Bildkredit: NASA
Som alla vet är kemiska raketer för långsamma för utforskning av rymden. Det kanske mest effektiva är hybridsystem, med olika typer av framdrivning som används vid olika resor. Den här artikeln ger dig en fördelning av teknologier som NASA för närvarande arbetar med.
"Mamma, är vi där ännu?"
Varje förälder har hört att skrik från bilens baksäte. Det börjar vanligtvis cirka 15 minuter efter det att familjens resa börjat. Bra att vi sällan reser mer än några hundra eller några tusen mil hemifrån.
Men vad händer om du skulle resa till, säg, Mars? Även vid den närmaste tillvägagångssättet till jorden varje par år är den röda planeten alltid minst 35 miljoner miles bort. Sex månader där och sex månader tillbaka - i bästa fall.
"Houston, är vi där ännu?"
"Kemiska raketer är alldeles för långsamma", beklagar Les Johnson, chef för transportteknologier i rymden vid NASA: s Marshall Space Flight Center. "De förbränner all sin drivmedel i början av en flygning och sedan rymdskeppet bara kusten resten av vägen." Även om rymdfarkoster kan rusas upp med tyngdkraftsassistans - en himmelsspricka - piskar runt planeter, till exempel den runt Saturnus som slängde Voyager 1 till kanten av solsystemet - resorstider mellan planeterna mäts fortfarande i år till decennier. Och en resa till närmaste stjärna skulle ta århundraden om inte årtusenden.
Värre ännu är kemiska raketer bara för bränsleeffektiva. Tänk på att köra i en bensindrivare över ett land utan bensinstationer. Du måste bära mängder bensin och inte mycket annat. I rymdsuppdrag kallas vad du kan åka på din resa som inte är bränsle (eller tankar för bränsle) nyttolastmassan - t.ex. människor, sensorer, samplare, kommunikationsutrustning och mat. Precis som gassträcka är en användbar mängd förtjänst för en bils bränsleeffektivitet, är "nyttolastmassfraktionen" - förhållandet mellan uppdragets nyttolastmassa och dess totala massa - en användbar värdefördel för framdrivningssystemens effektivitet.
Med dagens kemiska raketer är massfraktionen av nyttolast låg. "Till och med att använda en minimiteknisk bana för att skicka en sexpersons besättning från Jorden till Mars, med kemiska raketer ensam, skulle den totala lanseringsmassan överstiga 1000 ton - varav cirka 90 procent skulle vara bränsle," sa Bret G. Drake, chef för rymdstartanalys och integration vid Johnson Space Center. Bränslet ensam skulle väga dubbelt så mycket som den färdiga internationella rymdstationen.
En enda Mars-expedition med dagens kemiska framdrivningsteknologi kräver dussintals lanseringar - varav de flesta helt enkelt skulle lansera kemiskt bränsle. Det är som om din 1-ton kompaktbil behövde 9 ton bensin för att köra från New York till San Francisco eftersom den bara hade en mil per gallon.
Med andra ord är framdrivningssystem med låg prestanda en viktig orsak till att människor ännu inte har satt foten på Mars.
Effektivare framdrivningssystem ökar nyttolastmassfraktionen genom att ge bättre "gasmiljö" i rymden. Eftersom du inte behöver så mycket drivmedel kan du bära mer saker, gå i ett mindre fordon och / eller komma dit snabbare och billigare. "Det viktigaste meddelandet är: vi behöver avancerade framdrivningstekniker för att möjliggöra ett billigt uppdrag till Mars," förklarade Drake.
Således utvecklar NASA nu jon-drivenheter, solseglar och annan exotisk framdrivningsteknologi som i årtionden har vänt människor till andra planeter och stjärnor - men bara på science fiction-sidor.
Från sköldpadda till hare
Vilka är vetenskapliga faktumalternativ?
NASA arbetar hårt med två grundläggande metoder. Den första är att utveckla radikalt nya raketer som har en ordningsstorlek bättre bränsleekonomi än kemisk framdrivning. Det andra är att utveckla "drivmedel-fria" system som drivs av resurser som är rikliga i vakuumet från djupa rymden.
Alla dessa teknologier har en viktig egenskap: de börjar långsamt, som den ordspråkiga sköldpaddan, men förvandlas med tiden till en hare som faktiskt vinner ett lopp till Mars - eller var som helst. De förlitar sig på det faktum att en liten kontinuerlig acceleration under månader i slutändan kan driva ett rymdskepp mycket snabbare än en enorm initial spark följt av en lång period av kuster.
