Bildekreditt: NASA
Som alle vet, kjemiske raketter er for trege for romutforskning. Kanskje det mest effektive vil være hybridsystemer, med forskjellige typer fremdrift som brukes på forskjellige reisepunkter. Denne artikkelen gir deg en oversikt over teknologiene som NASA arbeider for tiden.
"Mamma, er vi der ennå?"
Hver foreldre har hørt det gråt fra baksetet i bilen. Det begynner vanligvis omtrent 15 minutter etter starten på en familietur. Bra at vi sjelden reiser mer enn noen hundre eller noen få tusen mil hjemmefra.
Men hva om du skulle reise til, for eksempel, Mars? Selv den nærmeste tilnærmingen til Jorden hvert par år, er den røde planeten alltid minst 35 millioner kilometer unna. Seks måneder der og seks måneder tilbake - i beste fall.
“Houston, er vi der ennå?”
"Kjemiske raketter er bare for trege," beklager Les Johnson, sjef for transportteknologier i rom ved NASAs Marshall Space Flight Center. "De brenner alt drivmiddelet i begynnelsen av en flytur, og så kaster romskipet bare resten av veien." Selv om romfartøyer kan fremskyndes ved hjelp av tyngdekraften - en himmelsk sprekk - pisk rundt planeter, slik som den rundt Saturn som kastet Voyager 1 til kanten av solsystemet, måles fortsatt reisetider mellom planetene i år til flere tiår. Og en reise til den nærmeste stjernen ville ta århundrer hvis ikke årtusener.
Verre ennå er kjemiske raketter bare for drivstoffeffektive. Tenk på å kjøre i en bensindoser over et land uten bensinstasjoner. Du må ta båtmengder med bensin og ikke mye annet. I romoppdrag kalles det du kan ta med på turen som ikke er drivstoff (eller tanker for drivstoff) nyttelastmassen - for eksempel mennesker, sensorer, prøvetakere, kommunikasjonsutstyr og mat. Akkurat som gass kjørelengde er en nyttig fortjeneste for drivstoffeffektiviteten til en bil, er "nyttelastmassefraksjonen" - forholdet mellom et oppdrags nyttelastmasse og den totale massen - en nyttig fortjeneste for effektiviteten til fremdriftssystemer.
Med dagens kjemiske raketter er massefraksjonen av nyttelast lav. "Selv ved å bruke en minstenergi-bane for å sende et seks-mannskap fra Jorden til Mars, med bare kjemiske raketter, vil den totale utskytingsmassen være på over 1000 tonn - hvorav rundt 90 prosent ville være drivstoff," sa Bret G. Drake, manager for analyse og integrering av romfart ved Johnson Space Center. Drivstoffet alene ville veie dobbelt så mye som den komplette internasjonale romstasjonen.
En enkelt Mars-ekspedisjon med dagens kjemiske fremdriftsteknologi vil kreve dusinvis av utskytninger - hvorav de fleste ganske enkelt ville lansere kjemisk drivstoff. Det er som om den 1 tonns kompakte bilen din trengte 9 tonn bensin for å kjøre fra New York City til San Francisco fordi den i gjennomsnitt bare var en kilometer per gallon.
Med andre ord, fremdriftssystemer med lav ytelse er en hovedårsak til at mennesker ennå ikke har satt foten på Mars.
Mer effektive fremdriftssystemer øker nyttelastmassefraksjonen ved å gi bedre "gass kjørelengde" i verdensrommet. Siden du ikke trenger så mye drivmiddel, kan du ta med mer ting, gå i et mindre kjøretøy og / eller komme dit raskere og billigere. "Den viktigste meldingen er: vi trenger avanserte fremdriftsteknologier for å muliggjøre et rimelig oppdrag til Mars," erklærte Drake.
Dermed utvikler NASA nå ionedrev, solseil og andre eksotiske fremdriftsteknologier som i flere tiår har kastet mennesker til andre planeter og stjerner - men bare på science fiction-sidene.
Fra skilpadde til hare
Hva er vitenskapelig faktumalternativer?
NASA jobber hardt med to grunnleggende tilnærminger. Den første er å utvikle radikalt nye raketter som har en orden av størrelsesorden bedre drivstofføkonomi enn kjemisk fremdrift. Det andre er å utvikle "drivmiddelfrie" systemer som drives av ressurser som er rikelig i vakuumet fra det dype rommet.
