fläche. Die Räder drehen durch, daß Auto kommt kaum voran. Nun wirft jemand eine Schaufel Sand unter die Räder und der Wagen macht förmlich einen Satz nach vorn.

Zur Erklärung:

20 Tonnen Schub bedeuten, daß ein 20 Tonnen schweres Raumschiff mit 1 g beschleunigt wird, ein 200 Tonnen schweres Schiff mit 0.1 g, ein 2000 Tonnen-Schiff mit 0.01 g u.s.w.





Prinzipskizze eines Fusionsreaktors mit Deuterium/Tritium- Reaktion und eines Fusionstriebwerkes mit Deuterium/Helium-3, Quelle: R. Zubrin "Islands in the Sky"

Dies wäre also ein ziemlich robuster Antrieb, viel schneller beschleunigend als z.B. ein Ionentriebwerk. Allerdings können Reisegeschindigkeiten des Raumschiffes von sehr wenigen hundert Kilometern pro Sekunde damit nicht überschritten werden. Aber wozu auch? Denn mit einer Geschwindigkeit von 200 km / sec braucht man von der Erde zum Uranus nur 5 - 6 Monate, zum Asteroidengürtel, mit seinen unermesslichen Rohstoffvorräten, wären es nur drei Wochen.

Und damit wären wir abschließend bei dem Punkt, warum eine hochentwickelte Raumfahrt den Löwenanteil der von ihr erschlossenen Helium- Vorräte selbst verbrauchen wird. Um ein Raumschiff von z.B. 1000 Tonnen Startmasse in einer überschaubaren Reisezeit (eine Woche) zum Mars zu fliegen und dann in gleichkurzer Zeit einen Rückflug zur Erde zu bewerkstelligen, wird als Rückstoßmasse eine unverdünnte Plasmamenge von 4 x 10 Tonnen, also insgesamt von 40 Tonnen benötigt (je zweimal Beschleunigen und Abbremsen).

Für den absoluten Verbrauch an Helium-3 ist es dabei relativ unerheblich, ob das Fusionsplasma mit Wasserstoff verdünnt wird, (diesen dabei aufheizend und beschleunigend), oder ob es in reiner Form als Rückstoßmasse dient. Vierzig Tonnen Fusionsmaterial für einen schnellen Flug Erde-Mars-Erde, das ist eine ganze Menge. Fast die Hälfte davon wäre Helium-3, der Rest entfiele auf das, leicht auf der Erde zu gewinnende, Deuterium.

Nun kann sich jeder vorstellen, daß eine hochentwickelte Menschheit, die das ganze Sonnensystem als Wirtschaftsraum und wo möglich auch als Siedlungsraum nutzt, in einem Jahr ganz leicht auf eintausend Flugbewegungen der o.g. Art oder vergleichbarer Art kommen kann, sei es für Frachtzwecke, sei es für Personentransporte. Dafür müßten dann jährlich 20.000 Tonnen zur Verfügung stehen.

Die Vorräte in den Gashüllen der äußeren Planeten reichen in diesem Fall leider nur noch für drei Milliarden Jahre. Trübe Aussichten.

 


Autor. M. Boden

Quellen:
John Lewis "Unbegrenzte Zukunft" 1996,
Zubrin: aus "Islands in the Sky" 1996
von Ahlften/Altheide: "Laser - das andere Licht" 1989

5. Nachtrag 2009

Die vier Teile der Serie „Helium-3“ stammen aus dem Jahr 2003. Einige Ergänzungen sind inzwischen überfällig.

 
1. Einiges noch zur Kernfusion

Bei einer Abwägung, welcher Typ Kernfusion auf der Erde (und im All) eingesetzt wird, sind nicht nur Strahlenbelastung, Endlagerungsprobleme und die Gewichtsprobleme bei Raumschiffen zu berücksichtigen, sondern es werden auch politische Gesichtspunkte eine Rolle spielen. Die Tritium-Deuterium-Reaktion setzt Neutronen frei, welche – weil nicht elektrisch geladen, nicht durch Magnetfelder zurückgehalten werden können. Sie fliegen davon, führen einen Teil der bei der Fusion freiwerdenden Energie nutzlos mit sich und können nur durch massive Abschirmungen abgebremst und aufgehalten werden. Diese Abschirmungen werden nach einigen Jahren massiv verstrahlt sein.

