Når det gjelder fremtiden for romutforskning, blir en rekke nye teknologier undersøkt. Fremst blant disse er nye former for fremdrift som vil kunne balansere drivstoffeffektivitet med kraft. Ikke bare ville motorer som er i stand til å oppnå mye kraft med mindre drivstoff være kostnadseffektive, de vil kunne ferge astronauter til destinasjoner som Mars og utover på kortere tid.
Det er her motorer som X3 Hall-effekt thruster kommer inn i bildet. Denne thrusteren, som er utviklet av NASAs Glenn Research Center i samarbeid med det amerikanske flyvåpenet og University of Michigan, er en oppskalert modell av typen thrustere som brukes av Soloppgang romfartøy. Under en nylig test knuste denne thrusteren den forrige rekorden for en Hall-effekt thruster, og oppnådde høyere kraft og overlegen skyvekraft.
Hall-effekt thrustere har oppnådd fordel hos misjonsplanleggere de siste årene på grunn av deres ekstreme effektivitet. De fungerer ved å gjøre små mengder drivmiddel (vanligvis inerte gasser som xenon) om til ladet plasma med elektriske felt, som deretter akselereres veldig raskt ved hjelp av magnetfelt. Sammenlignet med kjemiske raketter kan de oppnå topphastigheter ved å bruke en liten brøkdel av drivstoffet.
En hittil stor utfordring har imidlertid vært å bygge en Hall-effekt-thruster som også er i stand til å oppnå høye nivåer av drivkraft. Mens de er drivstoffeffektive, produserer konvensjonelle ionemotorer vanligvis bare en brøkdel av drivkraften produsert av raketter som er avhengige av faste kjemiske drivstoffer. Derfor hvorfor NASA har utviklet en oppskalert thrustermodell X3 sammen med sine partnere.
Utviklingen av thrusteren er overvåket av Alec Gallimore, professor i romfartsteknikk og Robert J. Vlasic dekan for ingeniørfag ved University of Michigan. Som han antydet i en fersk pressemelding fra Michigan News:
“Mars-oppdragene er like i horisonten, og vi vet allerede at Hall-skyvebredere fungerer godt i verdensrommet. De kan optimaliseres enten for å bære utstyr med minimal energi og drivmiddel i løpet av et år eller så, eller for hastighet - å frakte mannskapet til Mars mye raskere. ”
I nylige tester knuste X3 den forrige skyverekorden som ble satt av en Hall-thruster, og oppnådde 5,4 newton kraft sammenlignet med den gamle rekorden på 3,3 newton. X3 fordoblet også driftsstrømmen (250 ampere mot 112 ampere) og kjørte med litt høyere effekt enn den forrige rekordholderen (102 kilowatt vs 98 kilowatt). Dette var oppmuntrende nyheter, siden det betyr at motoren kan tilby raskere akselerasjon, noe som betyr kortere reisetid.
Testen ble utført av Scott Hall og Hani Kamhawi ved NASA Glenn Research Center i Cleveland. Mens Hall er doktorgradsstudent i luftfartsteknikk ved U-M, er Kamhawi NASA Glenn forsker som har vært sterkt involvert i utviklingen av X3. I tillegg er Kamhawi også Halls NASA-mentor, som en del av NASA Space Technology Research Fellowship (NSTRF).
Denne testen var kulminasjonen på mer enn fem års forskning som forsøkte å forbedre dagens Hall-effekt design. For å gjennomføre testen, stolte teamet på vakuumkammeret til NASA Glenn, som for øyeblikket er det eneste kammeret i USA som takler X3-thrusteren. Dette skyldes den store mengden eksos thrusteren produserer, noe som kan føre til at ionisert xenon driver tilbake i plasmasken, og dermed skifter testresultatene.
NASA Glenns oppsett er den eneste med en vakuumpumpe som er kraftig nok til å skape forholdene som er nødvendige for å holde eksosen ren. Hall og Kamhawi måtte også bygge et tilpasset skyvekraftstativ for å støtte X3s ramme på 227 kg (500 pund) og motstå kraften den genererer, siden eksisterende stativer ikke var opp til oppgaven. Etter å ha sikret et testvindu, brukte teamet fire uker på å preppe stativet, thrusteren og sette opp alle nødvendige forbindelser.
Hele tiden var forskere, ingeniører og teknikere fra NASA til stede for å gi støtte. Etter 20 timers pumping for å oppnå et romlignende vakuum inne i kammeret, gjennomførte Hall og Kamhawi en serie tester der motoren ville bli avfyrt i 12 timer i strekk. I løpet av 25 dager brakte teamet X3 opp til sin rekordstore kraft, strøm og skyve nivåer.
Når vi ser fremover, planlegger teamet å gjennomføre flere tester i Gallimores laboratorium på U-M ved å bruke et oppgradert vakuumkammer. Disse oppgraderingene vil være planer som skal fullføres innen januar 2018, og vil gjøre det mulig for teamet å gjennomføre fremtidige tester i egen regi. Denne oppgraderingen ble muliggjort takket være et tilskudd på $ 1 million USD, delvis bidratt av Luftforsvarets kontor for vitenskapelig forskning, med tilleggsstøtte gitt av Jet Propulsion Laboratory og U-M.
X3s strømforsyninger utvikles også av Aerojet Rocketdyne, den Sacramento-baserte rakett- og rakettframdriftsprodusenten som også er ledende for fremdriftssystembevilgningen fra NASA. Innen våren 2018 forventes motoren å være integrert med disse kraftsystemene; på hvilket tidspunkt en serie på 100 timers tester som igjen skal gjennomføres på Glenn Research Center.
X3 er en av tre prototyper som NASA undersøker for fremtidige besetningsoppdrag til Mars, som alle er ment å redusere reisetidene og redusere mengden drivstoff som trengs. Utover å gjøre slike oppdrag mer kostnadseffektive, er de reduserte transittidene også ment å redusere mengden stråling astronauter vil bli utsatt for når de ferdes mellom Jorden og Mars.
Prosjektet er finansiert gjennom NASAs Next Space Technologies for Exploration Partnership (Next-STEP), som støtter ikke bare fremdriftssystemer, men også naturtypesystemer og produksjon i rommet.