Alle disse teknologiene har en sentral egenskap: De starter sakte, som den ordspråklige skilpadden, men blir over tid til en hare som faktisk vinner et løp til Mars - eller hvor som helst. De er avhengige av at en liten kontinuerlig akselerasjon over måneder til slutt kan drive et romskip langt raskere enn ett enormt første spark fulgt av en lang kystperiode.
Over: Dette romskipet med lavt drivkraft (en kunstners konsept) drives av en ionemotor og drives av solenergi. Etter hvert vil fartøyet øke hastigheten - et resultat av nådeløs akselerasjon - og løpe langs mange miles per sekund. Bildekreditt: John Frassanito & Associates, Inc.
Teknisk sett er de alle systemer med lite trykk (noe som betyr at du knapt vil føle den oh-so-milde akselerasjonen, som tilsvarer vekten til et stykke papir som ligger på håndflaten din), men lange driftstider. Etter måneder med fortsatt liten akselerasjon, vil du ta med deg mange mil per sekund! I motsetning til dette er kjemiske fremdriftssystemer høye drivkraft og korte driftstider. Du blir knust tilbake i sitteputene mens motorene fyrer, men bare kort. Etter det er tanken tom.
Drivstoffeffektive raketter
"En rakett er noe som kaster noe over bord for å drive seg frem," påpekte Johnson. (Tror du ikke den definisjonen? Sitt på et skateboard med en høytrykksslange pekt en vei, så blir du drevet på motsatt måte).
Ledende kandidater for den avanserte raketten er varianter av ionemotorer. I nåværende ionemotorer er drivmidlet en fargeløs, smakløs, luktfri inert gass, for eksempel xenon. Gassen fyller et magnetringet kammer som fører en elektronstråle gjennom. Elektronene treffer de gassformige atomene, slår et ytre elektron bort og gjør nøytrale atomer om til positivt ladede ioner. Elektrifiserte rister med mange hull (15 000 i dagens versjoner) fokuserer ionene mot romskipets eksos. Ionene skyter forbi rutenettet i hastigheter på opptil mer enn 100 000 miles i timen (sammenlign det med en Indianapolis 500 racerbil på 225 mph) - akselererer motoren ut i verdensrommet, og produserer dermed skyvkraft.
Hvor kommer strømmen fra for å ionisere gassen og lade motoren? Enten fra solcellepaneler (såkalt solelektrisk fremdrift) eller fra fisjon eller fusjon (såkalt nukleær elektrisk fremdrift). Solenergi fremdriftsmotorer ville være mest effektive for robotoppdrag mellom solen og Mars, og kjernefysisk fremdrift for robotoppdrag utover Mars hvor sollyset er svakt eller for menneskelige oppdrag der hastighet er essensen.
Ion driver arbeid. De har bevist mettelen sin ikke bare i tester på jorden, men i arbeidende romfartøy - det mest kjente var Deep Space 1, et lite teknologitestingoppdrag drevet av solenergi-fremdrift som fløy forbi og tok bilder av Comet Borrelly i september, 2001. Jon-stasjoner som den som drev Deep Space 1 er omtrent ti ganger så effektiv som kjemiske raketter.
Drivmiddelfrie systemer
Fremdriftssystemene med laveste masse kan imidlertid være de som ikke har drivmiddel om bord i det hele tatt. Faktisk er de ikke engang raketter. I stedet, i ekte pionérstil, "lever de av landet" - og stoler på energi på naturressurser som er rikelig i verdensrommet, omtrent som pionerer av yore stolte på mat til å fange dyr og finne røtter og bær på grensen.
De to ledende kandidatene er solseil og plasmaseil. Selv om effekten er lik, er driftsmekanismene veldig forskjellige.
Et solseil består av et enormt område med sladder, veldig reflekterende materiale som er viklet ut i et dypt rom for å fange opp lys fra solen (eller fra en mikrobølgeovn eller laserstråle fra jorden). For veldig ambisiøse oppdrag, kunne seilene strekke seg til mange kvadratkilometer i området.
Solseil drar nytte av det faktum at solcellefotoner, selv om de ikke har masse, har fart - flere mikronton (omtrent vekten til en mynt) per kvadratmeter på avstanden til Jorden. Dette milde strålingstrykket vil sakte men sikkert akselerere seilet og dens nyttelast bort fra solen, og nå hastigheter på opptil 150.000 miles per time, eller mer enn 40 miles per sekund.