Aufbereitung, Transport und Endlagerung des verstrahlten Materials werden in Bezug auf Gefährlichkeit, Halbwertszeiten und den damit zu leistenden Sicherheitsaufwand nicht ganz vergleichbar sein mit hochbelasteten Abfällen der Kernspaltung bzw. des Plutoniumkreislaufes. Denn die Halbwertszeiten der verstrahlten Bauteile liegen nur in der Größenordnung von  hundert Jahren (allerdings fallen während der gesamten Betriebszeit des Kraftwerkes ca. 65 000 Tonnen davon an. Ein kleiner Prozentsatz allerdings besteht aus Schwermetallen, deren Isotope viele Tausend Jahre Halbwertszeit besitzen.

Es ist also in jedem Fall einiger Aufwand bei der Endlagerung zu treiben, den man sich sparen kann, wenn man das technisch kompliziertere und auch teurere Fusionsverfahren mit Helium-3 bevorzugt.  In der Raumfahrt  spielen außerdem Gewichtsprobleme eine Hauptrolle. Da ist es nicht egal, ob man massive, zig Tonnen schwere  Reaktor-Abschirmungen jedesmal mit beschleunigen muß, oder nicht.  

Nicht nur eine Reaktion von Helium-3 mit Deuterium ist möglich, sondern auch einige andere Kombinationen. Nachfolgend eine Auswahl, die Liste ist bei weitem nicht vollständig.



Die wichtigsten Reaktionstypen der Kernfusion

Man sieht, im Prinzip ist die Reaktion Nr. 3 schon die günstigste. Es werden Protonen freigesetzt, die sind positiv geladen und können mit Magnetfeldern eingefangen und abgebremst werden (wobei wieder Energie frei wird). Die Ausbeute beträgt insgesamt 18.3 MeV, die frei werden bei der Fusion von zwei Atomen, das ist einer der höchsten bekannten Werte in der Kernfusion.    

Die Tritium-Wasserstoffreaktion (Nr. 5) erbringt noch mehr Ausbeute, aber es wird dabei  auschließlich Gammastrahlung freigesetzt, keine Protonen. Dies ist kontraproduktiv. Eine Abschirmung ist zwar möglich, erfordert aber eine starke Ummantelung. diese verstahlt dann allmählich und muss später entsorgt werden.

Zwei Helium - 3 miteinander zu fusionieren ist auch möglich, aber man sieht, es wird weniger Energie freigesetzt. Und es wird teurer, weil Deuterium einfacher zu beschaffen ist.

Zwei Deuterium zu fusionieren, bringt nichts. Es wird ein Neutron freigesetzt, welches durch alle Magnetfelder hindurchfliegt und außerdem werden nur 3.3 MeV freigesetzt. Die Reaktion ist allerdings leicht zu zünden und bei der Beschaffung von ausreichend Deuterium gibt es überhaupt keine Probleme, siehe unten.  

Die oberste Reaktion, Tritium und Deuterium, scheint ja auch eindeutig ungünstiger zu sein, mit nur 17.6 MeV Ausbeute und einem lästigen Neutron. Aber dieser Reaktionstyp ist natürlich nicht ohne Grund bisher favorisiert. Denn die erforderlichen Zündtemperaturen sind mit ungefähr 100 Minnionen Grad viel niedriger als wenn man Helium-3 und Deuterium fusioniert. Und Tritium kann aus Lithium mit Hilfe von Neutronen erbrütet werden, gemäß

                                                              6Li + n  = 4He + T

Lithium gibt es reichlich und billig auf der Erde. Der Durchschnittsgehalt der Erdkruste beträgt 30 g/Tonne. Das ergibt ungefähr 500 Billionen Tonnen Lithium. Davon ist natürlich nur ein Bruchteil in zugänglichen Lagerstätten angereichert, (z.B in Bolivien) aber es würde für viele Zehntausend Jahre reichen.  

Wie bereits im ersten Teil erwähnt wurde, stellt 3He nur dann eine Energiequelle dar, wenn Menschen entscheiden, daß es eine Kernfusion mit Tritium nicht geben soll.