Ovan: Detta rymdskepp med låg drivkraft (en konstnärs koncept) drivs av en jonmotor och drivs av solenergi. Så småningom kommer fartyget att öka hastigheten - ett resultat av obeveklig acceleration - och köra längs med många mil per sekund. Bildkredit: John Frassanito & Associates, Inc.
Tekniskt sett är de alla system med låg drivkraft (vilket innebär att du knappast skulle känna den oh-så-mjuka accelerationen, vilket motsvarar vikten av ett papper som ligger på handflatan) men långa driftstider. Efter månader med fortsatt liten acceleration skulle du klippa med många mil per sekund! Däremot är kemiska framdrivningssystem högt tryckkraft och korta driftstider. Du krossas tillbaka i sittdynorna medan motorerna skjuter, men bara kort. Därefter är tanken tom.
Bränsleeffektiva raketer
"En raket är allt som kastar något överbord för att driva sig framåt," påpekade Johnson. (Tror du inte på den definitionen? Sitt på ett skateboard med en högtrycksslang pekad ett sätt, så kommer du att drivas på motsatt sätt).
Ledande kandidater för den avancerade raketen är varianter av jonmotorer. I nuvarande jonmotorer är drivmedlet en färglös, smaklös, luktfri inert gas, såsom xenon. Gasen fyller en magnetringad kammare genom vilken en elektronstråle går. Elektronerna träffar gasatomerna, slår en yttre elektron bort och förvandlar neutrala atomer till positivt laddade joner. Elektrifierade rutnät med många hål (15 000 i dagens versioner) fokuserar jonerna mot rymdskeppets avgaser. Jonerna skjuter förbi rutnätet med hastigheter på upp till mer än 100 000 miles per timme (jämför det med en Indianapolis 500 racerbil på 225 mph) - accelererar ut motorn i rymden, så att man producerar drivkraft.
Varifrån kommer elen att jonisera gasen och ladda motorn? Antingen från solpaneler (sk elektrisk framdrivning av solenergi) eller från fission eller fusion (sk kärnkraft framdrivning). Solenergiska framdrivningsmotorer skulle vara mest effektiva för robotuppdrag mellan solen och Mars, och kärnkraftframdrivning för robotuppdrag bortom Mars där solljuset är svagt eller för mänskliga uppdrag där hastigheten är väsentligen.
Jon driver arbete. De har bevisat sin mettle inte bara i tester på jorden utan i fungerande rymdskepp - den mest kända var Deep Space 1, ett litet teknik-testuppdrag som drivs med solenergi framdrivning som flög förbi och tog bilder av Comet Borrelly i september, 2001. Jondrivningar som den som drev fram Deep Space 1 är ungefär tio gånger så effektiv som kemiska raketer.
Drivmedel-fria system
Framdrivningssystemen med lägst massa kan emellertid vara de som inte har något drivmedel ombord alls. De är faktiskt inte ens raketer. I stället, i verklig pionjärstil, "lever de från landet" - förlitar sig för energi på naturresurser som är rikliga i rymden, precis som pionjärer i yore förlitade sig för mat på att fånga djur och hitta rötter och bär på gränsen.
De två ledande kandidaterna är solseglar och plasmaseglar. Även om effekten är likartad, är driftsmekanismerna mycket olika.
En solsegla består av ett enormt område med gossamer, mycket reflekterande material som är utsprunget i djupa rymden för att fånga ljus från solen (eller från en mikrovågsugn eller laserstråle från jorden). För mycket ambitiösa uppdrag kan seglar sträcka sig upp till många kvadratkilometer i området.
Sol seglar drar nytta av det faktum att solfotoner, även om de inte har någon massa, har fart - flera mikronton (ungefär vikten av ett mynt) per kvadratmeter på jordens avstånd. Detta milda strålningstryck påskyndar långsamt men säkert seglet och dess nyttolast bort från solen och når hastigheter upp till 150 000 miles per timme, eller mer än 40 mil per sekund.
En vanlig missuppfattning är att solseglar fångar solvinden, en ström av energiska elektroner och protoner som kokar bort från solens yttre atmosfär. Inte så. Solen seglar får sin fart från solljuset själv. Det är emellertid möjligt att utnyttja solvindens drivkraft med så kallade "plasmaseglar."
