Jordbaserede lasere kunne accelerere rumfartøjer til andre stjerner

Fremtiden for rumudforskning inkluderer nogle ret ambitiøse planer om at sende missioner længere fra Jorden end nogensinde før. Ud over de nuværende forslag til at bygge infrastruktur i cis-månerummet og sende regelmæssige bemandede missioner til månen og Mars, er der også planer om at sende robotmissioner til det ydre solsystem, til brændvidden af ​​vores sols gravitationslinse og endda til de nærmeste stjerner for at udforske exoplaneter. Opfyldelse af disse mål kræver næste generations fremdrift, der kan muliggøre høj fremdrift og ensartet acceleration.

Fokuserede arrays af lasere - eller rettet energi (DE) - og lyssejl er et middel, der bliver undersøgt grundigt - såsom Breakthrough Starshot og Swarming Proxima Centauri. Ud over disse forslag har et hold fra McGill University i Montreal foreslået en ny type rettet energifremdriftssystem til at udforske solsystemet. I et nyligt papir delte holdet de tidlige resultater af deres Laser-Thermal Propulsion (LTP) thruster-facilitet, hvilket antyder, at teknologien har potentialet til at give både høj tryk og specifik impuls til interstellare missioner.

Forskerholdet blev ledet af Gabriel R. Dube, en undergraduate Research Trainee hos McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG), og lektor Andrew Higgins, den primære efterforsker af IFERG. De fik selskab af Emmanuel Duplay, en kandidat forsker fra Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, en sommerforskningsassistent hos IFERG; og Jason Loiseau, lektor ved Royal Military College of Canada.

Holdet præsenterede deres resultater på 2024 AIAA Science and Technology Forum and Exposition og i et papir, der blev vist i AIAA SCITECH 2024 Forum .

Higgins og hans kolleger foreslog oprindeligt dette koncept i et papir fra 2022, der udkom i Acta Astronautica med titlen "Design af en hurtig transit til Mars-mission ved hjælp af laser-termisk fremdrift."

Som Universe Today rapporterede dengang, var LTP inspireret af interstellare koncepter som Starshot og Project Dragonfly. Imidlertid var Higgins og hans medarbejdere fra McGill interesserede i, hvordan den samme teknologi kunne muliggøre hurtige transitmissioner til Mars på kun 45 dage og i hele solsystemet. Denne metode, hævdede de, kunne også validere de involverede teknologier og fungere som et springbræt mod interstellare missioner.

Som Higgins fortalte Universe Today via e-mail, kom konceptet til dem under pandemien, da de ikke var i stand til at komme ind i deres laboratorium:

"[M]y studerende lavede en detaljeret konceptuel undersøgelse af, hvordan vi kunne bruge den slags store laser-arrays, der var forudset til Breakthrough Starshot til en mere kortsigtet mission i solsystemet. I stedet for ved 10 km-diameter, 100- GW-laser, der var forudset til Breakthrough Starshot, begrænsede os til en 10-m-diameter, 100-MW-laser og viste, at den ville være i stand til at levere strøm til et rumfartøj ud til næsten månens afstand ved at opvarme brintdrivmiddel til 10.000s af K, muliggør laseren den 'hellige gral' med høj tryk og høj specifik impuls."

Konceptet ligner nuklear-termisk fremdrift (NTP), som NASA og DARPA i øjeblikket udvikler til hurtige transitmissioner til Mars. I et NTP-system genererer en atomreaktor varme, der får brint- eller deuterium-drivmiddel til at udvide sig, som derefter fokuseres gennem dyser for at generere tryk.

I dette tilfælde fokuseres fasede array-lasere ind i et brintvarmekammer, som derefter udtømmes gennem en dyse for at realisere specifikke impulser på 3.000 sekunder. Siden Higgins og hans elever vendte tilbage til laboratoriet, sagde han, har de forsøgt eksperimentelt at bekræfte deres idé:

"Selvfølgelig har vi ikke en 100 MW laser hos McGill, men vi har nu en 3-kilowatt laseropsætning i laboratoriet (hvilket er skræmmende nok) og studerer, hvordan laseren vil koble sin energi til et drivmiddel ( til sidst brint, men indtil videre argon, bare fordi det er nemmere at ionisere).

Higgins og hans team konstruerede et apparat, der indeholdt 5 til 20 bar statisk argongas fra deres tests. Mens det endelige koncept vil bruge brintgas som drivmiddel, brugte de argongas til testen, fordi det er lettere at ionisere. De affyrede derefter 3-kW laseren i pulser med en frekvens på 1.070 nanometer (svarende til den nær-infrarøde bølgelængde) for at bestemme den nødvendige tærskeleffekt for Laser-Sustained Plasma (LSP). Deres resultater viste, at omkring 80 % af laserenergien blev aflejret i plasmaet, hvilket er i overensstemmelse med tidligere undersøgelser.

Tryk- og spektraldataene, de erhvervede, afslørede også den maksimale LSP-temperatur med arbejdsgassen, selvom de understreger, at der er behov for yderligere forskning for at sikre afgørende resultater. De understregede også, at der er behov for et dedikeret apparat til at udføre tvungen flow og andre LSP-tests. Endelig planlægger holdet at udføre trykmålinger senere i år for at måle, hvor meget acceleration (delta-v) og specifik impuls (Isp) et laser-termisk fremdriftssystem kan levere til fremtidige missioner til Mars og andre planeter i solsystemet.

Hvis teknologien er op til opgaven, kan vi se på et system, der er i stand til at levere astronauter til Mars på uger i stedet for måneder. Andre koncepter udvalgt til NIAC i år inkluderer tests til at evaluere dvalesystemer til langvarige missioner i mikrotyngdekraft. Alene eller i kombination kan disse teknologier muliggøre hurtige transitmissioner, der kræver mindre last og forsyninger og minimere astronauters eksponering for mikrotyngdekraft og stråling.

Flere oplysninger: Gabriel R. Dubé et al., Laser-Sustained Plasma for Deep Space Propulsion:Initial LTP Thruster Results, AIAA SCITECH 2024 Forum (2024). DOI:10.2514/6.2024-2029

Leveret af Universe Today