Afbeelding tegoed: NASA
Zoals iedereen weet, zijn chemische raketten te traag voor ruimteverkenning. Misschien wel het meest efficiënt zijn hybride systemen, met verschillende soorten voortstuwing die op verschillende punten van een reis worden gebruikt. Dit artikel geeft een overzicht van de technologieën waaraan NASA momenteel werkt.
'Mam, zijn we er al?'
Elke ouder heeft die kreet gehoord vanaf de achterbank van de auto. Het begint meestal ongeveer 15 minuten na het begin van een familiereis. Maar goed dat we zelden meer dan een paar honderd of een paar duizend mijl van huis reizen.
Maar wat als u bijvoorbeeld naar Mars zou reizen? Zelfs om de paar jaar de aarde het dichtst te naderen, is de rode planeet altijd minstens 35 miljoen mijl verwijderd. Zes maanden daar en zes maanden terug - op zijn best.
'Houston, zijn we er al?'
"Chemische raketten zijn gewoon te traag", klaagt Les Johnson, manager voor in-space transporttechnologieën bij NASA's Marshall Space Flight Center. "Ze verbranden al hun drijfgas aan het begin van een vlucht en dan kust het ruimtevaartuig gewoon de rest van de weg." Hoewel ruimtevaartuigen kunnen worden versneld door zwaartekrachthulp - een hemelscheur rond planeten, zoals die rond Saturnus die Voyager 1 naar de rand van het zonnestelsel sloeg - worden reistijden tussen planeten nog steeds gemeten in jaren tot tientallen jaren. En een reis naar de dichtstbijzijnde ster zou eeuwen duren, zo niet millennia.
Erger nog, chemische raketten zijn gewoon te brandstof-inefficiënt. Denk aan het rijden in een gasvretter door een land zonder benzinestations. Je zou bootladingen gas moeten vervoeren en niet veel anders. In ruimtemissies wordt wat u tijdens uw reis kunt vervoeren zonder brandstof (of tanks voor brandstof) de massa van de lading genoemd, bijvoorbeeld mensen, sensoren, monsternemers, communicatieapparatuur en voedsel. Net zoals benzineverbruik een nuttig cijfer is voor de brandstofefficiëntie van een auto, is de "massa massa van het laadvermogen" - de verhouding tussen het gewicht van een missie en de totale massa - een nuttig cijfer voor de efficiëntie van voortstuwingssystemen.
Met de huidige chemische raketten is de massafractie van het laadvermogen laag. "Zelfs met behulp van een traject met minimale energie om een zeskoppige bemanning van de aarde naar Mars te sturen, zou alleen al met chemische raketten de totale lanceermassa de 1000 ton overschrijden, waarvan ongeveer 90 procent brandstof zou zijn", aldus Bret G. Drake, manager voor analyse en integratie van ruimtelanceringen bij Johnson Space Center. De brandstof alleen zou tweemaal zoveel wegen als het voltooide internationale ruimtestation.
Een enkele Mars-expeditie met de huidige technologie voor chemische voortstuwing zou tientallen lanceringen vereisen, waarvan de meeste eenvoudigweg chemische brandstof lanceren. Het is alsof uw compacte auto van 1 ton 9 ton benzine nodig heeft om van New York City naar San Francisco te rijden, omdat deze gemiddeld slechts een mijl per gallon bedroeg.
Met andere woorden, voortstuwingssystemen met een laag prestatievermogen zijn een belangrijke reden waarom mensen nog geen voet op Mars hebben gezet.
Efficiëntere voortstuwingssystemen verhogen de massa-fractie van het laadvermogen door een betere "gaskilometrage" in de ruimte te geven. Omdat je niet zoveel drijfgas nodig hebt, kun je meer spullen meenemen, in een kleiner voertuig gaan en / of er sneller en goedkoper komen. "De kernboodschap is: we hebben geavanceerde voortstuwingstechnologieën nodig om een goedkope missie naar Mars mogelijk te maken", verklaarde Drake.
Daarom ontwikkelt NASA nu ionaandrijvingen, zonnewering en andere exotische voortstuwingstechnologieën die mensen al decennia lang naar andere planeten en sterren hebben gesleurd - maar alleen in de pagina's van sciencefiction.
Van schildpad tot haas
Wat zijn de wetenschappelijke feiten?
NASA werkt hard aan twee basisbenaderingen. De eerste is het ontwikkelen van radicaal nieuwe raketten die een zuiniger brandstofverbruik hebben dan chemische voortstuwing. De tweede is het ontwikkelen van "stuwstofvrije" systemen die worden aangedreven door bronnen die overvloedig aanwezig zijn in het vacuüm van de diepe ruimte.