2. Neuere Erkenntnisse über die Uranusatmosphäre

Die Uranus-Atmosphäre schien nach den Ergebnissen der Voyager-Mission nicht nur kalt, sondern völlig ruhig, (ja geradezu langweilig) zu sein. Es wurden jedenfalls keinerlei Strukturen in der Gashülle entdeckt, wie z.B. beim Neptun und bei Jupiter und Saturn. Nach neueren Beobachtungen mit dem Hubble-Teleskop scheint der Uranus aber doch Turbulenzen und Stürme mit hohen Windgeschwindigkeiten aufzuweisen. Dies erschwert das Absetzen von schwebenden Gasminen in der oberen Atmospäre, aber es macht es nicht wirklich unmöglich.  

So ein Reaktor, schwebend an einem, mit heißem Wasserstoff gefüllten Ballon, wird natürlich innerhalb eines Pproduktionszyklus ein paar mal um den riesigen Planeten getrieben, auch mal polwärts abdriften, oder monatelang in riesigen ortsfesten „Zyklonen“ verwirbelt. Die mechanischen Probleme, d.h. die permanenten Zugkräfte zwischen dem leichten Ballon und dem trägen Reaktor, sind lösbar, erhöhen aber den Gesamtaufwand. Beim „Rücksturz zur Erde“ ist der Austrittspunkt aus der oberen Atmosphäre vorher nicht berechenbar  - dies erfordert also erhöhte Flexibilität bei der Navigation und mehr Treibstoffreserven.  

Wenn diese Schlußfolgerungen aus den Teleskopbeobachtungen richtig sind, verliert der Uranus damit einen Vorteil gegenüber dem Neptun. Dieser ist zwar deutlich weiter entfernt von der Erde, weist in seiner Gashülle jedoch 25 Vol.% statt nur 15 Vol.% Heliumgehalt auf. Damit wird auch der 3He Anteil entsprechend höher sein - vermutlich.

Wie auch immer, diese beiden Planeten werden in wenigen Jahrhunderten die Zentren der 3Helium- Gewinnung im Sonnensystem sein. Ihre Vorräte reichen auch bei sehr hohem Energiebedarf der Menschheit für viele Milliarden Jahre.

Und am Deuterium herrscht erst recht kein Mangel. Es macht immerhin 0.015 % des Wasserstoffes aus, der wiederum ein Neuntel der Masse des Wassers stellt. Die Wasservorräte des Sonnensystem sind gigantisch, wenn auch nicht immer leicht zugänglich. Unsere irdischen Vorkommen in den Ozeanen machen davon einen zwar beachtlichen, jedoch untergeordneten Anteil aus. Und von diesen vielen hundert Trillionen Tonnen Wasserstoff stellt das Deuterium 0.0015 %, das sind - überschlägig - einige Billiarden Tonnen. Man sieht, der limitierende Faktor ist tatsächlich das Helium-3, mit einigen Billionen Tonnen, also einem Tausendstel davon. Der Fusionspartner Deuterium ist durchaus im Überschuss vorhanden.  

 
3. Neue Erkenntnisse über das Innere des Uranus


Der innere Aufbau des Uranus wird jetzt etwas komplexer gesehen, als noch in den Neunziger Jahren. Allerdings sind noch ganz viele Unsicherheiten enthalten, wie sollte es bei der dürftigen Datenlage auch anders sein. Man hatte aufgrund der Messdaten beim Voyager Projekt angenommen, daß der Planet (wie auch der Neptun) ein sogenannter Eisriese wäre, also eine spezielle Zwischenform zwischen Planet und Gasriese.  

Man stellte sich das damals etwa so vor:  Ein großer mineralischer Kern von etwa ein bis zwei Erdmassen, umgeben von einem gigantischen, kalten und stahlharten Eispanzer von 15 Erdmassen und einer klar definierten Oberfläche. Darüber dann die ebenfalls massereiche, dichte Atmosphäre aus  3 % Methan, 15 % Helium und 82 % Wasserstoff, (immer Volumenprozente!, 15 Vol% Helium, daß sind deutlich über 20 Gewichtsprozente). Neuerdings werden die beiden Planeten doch wieder als Gasriesen eingestuft, (was ich eher verwirrend finde).