En vanlig misforståelse er at solseil fanger solvinden, en strøm av energiske elektroner og protoner som koker bort fra solens ytre atmosfære. Ikke så. Solseil får fart fra sollys selv. Det er imidlertid mulig å benytte fart på solvinden ved å bruke såkalte "plasmasegler."
Plasmasegler er modellert på jordas eget magnetfelt. Kraftige elektromagneter ombord ville omgi et romskip med en magnetisk boble 15 eller 20 kilometer over. Høyhastighetsladede partikler i solvinden ville skyve den magnetiske boblen, akkurat som de gjør jordens magnetfelt. Jorden beveger seg ikke når den skyves på denne måten - planeten vår er for massiv. Men et romskip ble gradvis ført bort fra solen. (En ekstra bonus: akkurat som jordens magnetiske felt beskytter planeten vår mot soleksplosjoner og strålingstormer, slik ville et magnetisk plasmaseil beskytte beboerne i et romfartøy.)
Over: En kunstners konsept av en romsonde i en magnetisk boble (eller "plasma-seil"). Ladede partikler i solvinden treffer boblen, bruker trykk og driver romfartøyet. [mer]
Selvfølgelig er den originale, velprøvde drivstofffrie teknologien gravitasjonsassistent. Når et romskip svinger av en planet, kan det stjele noe av planetens omløpsmoment. Dette gjør neppe en forskjell for en massiv planet, men det kan imponerende øke hastigheten til et romskip. For eksempel, når Galileo svingte av jorden i 1990, økte romfartøyets hastighet med 11 620 mph; I mellomtiden bremset Jorden i sin bane med et beløp mindre enn 5 milliarddeler av en tomme per år. Slike tyngdekraftsassistanser er verdifulle for å supplere enhver form for fremdriftssystem.
OK, nå som du har glipt deg gjennom interplanetarealet, hvordan bremser du på bestemmelsesstedet nok til å gå inn på en parkeringsbane og forberede deg på landing? Med kjemisk fremdrift, er den vanlige teknikken å skyte retordroker - igjen, og krever store masser med drivstoff ombord.
Et langt mer økonomisk alternativ blir lovet ved aerocapture - å bremse romskipet ved friksjon med destinasjonsplanetens egen atmosfære. Trikset er selvfølgelig ikke å la et høytfart interplanetært romfartøy brenne opp. Men forskere fra NASA føler at det med et passende utformet varmeskjold ville være mulig for mange oppdrag å bli fanget i bane rundt en destinasjonsplanet med bare ett pass gjennom sin øvre atmosfære.
Videre!
"Ingen enkelt fremdriftsteknologi vil gjøre alt for alle," advarte Johnson. Faktisk vil solseil og plasma-seil sannsynligvis være nyttig først og fremst for å drive last fremfor mennesker fra Jorden til Mars, fordi "det tar for lang tid for disse teknologiene å komme seg opp for å unnslippe hastigheten," la Drake til.
Ikke desto mindre kan en hybrid av flere teknologier vise seg å være veldig økonomisk for å få et bemannet oppdrag til Mars. Faktisk kan en kombinasjon av kjemisk fremdrift, ionepropulsjon og aerocapture redusere oppskytingsmassen til et 6-manns Mars-oppdrag til under 450 tonn (krever bare seks utskytninger) - uten halvparten av det som oppnås med kjemisk fremdrift alene.
Et slikt hybridoppdrag kan gå slik: Kjemiske raketter, som vanlig, ville få romskipet fra bakken. Når banebrytningsmodulene var i bane på lav jord, kan antennes, eller bakkekontrollere kan distribuere et sol- eller plasma-seil. I 6 til 12 måneder ville romskipet - midlertidig ubemannet for å unngå å eksponere mannskapet for store doser stråling i jordens Van Allen-strålingsbelter - spiral bort og gradvis akselerere opp til en endelig høy jordavgangsbane. Mannskapet ble deretter ferjet ut til Mars-kjøretøyet i en høyhastighetstaxi; et lite kjemisk stadium skulle deretter sparke kjøretøyet opp for å unnslippe hastigheten, og det ville ta seg videre til Mars.
Når Jorden og Mars kretser i hver sin bane, endres den relative geometrien mellom de to planetene kontinuerlig. Selv om lanseringsmuligheter til Mars forekommer hver 26. måned, skjer de optimale justeringene for de billigste, raskest mulige turene hvert 15. år - den neste kommer i 2018.
Kanskje har vi da et annet svar på spørsmålet, "Houston, er vi der ennå?"
Original kilde: NASA Science Story