Plasmaseglar är modellerade på jordens eget magnetfält. Kraftfulla elektromagneter ombord skulle omge ett rymdskepp med en magnetbubbla 15 eller 20 kilometer tvärs över. Höghastighetsladdade partiklar i solvinden skulle driva magnetbubblan, precis som de gör jordens magnetfält. Jorden rör sig inte när den skjuts på detta sätt - vår planet är för massiv. Men ett rymdskepp flyttas gradvis bort från solen. (En extra bonus: precis som jordens magnetfält skyddar vår planet från solexplosioner och strålningsstormar, så skulle ett magnetiskt plasmasegla skydda passagerarna i ett rymdskepp.)
Ovan: En konstnärs koncept av en rumsond i en magnetisk bubbla (eller "plasmasegel"). Laddade partiklar i solvinden träffar bubblan, tillämpar tryck och driver rymdskeppet. [Mer]
Naturligtvis är den ursprungliga, beprövade drivmedelfria tekniken tyngdkraft. När ett rymdskepp svänger av en planet kan det stjäla en del av planetens omloppsmoment. Detta gör knappast någon skillnad för en massiv planet, men det kan imponerande höja hastigheten hos ett rymdskepp. Till exempel, när Galileo svängde av jorden 1990, ökade rymdskeppets hastighet med 11 620 mph; Under tiden bromsade jorden ner i sin bana med ett belopp som var mindre än 5 miljarder tum per år. Sådana gravitationshjälpmedel är värdefulla för att komplettera alla former av framdrivningssystem.
Okej, nu när du har zippat mellan interplanetära rymden, hur bromsar du på din destination tillräckligt för att gå in i en parkeringsbana och förbereda för landning? Med kemisk framdrivning är den vanliga tekniken att avfyra retrorlock - ännu en gång, vilket kräver stora massor ombord bränsle.
Ett mycket mer ekonomiskt alternativ lovas genom aerocapture - bromsa rymdskeppet genom friktion med destinationsplanetens egen atmosfär. Tricket är naturligtvis inte att låta ett snabbt interplanetärt rymdfarkoster brinna upp. Men NASA-forskare anser att det med en lämpligt utformad värmesköld skulle vara möjligt för många uppdrag att fångas in i bana runt en destinationsplanet med bara ett pass genom sin övre atmosfär.
framåt!
"Ingen enda framdrivningsteknologi kommer att göra allt för alla," varnade Johnson. Faktum är att solseglar och plasmaseglar sannolikt skulle vara användbara främst för att driva gods snarare än människor från Jorden till Mars, eftersom "det tar för lång tid för den tekniken att komma upp för att undvika hastigheten", tillade Drake.
Ändå kan en hybrid av flera tekniker visa sig vara mycket ekonomisk när det gäller att få ett bemannat uppdrag till Mars. I själva verket kan en kombination av kemisk framdrivning, jonframdrivning och aerocapture minska lanseringsmassan för ett 6-personers Mars-uppdrag till under 450 ton (vilket endast kräver sex utsättningar) - utan hälften av det som kan uppnås med kemisk framdrivning ensam.
Ett sådant hybriduppdrag kan gå så här: Kemiska raketer skulle som vanligt få rymdskeppet från marken. En gång i låg jordbana skulle jon-drivmoduler antända, eller markkontroller kan distribuera ett sol- eller plasmasegel Under 6 till 12 månader skulle rymdskeppet - tillfälligt obemannat för att undvika att utsätta besättningen för stora doser av strålning i jordens Van Allen-strålningsbälten - spira bort och gradvis accelerera upp till en slutlig hög jordbana. Besättningen skulle sedan färjas ut till Mars-fordonet i en höghastighetstaxi; ett litet kemiskt steg skulle sedan sparka upp fordonet för att undvika hastighet, och det skulle gå vidare till Mars.
När Jorden och Mars kretsar i sina respektive banor förändras den relativa geometri mellan de två planeterna ständigt. Även om lanseringsmöjligheter till Mars inträffar var 26: e månad, sker de optimala anpassningarna för de billigaste, snabbast möjliga resorna var 15: e år - nästa kommer 2018.
Kanske då har vi ett annat svar på frågan, "Houston, är vi där ännu?"
Originalkälla: NASA Science Story
