Billedkredit: NASA
Som alle ved, er kemiske raketter for langsomme til rumforskning. Måske er det mest effektive hybridsystemer med forskellige typer fremdrift, der bruges på forskellige rejsepunkter. Denne artikel giver dig en oversigt over de teknologier, som NASA i øjeblikket arbejder på.
”Mor, er vi der endnu?”
Hver forælder har hørt det råb fra bageste sæde i bilen. Det begynder normalt cirka 15 minutter efter starten på en familietur. Det er godt, at vi sjældent rejser mere end et par hundrede eller et par tusinde miles hjemmefra.
Men hvad hvis du skulle rejse til, siger Mars? Selv ved sin nærmeste tilgang til Jorden hvert par år er den røde planet altid mindst 35 millioner miles væk. Seks måneder der og seks måneder tilbage - i bedste fald.
“Houston, er vi der endnu?”
"Kemiske raketter er bare for langsomme," beklager Les Johnson, manager for transportteknologier i rummet ved NASAs Marshall Space Flight Center. ”De brænder al deres drivmiddel i begyndelsen af en flyvning, og så kaster rumfartøjet bare resten af vejen.” Selvom rumfartøjer kan fremskyndes ved hjælp af tyngdekraften - en himmelkrak - piskes rundt planeter, såsom den omkring Saturn, der kastede Voyager 1 til kanten af solsystemet - måles stadig rejsetider mellem planeter i år i årtier. Og en rejse til den nærmeste stjerne ville tage århundreder, hvis ikke årtusinder.
Værre endnu er kemiske raketter bare for brændstofeffektive. Tænk på at køre i en gas-guzzler over et land uden benzinstationer. Du skulle bære bådmængder med gas og ikke meget andet. I rumopgaver kaldes det, du kan tage med på din rejse, der ikke er brændstof (eller tanke til brændstof), nyttelastmassen - f.eks. Mennesker, sensorer, samplere, kommunikationsudstyr og mad. Ligesom gas kilometertal er et nyttigt tal for fortjeneste for en bils brændstofeffektivitet, er "nyttelastmassefraktionen" - forholdet mellem missionens nyttelastmasse og dens samlede masse - et nyttigt tal for fortjeneste til effektiviteten af fremdrivningssystemer.
Med dagens kemiske raketter er massefraktionen af nyttelasten lav. "Selv ved hjælp af en mindstegenergibane for at sende en seks-personers besætning fra Jorden til Mars, med kemiske raketter alene, ville den samlede udsættelsesmasse være på 1.000 metriske ton - hvoraf ca. 90 procent ville være brændstof," sagde Bret G. Drake, manager for rumlanseanalyse og integration i Johnson Space Center. Brændstoffet alene ville veje dobbelt så meget som den færdige internationale rumstation.
En enkelt Mars-ekspedition med dagens kemiske fremdriftsteknologi ville kræve snesevis af lanceringer - hvoraf de fleste simpelthen ville lancere kemisk brændstof. Det er som om din 1-ton kompakte bil havde brug for 9 ton benzin til at køre fra New York City til San Francisco, fordi den kun var i gennemsnit en kilometer pr. Gallon.
Med andre ord, fremdrivningssystemer med lav ydeevne er en vigtig årsag til, at mennesker endnu ikke har sat foden på Mars.
Mere effektive fremdrivningssystemer øger nyttelastmassefraktionen ved at give bedre "gas kilometertal" i rummet. Da du ikke har brug for så meget drivmiddel, kan du bære flere ting, gå i et mindre køretøj og / eller komme der hurtigere og billigere. ”Den centrale meddelelse er: vi har brug for avancerede fremdriftsteknologier for at muliggøre en billig mission til Mars,” erklærede Drake.
Således udvikler NASA nu ion-drev, solsejl og andre eksotiske fremdrivningsteknologier, der i årtier har kastet mennesker til andre planeter og stjerner - men kun på science fiction-sider.
Fra skildpadde til hare
Hvad er videnskab-faktum muligheder?
NASA arbejder hårdt på to grundlæggende tilgange. Den første er at udvikle radikalt nye raketter, der har en størrelsesorden bedre brændstoføkonomi end kemisk fremdrift. Det andet er at udvikle "drivmiddelfrie" systemer, der drives af ressourcer, der er rigelige i vakuumet fra det dybe rum.
