Onderzoekers ontwikkelen mini-kernreactor voor op de maan

Een kernreactor op de maan – wat klinkt als sciencefiction, wordt daadwerkelijk onderzocht in Garching, vlakbij München. Deze mini-kernreactoren zijn bedoeld om toekomstige bemande ruimtebases op de maan van energie te voorzien.

Toekomstige missies zullen erop gericht zijn om mensen in staat te stellen gedurende langere perioden op de maan en zelfs op Mars te leven en onderzoek te verrichten. Daartoe ontwikkelt het Amerikaanse ruimtevaartagentschap NASA momenteel een kernreactor, die in eerste instantie bedoeld is om op het maanoppervlak te functioneren.

Ondertussen werken onderzoekers in Duitsland ook aan zeer geavanceerde ontwerpen voor de levering van kernenergie op de maan. Kernenergie biedt voordelen voor toekomstige ruimtevaartprojecten. Wetenschappers van het Heinz Maier-Leibnitz Onderzoeksinstituut voor Neutronenbronnen van de Technische Universiteit München in Garching werken intensief aan oplossingen voor een energievoorziening met behulp van kernsplitsing. Deze oplossingen zijn bedoeld voor gebruik bij toekomstige Europese expedities naar andere hemellichamen.

Volgens Christian Reiter, hoofd van de leerstoel Toegepaste Nucleaire Technologieën en een van de wetenschappers in het zogenaamde Mule-project, is een stroomvoorziening met zonnecellen niet voldoende voor zulke ambitieuze projecten als een maanbasis: "Kernenergie heeft simpelweg het voordeel dat het een hoge energie- en vermogensdichtheid bereikt vanuit een zeer klein volume."

Elektriciteit en warmte zijn essentieel voor overleven op de maan
Een compacte en regelbare energievoorziening met een zo lang mogelijke gebruiksduur is een basisvereiste voor een permanente menselijke aanwezigheid op een ander hemellichaam zoals de maan. Vooral tijdens de lange maannachten, die wel 20 dagen kunnen duren, is een energievoorziening die onafhankelijk is van zonlicht een groot voordeel. Bovendien kan het extreem koud worden, met name in de poolgebieden – tot wel min 233 graden Celsius. In zulke omstandigheden is de warmte die een reactor produceert van vitaal belang voor overleving.

Mini-kernreactor met een eenvoudig ontwerp
Een kernreactor op de maan – dat klinkt als sciencefiction en hightech. Maar deze 'buitenaardse' reactoren hebben weinig gemeen met de technisch zeer complexe kerncentrales op aarde. Ze zijn gebaseerd op eenvoudige en in sommige gevallen zeer oude principes. De "Kilopower reactor", die momenteel door NASA wordt ontwikkeld en bedoeld is om in toekomstige missies energie te leveren aan bemande stations op de maan en Mars, bestaat in essentie uit een enkel, met uranium verrijkt brandstofelement – slechts zo groot als een thermosfles. De warmte ervan drijft een generator aan die gebaseerd is op het principe van een Stirlingmotor. Deze motor is een warmtemotor, die al in 1816 werd uitgevonden en warmte in een gesloten systeem kan omzetten in elektrische energie.

"Als je je voorstelt iets de ruimte in te lanceren, moet het zo robuust en eenvoudig mogelijk zijn om potentiële schade te minimaliseren. Hoe robuuster een technologie is, hoe groter de kans op succes van de missie," legt Christian Reiter uit. De reactor die hij en zijn collega's in Garching ontwikkelen voor het Terrae Novae-programma, het "Nieuwe Werelden"-programma van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA), is ook robuust en vereist weinig onderhoud. Het is de bedoeling dat het vanaf 2040 mensen naar andere hemellichamen brengt.

Elektriciteit of verwarming, afhankelijk van de behoefte
Hoewel er nog geen prototype bestaat zoals dat van NASA, wordt verwacht dat hun reactor, met een vermogen van enkele honderden tot duizend kilowatt thermische energie, aanzienlijk meer energie zal leveren dan de Amerikaanse ontwikkeling. Het kan ook warmte en elektrische energie leveren wanneer dat nodig is. Zo kan het bijvoorbeeld eerst het waterijs op de maan smelten met behulp van warmte en het vervolgens via elektrolyse splitsen in zuurstof en waterstof. Dit kan worden gebruikt om ademlucht of raketbrandstof te produceren.

Risico's van kernreactoren op de maan en Mars
Maar welke risico's brengt het exploiteren van kernreactoren op andere hemellichamen met zich mee? Op de maan, met zijn vrijwel afwezige atmosfeer en gebrek aan wind en weer, zouden radioactieve deeltjes zich bij een ongeluk niet kunnen verspreiden zoals op aarde. Volgens Christian Reiter zou een reactorongeluk met een radioactieve lozing sowieso een lokaal incident blijven.

Een geschikte beschermende omhulling zou ook de verspreiding van radioactiviteit voorkomen. De grootste uitdaging voor de onderzoekers is het veilig lanceren van de kernbrandstof in de ruimte: "De reactor zou dan natuurlijk zodanig in de raket worden ingekapseld dat deze, zelfs in geval van een crash of explosie, intact blijft en de kernbrandstof niet verspreidt." 

De wetenschappers in Garching moeten nog verschillende hindernissen overwinnen voordat hun reactor operationeel is. Hoewel Europa op veel gebieden van de ruimtevaart, zoals rakettechnologie, achterloopt op zijn concurrenten, loopt het volgens Reiter wel voorop in de ontwikkeling van kernbrandstoffen. Dit onderzoek kan daarom een belangrijke bijdrage leveren aan een onafhankelijk Europees ruimtevaartprogramma.