En ny æra med rumfart? Lovende fremskridt inden for raketfremdrift

US Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) har for nylig bestilt tre private virksomheder, Blå oprindelse, Lockheed Martin og General Atomics, at udvikle termiske nukleare fissionsraketter til brug i månens kredsløb.

En sådan udvikling, hvis fløjet, kunne indlede en ny æra af rumfart. Det sagt, det er kun en af ​​flere spændende veje inden for raketfremdrift. Her er nogle andre.

Kemiske raketter

Standardfremdriftsmidlerne for rumfartøjer bruger kemiske raketter. Der er to hovedtyper:fast brændstof (såsom de solide raketforstærkere på rumfærgen), og flydende brændstof (såsom Saturn V).

I begge tilfælde en kemisk reaktion anvendes til at producere en meget varm, højtryksgas inde i et forbrændingskammer. Motordysen giver det eneste udløb for denne gas, som følgelig udvider sig ud af den, giver skub.

Den kemiske reaktion kræver et brændstof, flydende brint eller pulveriseret aluminium, og et oxidationsmiddel (et middel, der producerer kemiske reaktioner) såsom oxygen. Der er mange andre variabler, som i sidste ende også bestemmer effektiviteten af ​​en raketmotor, og videnskabsmænd og ingeniører søger altid at få mere fremdrift og brændstofeffektivitet ud af et givet design.

For nylig, private firma SpaceX har gennemført testflyvninger af deres Starship launcher prototype. Dette køretøj bruger en "full-flow staged combustion (FFSC) motor, "Rovfuglen, som forbrænder metan til brændstof og ilt til oxidationsmiddel. Sådanne designs blev testet af russerne i 1960'erne og den amerikanske regering i 2000'erne, men endnu er ingen fløjet i rummet. Motorerne er meget mere brændstofeffektive og kan generere et meget højere tryk-til-vægt-forhold end traditionelle designs.

Fission termiske raketter

Kernen i et atom består af subatomare partikler kaldet protoner og neutroner. Disse bestemmer massen af ​​et grundstof - jo flere protoner og neutroner, jo tungere er det. Nogle atomkerner er ustabile og kan opdeles i flere mindre kerner, når de bombarderes med neutroner. Dette er processen med nuklear fission, og det kan frigive en enorm mængde energi. Når kernerne henfalder, de frigiver også flere neutroner, som fortsætter med at sprække flere atomer - hvilket producerer en kædereaktion.

I en termisk nuklear fissionsraket, en drivgas, såsom brint, opvarmes ved nuklear fission til høje temperaturer, skabe en højtryksgas i reaktorkammeret. Ligesom med kemiske raketter, dette kan kun undslippe via raketdysen, igen producerer fremdrift. Nukleare fissionsraketter er ikke forudset til at producere den slags fremdrift, der er nødvendig for at løfte store nyttelaster fra Jordens overflade ud i rummet. Men en gang i rummet, de er meget mere effektive end kemiske raketter - for en given masse af drivmiddel, de kan accelerere et rumfartøj til meget højere hastigheder.

Nukleare fissionsraketter er aldrig blevet fløjet i rummet, men de er blevet testet på jorden. De skulle være i stand til at forkorte flyvetiden mellem Jorden og Mars fra omkring syv måneder til omkring tre måneder for fremtidige bemandede missioner. åbenlyse ulemper, imidlertid, omfatter produktion af radioaktivt affald, og muligheden for en opsendelsesfejl, som kan resultere i, at radioaktivt materiale spredes over et stort område.

En stor ingeniørmæssig udfordring er at miniaturisere en reaktor tilstrækkeligt, så den passer på et rumfartøj. Der er allerede en spirende industri inden for produktion af kompakte fissionsreaktorer, herunder udvikling af en fissionsreaktor, som er mindre end et voksent menneske.

Elektrisk fremdrift

En basis i science fiction, ægte iondrev genererer ladede partikler (ionisering), accelerer dem ved hjælp af elektriske felter og affyr dem derefter fra en thruster. Drivmidlet er en gas som xenon, et ret tungt element, der nemt kan lades elektrisk.

Når de ladede xenon-atomer accelererer ud af thrusteren, de overfører en meget lille mængde momentum (produktet af masse og hastighed) til rumfartøjet, giver et blidt stød. Mens langsomt, ion-drev er blandt de mest brændstofeffektive af alle fremdriftsmetoder til rumfartøjer, så kunne komme os videre. Ion-drev er almindeligvis brugt til attitudekontrol (ændring af, hvilken retning et rumfartøj vender) og er blevet overvejet til at deorbitere gamle satellitter.

Nuværende ionmotorer drives af solceller, effektivt at gøre dem soldrevne, og kræver meget lidt drivmiddel. De er blevet brugt på Esas SMART-1 mission til Månen og Bepi-Colombo mission på vej til Merkur. Nasa er i øjeblikket ved at udvikle et højeffekt elektrisk fremdriftssystem til Lunar Gateway, en forpost, der vil kredse om Månen.

Solar sejl

Mens fremdrift normalt kræver drivmiddel af en eller anden beskrivelse, en mere "grøn" metode, der kun er afhængig af lys fra selve solen.

Sejl er afhængige af den fysiske egenskab at bevare momentum. På jorden, vi er vant til at se dette momentum som et dynamisk tryk fra luftpartikler, der blæser ind i et lag under sejlads, at drive et fartøj fremad. Lys består af fotoner, som ikke har nogen masse, men de har momentum og kan overføre det til et sejl. Da energierne af individuelle fotoner er meget små, en ekstremt stor sejlstørrelse er nødvendig for enhver mærkbar acceleration.

Hastighedsforøgelsen vil også afhænge af, hvor langt fra Solen du er. På jorden, effekten modtaget fra sollys er omkring 1,3 kW pr. kvadratmeter. Hvis vi havde et sejl på størrelse med en fodboldbane, dette ville svare til 9,3 MW, giver en meget lav acceleration, selv til et objekt med lav masse.

Solsejl er blevet testet af det japanske IKAROS-rumfartøj, som med succes fløj af Venus, og Planetary Society Lightsail-2, som i øjeblikket er i kredsløb om Jorden.

En måde at forbedre effektiviteten og reducere sejlstørrelsen er at bruge en laser til at drive rumfartøjet fremad. Lasere producerer meget intense stråler af fotoner, som kan rettes op på et sejl for at give meget højere acceleration, men ville kræve at blive bygget i kredsløb om Jorden for at undgå tab af intensitet i atmosfæren. Lasere er også blevet foreslået som et middel til at de-kredse rumskrot - lyset fra laseren kan bremse et stykke orbitalt junk, som så ville falde ud af kredsløb og brænde op i atmosfæren.

Udviklingen af ​​nukleare fissionsraketter kan begejstre nogle og bekymre andre. Imidlertid, efterhånden som private virksomheder og nationale rumorganisationer i stigende grad forpligter sig til en vedvarende menneskelig tilstedeværelse i rummet, disse alternative fremdriftsmidler vil blive mere mainstream og have potentialet til at revolutionere vores spirende rumfarende civilisation.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.