När det gäller framtiden för utforskning av rymden undersöks ett antal nya tekniker. Framför allt är nya former av framdrivning som kan balansera bränsleeffektiviteten med kraft. Inte bara skulle motorer som kan uppnå mycket kraft med mindre bränsle vara kostnadseffektiva, de kommer att kunna färja astronauter till destinationer som Mars och därefter på kortare tid.
Det är här motorer som X3 Hall-effekt thruster kommer in i spelet. Denna thruster, som utvecklas av NASAs Glenn Research Center i samarbete med det amerikanska flygvapnet och University of Michigan, är en uppskalad modell av de typer av thrusterar som används av Gryning rymdskepp. Under ett nyligen testat, förstörde denna thruster det tidigare rekordet för en Hall-effekt-thruster, vilket uppnådde högre kraft och överlägsen kraft.
Hall-effekt thrustare har fått förmån för planeringsmän under de senaste åren på grund av deras extrema effektivitet. De fungerar genom att förvandla små mängder drivmedel (vanligtvis inerta gaser som xenon) till laddad plasma med elektriska fält, som sedan accelereras mycket snabbt med ett magnetfält. Jämfört med kemiska raketer kan de uppnå topphastigheter med en liten bråkdel av deras bränsle.
En hittills stor utmaning har dock byggts en Hall-effekt-thruster som också kan uppnå höga nivåer av drivkraft. Medan bränsleeffektivt producerar vanliga jonmotorer vanligtvis bara en bråkdel av drivkraften som produceras av raketer som är beroende av fast-kemiska drivmedel. Därför varför NASA utvecklat den skalade upp X3-thrusteren tillsammans med sina partners.
Utvecklingen av thrusteren har övervakats av Alec Gallimore, professor i flyg- och rymdteknik och Robert J. Vlasic Dean of Engineering vid University of Michigan. Som han antydde i ett pressmeddelande från Michigan News nyligen:
”Marsuppdragen är precis vid horisonten, och vi vet redan att Hall-thrusterarna fungerar bra i rymden. De kan optimeras antingen för att bära utrustning med minimal energi och drivmedel under ett år eller så, eller för hastighet - att transportera besättningen till Mars mycket snabbare. ”
I de senaste testerna, förstörde X3 den tidigare drivkraftuppsättningen som sattes av en Hall-thruster, och uppnådde 5,4 ton kraft jämfört med den gamla rekorden på 3,3 newton. X3 fördubblade också driftsströmmen (250 ampere mot 112 ampere) och körde på något högre effekt än den tidigare rekordhållaren (102 kilowatt mot 98 kilowatt). Detta var uppmuntrande nyheter, eftersom det betyder att motorn kan erbjuda snabbare acceleration, vilket innebär kortare körtider.
Testet genomfördes av Scott Hall och Hani Kamhawi vid NASA Glenn Research Center i Cleveland. Medan Hall är doktorand i flyg- och rymdteknik vid U-M, är Kamhawi NASA Glenn-forskare som har varit starkt engagerad i utvecklingen av X3. Dessutom är Kamhawi också Halls NASA-mentor, som en del av NASA Space Technology Research Fellowship (NSTRF).
Detta test var kulminationen på mer än fem års forskning som försökte förbättra den nuvarande Hall-effekt-designen. För att genomföra testet förlitade teamet sig på NASA Glenns vakuumkammare, som för närvarande är den enda kammaren i USA som kan hantera X3-thrusteren. Detta beror på den stora mängd avgaser som thrusteren producerar, vilket kan resultera i att joniserat xenon flyter tillbaka in i plasmapummen och därigenom skar testresultaten.
NASA Glenns installation är den enda med en vakuumpump som är tillräckligt kraftfull för att skapa förutsättningarna för att hålla avgaserna ren. Hall och Kamhawi var också tvungna att bygga ett anpassat tryckstativ för att stödja X3: s ram på 227 kg (500 pund) och motstå kraften som den genererar, eftersom befintliga stativ inte var upp till uppgiften. Efter att ha fixat ett testfönster tillbringade teamet fyra veckor på att förbereda stativet, thrusteren och sätta upp alla nödvändiga anslutningar.
Samtidigt var NASA-forskare, ingenjörer och tekniker tillgängliga för att ge stöd. Efter 20 timmars pumpning för att uppnå ett rymdliknande vakuum inuti kammaren genomförde Hall och Kamhawi en serie tester där motorn skulle skjutas upp i 12 timmar i rakt. Under 25 dagar tog teamet X3 upp till sina rekordmässiga kraft-, ström- och drivnivåer.
Med tanke på framtiden planerar teamet att genomföra fler tester i Gallimores laboratorium vid U-M med en uppgraderad vakuumkammare. Dessa uppgraderingar kommer att vara scheman som ska slutföras i januari 2018 och gör det möjligt för teamet att genomföra framtida tester internt. Denna uppgradering möjliggjordes tack vare ett bidrag på 1 miljon USD, som delvis bidrog av Air Force Office of Scientific Research, med ytterligare stöd från Jet Propulsion Laboratory och U-M.
X3: s kraftförsörjning utvecklas också av Aerojet Rocketdyne, den Sacramento-baserade raket- och missilframdrivningstillverkaren som också är ledaren för framdrivningssystemet från NASA. Vid våren 2018 förväntas motorn integreras med dessa kraftsystem; vid vilken tidpunkt en serie av 100-timmars tester som återigen kommer att genomföras vid Glenn Research Center.
X3 är en av tre prototyper som NASA undersöker för framtida besättningsuppdrag till Mars, som alla är avsedda att minska restiderna och minska mängden bränsle som behövs. Utöver att göra sådana uppdrag mer kostnadseffektiva är de reducerade transittiderna också avsedda att minska mängden strålning som astronauter kommer att utsättas för när de reser mellan Jorden och Mars.
Projektet finansieras genom NASA: s Next Space Technologies for Exploration Partnership (Next-STEP), som inte bara stöder framdrivningssystem utan också livsmiljösystem och tillverkning i rymden.