Alle disse teknologier har en nøgleegenskab: de starter langsomt, som den ordsprægede skildpadde, men bliver med tiden til en hare, der rent faktisk vinder et løb mod Mars - eller hvor som helst. De er afhængige af, at en lille kontinuerlig acceleration over måneder i sidste ende kan fremdrive et rumfartøj langt hurtigere end et enormt indledende spark efterfulgt af en lang periode med kystning.
Over: Dette rumskib med lavt drivkraft (en kunstners koncept) drives af en ionmotor og drives af solenergi. Til sidst henter fartøjet hastigheden - et resultat af nådeløs acceleration - og kører langs med mange miles i sekundet. Billedkredit: John Frassanito & Associates, Inc.
Teknisk set er de alle systemer med lavt træk (hvilket betyder, at du næppe ville mærke den åh-så-blide acceleration, svarende til vægten af et stykke papir, der ligger på din håndflade) men lange driftstider. Efter måneder med fortsat lille acceleration, vil du klippe med mange kilometer i sekundet! I modsætning hertil er kemiske fremdrivningssystemer høje træk og korte driftstider. Du bliver knust tilbage i sædehynderne, mens motorerne skyder, men kun kort. Derefter er tanken tom.
Brændstofeffektive raketter
”En raket er noget, der kaster noget over bord for at drive sig selv fremad,” påpegede Johnson. (Tror du ikke den definition? Sæt dig på et skateboard med en højtryksslange peget på én måde, og du bliver fremdrevet på den modsatte måde).
Ledende kandidater til den avancerede raket er varianter af ionmotorer. I nuværende ionmotorer er drivmidlet en farveløs, smagløs, lugtfri inert gas, såsom xenon. Gassen fylder et magnetringet kammer, gennem hvilket en elektronstråle løber. Elektronerne rammer de gasformige atomer, slår en ydre elektron væk og vender neutrale atomer til positivt ladede ioner. Elektrificerede gitter med mange huller (15.000 i dagens versioner) fokuserer ioner mod rumskibets udstødning. Iionerne skyder forbi gitrene med hastigheder på op til mere end 100.000 miles i timen (sammenlign det med en Indianapolis 500 racerbil ved 225 mph) - accelererer motoren ud i rummet, så det producerer tryk.
Hvor kommer elektriciteten fra for at ionisere gassen og oplade motoren? Enten fra solcellepaneler (såkaldt solelektrisk fremdrift) eller fra fission eller fusion (såkaldt nukleær elektrisk fremdrift). Solenergi-fremdrivningsmotorer ville være mest effektive til robotopgaver mellem solen og Mars, og nukleær elektrisk fremdrift til robotopgaver ud over Mars, hvor sollys er svagt eller til menneskelige opgaver, hvor hastighed er af essensen.
Ion driver arbejde. De har bevist deres måling ikke kun i tests på Jorden, men i arbejdende rumfartøjer - det bedst kendte er Deep Space 1, en lille teknologitestningsmission drevet af solenergi-fremdrift, der fløj forbi og tog billeder af Comet Borrelly i september, 2001. Ion-drev som den, der fremdrev Deep Space 1, er cirka 10 gange så effektive som kemiske raketter.
Brændstoffrie systemer
Fremdrivningssystemerne med laveste masse kan dog være dem, der overhovedet ikke har drivmiddel om bord. Faktisk er de ikke engang raketter. I stedet for i ægte pionérstil ”lever de af landet” - de stoler på energi til naturlige ressourcer, der er rigelige i rummet, ligesom pionerer i fortiden var afhængige af mad til at fange dyr og finde rødder og bær på grænsen.
De to førende kandidater er solsejl og plasma sejl. Selvom effekten er ens, er driftsmekanismerne meget forskellige.
Et solsejl består af et enormt område med sladder, meget reflekterende materiale, der er udfoldet i dybt rum for at fange lys fra solen (eller fra en mikrobølgeovn eller laserstråle fra Jorden). Ved meget ambitiøse missioner kunne sejl strække sig op til mange kvadratkilometer i området.
Solsejl drager fordel af det faktum, at solfotoner, selvom de ikke har nogen masse, har fart - flere mikronton (ca. vægten af en mønt) pr. Kvadratmeter i afstand til Jorden. Dette blide strålingstryk vil langsomt men sikkert fremskynde sejlet og dets nyttelast væk fra solen og nå hastigheder på op til 150.000 miles i timen eller mere end 40 miles per sekund.
En almindelig misforståelse er, at solsejl fanger solvinden, en strøm af energiske elektroner og protoner, der koger væk fra solens ydre atmosfære. Ikke så. Solsejl får deres fart fra sollys selv. Det er imidlertid muligt at trykke på solvindens fart ved hjælp af såkaldte ”plasmasegl.”
