Rocket Science: ein junger Schweizer zwischen Raumfahrt und Kerntechnik

Der Arbeitsalltag von Alexandre Chappuis ist im wahrsten Sinne des Wortes Rocket Science, denn der Doktorand forscht am Paul Scherrer Institut (PSI) an nuklearthermischen Antrieben für Raumfahrzeuge. Sein Interesse an der Raumfahrt entstand bereits in der Jugend, auch wenn sein Weg in die Naturwissenschaft zunächst keineswegs vorgezeichnet war, hatte er am Gymnasium doch mit Altgriechisch die altsprachlich-geisteswissenschaftliche Richtung eingeschlagen.

Gleichzeitig beschäftigte ihn schon damals die Frage, ob es jenseits der Erde tatsächlich Leben geben könnte. Der Blick in den Sternenhimmel, die Welten von Star Trek und Star Wars sowie die Vorstellung fremder Kulturen und Zivilisationen faszinierten den jugendlichen Chappuis. So reifte in ihm der Wunsch, später in der Weltraumforschung zu arbeiten. Astronaut wollte der Lausanner allerdings nie werden. Die Frage nach ausserirdischem Leben bejaht er heute klar. Dabei denkt er nicht unbedingt an Marsmenschen oder gar Menschen auf einem anderen Planeten, sondern etwa an Bakterien oder andere einfache Lebensformen.

Antrieb mit Ammoniak

Bereits während seines Maschinenbaustudiums an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), der ETH Lausanne, schloss er sich dem Rocket Team an und arbeitete dort an Raketenantrieben. So eignete er sich die Grundlagen der Raketen- und Raumfahrtantriebe an. Bei einem Praktikum an der Europäischen Weltraumorganisation ESA in Paris beschäftigte er sich erstmals mit nuklearen Antrieben und erkannte das Potenzial der Technologie. Heute arbeitet er an der Schnittstelle von Raumfahrt und Kerntechnik. Die Kerntechnik wurde für ihn zum Mittel, um seinem Ziel näherzukommen, nämlich Missionen zu ermöglichen, die mit herkömmlichen Antrieben kaum oder gar nicht realisierbar wären.

Die Idee für einen nuklearthermischen Antrieb mit Ammoniak als Treibstoff hatte er bereits während des Praktikums entwickelt. Klassische nuklearthermische Antriebe verwenden Wasserstoff, der zwar eine hohe Leistung ermöglicht, als Flüssigwasserstoff jedoch schwierig zu lagern ist und aktiv auf ungefähr 20 Kelvin (−253 °C) gekühlt werden muss. Ammoniak liefert eine geringere Antriebsleistung, lässt sich aber wesentlich einfacher lagern und mitführen. Dieser Treibstoff könnte sowohl wirtschaftlich interessant als auch ein einfacher zugänglicher Zwischenschritt zu einem nuklearthermischen Triebwerk mit Wasserstoff sein (s. Interview zum Porträt, S. 8) und zudem das Betanken von Raumfahrzeugen im Orbit erleichtern. Das PSI ermöglicht es Chappuis, diese inzwischen zu einem Forschungsprojekt weiterentwickelte Idee im Rahmen seiner Doktorarbeit zu verfolgen.

Unterschiedliche Welten

Der Hobbyfotograf Chappuis programmiert, entwickelt und korrigiert in seinem Arbeitsalltag Simulationscodes, führt neutronenphysikalische Berechnungen durch und untersucht, wie ein Gesamtsystem aufgebaut sein müsste. Seine Arbeit verbindet dabei nukleare Reaktorphysik mit Raumfahrtsystemtechnik. Am PSI arbeitet Chappuis mit Fachleuten zusammen, die über langjährige Erfahrung in der Kerntechnik verfügen, während er selbst die Perspektive der Raumfahrt einbringt. Die Unterschiede zwischen den beiden Welten sind deutlich: Aus seiner Zeit im Rocket Team kennt Chappuis sehr kurze Entwicklungszyklen: Innerhalb von rund zehn Monaten wurde eine Rakete von der Konzeption über die Fertigung bis zum Start gebracht. Nuklearprojekte hingegen können sich über Jahre oder Jahrzehnte erstrecken und unterliegen stärkeren regulatorischen Anforderungen. Chappuis bewegt sich an der Schnittstelle dieser beiden Welten.

Dass sein Forschungsthema noch kaum erschlossen ist, empfindet er zugleich als Vor- und Nachteil. Da nur wenige Fachleute seine Arbeit als Ganzes beurteilen können, muss er Erkenntnisse aus verschiedenen Disziplinen zusammenführen und zunehmend selbst überprüfen, ob seine Berechnungen und Schlussfolgerungen stimmen. Für ihn gehört genau das mit zum Reiz des Doktorats: Irgendwann überschreite man eine Grenze und werde selbst zum Experten eines sehr spezifischen Gebiets.

Angetrieben wird er selbst von der Vorstellung, an etwas zu arbeiten, das die Raumfahrt innerhalb der kommenden Jahrzehnte verändern könnte. Nukleare Systeme könnten Raumfahrzeuge mit grossen Energiemengen versorgen und Missionen ermöglichen, die bisher nicht machbar sind.

Ressourcen und langfristige Infrastruktur

Die gegenwärtige Rückkehr zum Mond betrachtet Chappuis nicht als Neuauflage des geopolitischen Wettlaufs der 1960er-Jahre. Heute gehe es verstärkt um Ressourcen und langfristige Infrastruktur, also darum, die Ressourcen des Mondes zu nutzen. Wassereis an den Mondpolen könnte für Besatzungen sowie zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff als Raketentreibstoffe genutzt werden. Dadurch könnte der Mond langfristig zu einem logistischen Knotenpunkt für Reisen in weiter entfernte Regionen des Sonnensystems werden.

Zu den Entwicklungen, die er selbst noch erleben möchte, gehört zunächst einmal eine Mondbasis. Da Standorte an den Mondpolen oft kein Sonnenlicht erhalten, könnten kleine Reaktoren dort eine zuverlässige Energieversorgung gewährleisten. Die Chancen dafür stehen gut, ist ein solches NASA-Projekt doch bereits weit fortgeschritten. Noch stärker hofft er auf eine tatsächlich durchgeführte bemannte oder robotische Mission mit nuklearem Antrieb – nicht nur zu Demonstrationszwecken, sondern «in echt». Eine solche Mission würde zeigen, dass eine funktionierende Reaktorauslegung und ein Antriebskonzept vorhanden sind und weitere Anwendungen möglich werden. Für Chappuis wäre dies der Beginn einer «Revolution in der Raumfahrt».

Für Europa sieht Chappuis Investitionen in nukleare Raumfahrttechnologien auch als eine Frage der technologischen Souveränität. Sein Labor am PSI hat die Initiative Epsilon ins Leben gerufen, deren Ziel es ist, europäische Open-Source-Modelle für nukleare Raumfahrtsysteme zu entwickeln und damit die Abhängigkeit von Software, die proprietären oder exportkontrollbezogenen Anforderungen unterliegt, zu reduzieren. Chappuis’ Dissertation ist Teil dieser Initiative.