In dem neuen Strukturmodell wird Uranus als flüssiger Planet mit einer gasförmigen oberen Schicht oder Atmosphäre betrachtet, die nicht klar nach unten begrenzt ist. Sie besteht aus Wasserstoff, Methan und zu 15 % aus dem begehrten 4Helium  und eben auch aus 3Helium. Da sich der Druck mit zunehmender Tiefe erhöht, geht die Gashülle fließend vom gasförmigen in einen flüssigen Zustand über. Als Oberfläche wurde wilkürlich derjenige Be-reich definiert, bei dem der Druck gerade 1 bar beträgt. Die Gravitation des Planeten beträgt auf dieser Ebene rund 90 % der Erdanziehung.  

Unterhalb dieses Druckniveaus besteht der Uranus aus teilweise verflüssigten Gasen, Eis und möglicherweise einem kleinen Gesteinskern. Die Gashülle geht durch Kompres-sion in eine „Kruste“ aus Wasserstoff und Helium über, die etwa 30 % des Planetenradius ausmacht. Die Masse dieser oberen Schicht beträgt ca. 0,5- bis 1,5-fache Erdmassen.

Es folgt der Mantel, eine dicke Schicht aus  Wasser, Methan und Ammoniak in Eisform. Der Mantel macht den Löwenanteil der Uranus-Masse aus. Dieser Mantel umschließt einen kleinen, eventuell flüssigen Kern aus Silizium und Ei-sen, mit einer der Erdmasse vergleichbaren Masse. Im Zentrum des Uranus wird ein Druck von rund acht Millionen bar bei einer Temperatur von etwa 5000 °C vermutet. Von diesem Wärmevorrat dringt relativ wenig in die äußeren Schichten, warum auch immer. Die Temperatur der Uranusatmosphäre wird überwiegend von der – lausigen – Sonneneinstrahlung dominiert. Diese liegt bei 4 Watt pro Quadratmeter. Wie wenig das ist, kann man sich vorstellen, wenn man im Januar, bei starker Bewölkung, bei Sonnenaufgang aus dem Fenster schaut.  

Somit kann von einer viel massereicheren Atmosphäre ausgegangen werden, als bisher angenommen wurde. Interessant ist, daß sie nach unten nicht scharf abgegrenzt ist gegen eine feste Oberfläche, sondern allmählich in den flüssigen Zustand übergeht. Aus physikalischen Gründen wird der Heliumgehalt in den unteren Übergangsschichten abnehmen und gegen Null gehen. Aber ein Atmosphärenbergbau hat die erfreuliche Möglichkeit, sich immer auf die oberen, ausreichend dichten - aber noch nicht zu dichten - Luftschichten zu beschränken.

Im Unterschied zu festen Lagerstätten, gibt es ja keine lateralen und nur geringe vertikale Konzentrationsunterschiede. Man saugt oben ab und es stellt sich durch Nachströmen immer wieder die durchschnittliche Konzentration ein, ähnlich wie bei der Salzgewinnung aus dem Meer. Erst nach einigen Milliarden Jahren wird die 3Helium Gewinnung, infolge Ausdünnung der Atmosphäre, allmählich immer unwirtschaftlicher.  

Aber dann müssen unsere Nachfahren, wie immer sie auch beschaffen sein mögen, sowieso das Sonnensystem verlassen, weil die Sonne sich erst zu einem roten Riesen, dann zu einer Nova aufbläht, und nachfolgend zu einem weißen Zwerg kollabiert. Das ist in fünf bis sechs Milliarden Jahren der Fall. Dann ist hier endgültig Schluß.

Wenn man also bestimmte Rohstoffressourcen oder Energiequellen abqualifiziert, sie würden ja auch nicht ewig reichen, muß man sich immer klar machen, daß „Ewigkeit“ in unserem Sonnensystem nur maximal sechs Milliarden Jahre dauert. Also kann man durchaus zugespitzt formulieren, daß das im Sonnensystem vorhandene, Helium-3 ewig reichen wird. Das aber nur, wenn man eben nicht mehr als so um die  50 000 Tonnen davon pro Jahr verbraucht.

Dies entspräche immerhin dem hundertfachen jährlichen Energieverbrauch der heutigen Weltbevölkerung.



Autor: Michael  Boden

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