Plasmasejl er modelleret på Jordens eget magnetfelt. Kraftige elektromagneter ombord ville omslutte et rumfartøj med en magnetisk boble 15 eller 20 kilometer på tværs. Højhastighedsladede partikler i solvinden skubber den magnetiske boble, ligesom de gør Jordens magnetfelt. Jorden bevæger sig ikke, når den skubbes på denne måde - vores planet er for massiv. Men et rumfartøj ville gradvist blive skubbet væk fra solen. (En ekstra bonus: ligesom Jordens magnetfelt beskytter vores planet mod soleksplosioner og strålingstorme, så ville et magnetisk plasmasejla beskytte beboerne i et rumfartøj.)
Over: En kunstners koncept om en rumsonde inde i en magnetisk boble (eller ”plasmasejla”). Opladede partikler i solvinden rammer boblen, lægger pres og fremdriver rumfartøjet. [mere]
Selvfølgelig er den originale, prøvede og sande drivmiddelfri teknologi tyngdekraften. Når et rumfartøj svinger af en planet, kan det stjæle noget af planetens kredsløbsmoment. Dette gør næppe en forskel for en massiv planet, men det kan imponerende øge hastigheden på et rumfartøj. For eksempel, da Galileo svingte af Jorden i 1990, steg rumfartøjets hastighed med 11.620 mph; I mellemtiden bremsede Jorden i sin bane med et beløb på mindre end 5 milliarddele af en tomme om året. Sådanne tyngdekraftsassister er værdifulde til at supplere enhver form for fremdrivningssystem.
Okay, nu hvor du har zippet igennem det interplanetære rum, hvordan kan du bremse på din destination nok til at gå ind i en parkeringsbane og forberede dig på landing? Med kemisk fremdrift er den sædvanlige teknik at affyre retrorockets - igen, hvilket kræver store masser af brændstof ombord.
En langt mere økonomisk mulighed loves ved aerocapture - bremsning af rumfartøjet ved friktion med destinationsplanetens egen atmosfære. Kunsten er naturligvis ikke at lade et højhastighedsinterplanetært rumfartøj brænde op. Men NASA-forskere mener, at det med et passende designet varmeskjold ville være muligt for mange missioner at blive fanget i kredsløb omkring en destinationsplanet med kun en gennemgang gennem dens øvre atmosfære.
Videre!
"Ingen enkelt fremdrivningsteknologi vil gøre alt for enhver smag," advarede Johnson. Faktisk er solsejl og plasmasegler sandsynligvis primært nyttigt til fremdrift af last snarere end mennesker fra Jorden til Mars, fordi "det tager for lang tid for disse teknologier at komme op for at undslippe hastigheden," tilføjede Drake.
Ikke desto mindre kunne en hybrid af flere teknologier vise sig at være meget økonomisk, når det gælder at få en bemandet mission til Mars. Faktisk kunne en kombination af kemisk fremdrift, ionfremdrift og aerocapture reducere lanceringsmassen for en 6-personers Mars-mission til under 450 ton (kræver kun seks lanceringer) - uden halvdelen af det, der kan opnås med kemisk fremdrift alene.
En sådan hybridmission kan gå sådan: Kemiske raketter, som sædvanligt, ville få rumfartøjet væk fra jorden. Når ion-drevmodulerne først var i en lav-jord-bane, antændes, eller jordkontrollere kan indsætte et sol- eller plasmasejlads. I 6 til 12 måneder ville rumskibet - midlertidigt ubemandet for at undgå at udsætte besætningen for store doser af stråling i Jordens Van Allen-strålingsbælter - spiral væk og gradvist accelerere op til en endelig høj jordafgangsbane. Besætningen blev derefter færget ud til Mars-køretøjet i en højhastighedstaxi; et lille kemisk trin ville derefter sparke køretøjet op for at undslippe hastighed, og det ville køre videre til Mars.
Når Jorden og Mars drejer sig i deres respektive kredsløb, ændres den relative geometri mellem de to planeter konstant. Selvom lanceringsmuligheder til Mars forekommer hver 26. måned, sker de optimale justeringer for de billigste, hurtigst mulige ture hvert 15. år - det næste, der kommer i 2018.
Måske har vi måske et andet svar på spørgsmålet, "Houston, er vi der endnu?"
Original kilde: NASA Science Story
