Hvordan bedre fremdriftssystemer kan forbedre udforskningen af ​​rummet

Aero/Astro-ingeniør Ken Hara er ved at udvikle computermodeller for at hjælpe med at gøre en lidt kendt, men udbredt thrustermotor mere velegnet til langdistancemissioner.

Når de fleste mennesker tænker på rumrejser, de forestiller sig raketter som den tårnhøje Saturn V, der sendte Apollo-astronauterne til månen.

Det meste af den enorme raket bestod af det brændstof, den brændte for at affyre en lille, besætningsbærende rumkapsel i kredsløb. der, fri for jordens tyngdekraft, små udbrud fra brændstofbrændende thrustere førte Apollo-rumkapslen til månen og tilbage.

Siden da, forskere har udviklet alternative thruster-teknologier, der ikke brænder tungt brændstof. I stedet, disse thrustere ioniserer stabile gasser som xenon og krypton, bruge elektricitet fra solceller til at fjerne elektronerne fra gasatomerne for at skabe en strøm af positivt ladede ioner, kaldet plasma. Rumfartøjet skubber dette plasma ud af sin udstødning for at drive sig selv gennem det vægtløse tomrum.

Sådanne thrustere, kendt som elektriske fremdriftsmotorer, eller plasma thrustere, aktiverer i øjeblikket hundredvis af GPS, militær- og kommunikationssatellitter foretager små kurskorrektioner og opretholder stabile baner. Men nu, forskere er ved at udvikle en ny generation af ion-thrustere, der er i stand til at sende rumfartøjer på langdistancemissioner gennem hele solsystemet, såsom Deep Space 1-modulet, der besøgte asteroiden 9969 Braille og kometen Borrly, og Dawn-rumfartøjet, der rejste til asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter.

"Plasma-thrustere repræsenterer fremtiden for rumudforskning, " sagde Ken Hara, en assisterende professor i luftfart og astronautik, som hjælper med at udvikle computermodeller til at gøre ionmotorer mere kraftfulde, effektivt og brugbart.

Hara siger, at plasma-thrusterne har en række fordele i forhold til deres forgængere. Til at begynde med, de ioniserede gasser, der blev brugt som drivmidler i plasma-thrustere, vejer mindre end de brændstoffer, der blev brændt af thrusterne fra Apollo-æraen. Hvert pund rumfartøjet sparer ved at mindske sin brændstofbelastning betyder mere vægt til at bære en større videnskabelig nyttelast. I øvrigt, når et plasmadrevet fartøj er i rummet, det kan accelerere over tid på en måde, som brændstofbrændende fartøjer ikke kan, i sidste ende giver disse letvægtsmotorer også en hastighedsfordel.

At forstå, hvorfor det er sådan, involverer et koncept kaldet udstødningshastighed - den hastighed, hvormed et drivmiddel forlader en motor. En traditionel brændstofbrændende motor forbrænder en enorm mængde brændstof, men ved en lav udstødningshastighed, en kombination, der giver en enorm fremdrift. Tænk på en raket på affyringsrampen, bevæger sig først langsomt, da det løftes af en stor bølge af flammer, accelererer derefter, mens det enorme fremstød, der genereres, bryder tyngdekraftens greb og kaster raketten mod himlen.

Derimod en plasmamotor er designet til et andet miljø - fremdrift af et rumfartøj, der allerede befinder sig i et miljø med lav eller ingen tyngdekraft. Plasmamotoren gør dette ved at udsende ioniserede partikler ved ekstremt høje udstødningshastigheder, men meget lave mængder, fremdrift af rumfartøjet med, hvad der kan sammenlignes med åndedræt. I rummets vakuum, med intet til at mindske rumfartøjets fremadgående momentum, disse pust af ioniseret tryk tillader fartøjet at tage fart over tid, går både hurtigere og længere end brændstofbrændende rumfartøjer.

Hara, som for nylig blev hædret af Electric Rocket Propulsion Society, skaber computermodeller for at hjælpe med at forbedre plasma-thrustere yderligere ved at udforske, hvordan plasmaer kan opnå hurtigere og kraftigere udstødningshastigheder. For at gøre det, han skal udvikle beregningsmodeller, der løser nye ligninger og verificere, at de er korrekte under streng matematisk analyse. Han skal derefter validere disse resultater ved at sammenligne sine matematiske forudsigelser med, hvad eksperimentelle videnskabsmænd demonstrerer i den virkelige verdens plasma-thrustere. "Er vi matematisk sunde, og er vores modeller fysisk korrekte?" spørger Hara retorisk. "Det er der, min sandhed er."