Al deze technologieën hebben één belangrijk kenmerk: ze beginnen langzaam, zoals de spreekwoordelijke schildpad, maar veranderen na verloop van tijd in een haas die daadwerkelijk een race naar Mars wint - of waar dan ook. Ze vertrouwen op het feit dat een kleine continue versnelling gedurende maanden een ruimtevaartuig uiteindelijk veel sneller kan voortstuwen dan een enorme eerste trap gevolgd door een lange periode van uitrollen.
Boven: dit ruimteschip met lage stuwkracht (een kunstenaarsconcept) wordt aangedreven door een ionenmotor en wordt aangedreven door zonne-elektriciteit. Uiteindelijk zal het vaartuig snelheid oppikken - een resultaat van meedogenloze acceleratie - en met vele mijlen per seconde racen. Afbeelding tegoed: John Frassanito & Associates, Inc.
Technisch gezien zijn het allemaal systemen met een lage stuwkracht (wat betekent dat je nauwelijks de oh zo zachte acceleratie voelt, equivalent aan het gewicht van een stuk papier dat op je hand ligt), maar lange gebruikstijden. Na maanden van voortdurende kleine acceleratie, zou je met vele mijlen per seconde meekomen! Chemische voortstuwingssystemen daarentegen hebben een hoge stuwkracht en korte bedrijfstijden. Je wordt teruggeduwd in de zitkussens terwijl de motoren aanslaan, maar slechts kort. Daarna is de tank leeg.
Brandstofzuinige raketten
'Een raket is alles dat iets overboord gooit om zichzelf voort te stuwen', merkte Johnson op. (Geloof die definitie niet? Ga op een skateboard zitten met een hogedrukslang in één richting gericht, en je wordt in de tegenovergestelde richting voortbewogen).
Vooraanstaande kandidaten voor de geavanceerde raket zijn varianten van ionenmotoren. In huidige ionenmotoren is het drijfgas een kleurloos, smaakloos, geurloos inert gas, zoals xenon. Het gas vult een kamer met magneetringen waardoor een elektronenbundel loopt. De elektronen raken de gasatomen, slaan een buitenste elektron weg en veranderen neutrale atomen in positief geladen ionen. Geëlektrificeerde roosters met veel gaten (15.000 in de huidige versies) richten de ionen op de uitlaat van het ruimteschip. De ionen schieten langs de roosters met snelheden tot meer dan 100.000 mijl per uur (vergelijk dat met een Indianapolis 500-raceauto met 225 mph) - versnellen de motor de ruimte in en produceren zo stuwkracht.
Waar komt de elektriciteit vandaan om het gas te ioniseren en de motor op te laden? Ofwel van zonnepanelen (zogenaamde zonne-elektrische voortstuwing) of van splijting of fusie (zogenaamde nucleaire elektrische voortstuwing). Zonne-elektrische voortstuwingsmotoren zouden het meest effectief zijn voor robotmissies tussen de zon en Mars, en nucleaire elektrische voortstuwing voor robotmissies buiten Mars waar het zonlicht zwak is of voor menselijke missies waar snelheid van essentieel belang is.
Ionenaandrijvingen werken. Ze hebben hun moed bewezen, niet alleen in tests op aarde, maar ook in werkende ruimtevaartuigen - de bekendste is Deep Space 1, een kleine technologie-testmissie aangedreven door zonne-elektrische voortstuwing die voorbij vloog en in september foto's maakte van komeet Borrelly, 2001. Ionenaandrijvingen zoals die die Deep Space 1 voortstuwden, zijn ongeveer 10 keer zo efficiënt als chemische raketten.
Drijfgasvrije systemen
De voortstuwingssystemen met de laagste massa kunnen echter die zijn die helemaal geen drijfgas aan boord hebben. Sterker nog, het zijn niet eens raketten. In plaats daarvan leven ze in ware pioniersstijl "van het land" - zich baserend op energie op natuurlijke hulpbronnen die in de ruimte overvloedig aanwezig zijn, net zoals pioniers van weleer voor voedsel vertrouwden op het vangen van dieren en het vinden van wortels en bessen aan de grens.
De twee belangrijkste kandidaten zijn zonnezeilen en plasmazeilen. Hoewel het effect vergelijkbaar is, zijn de bedieningsmechanismen heel verschillend.
Een zonnezeil bestaat uit een enorm gebied van ragfijn, sterk reflecterend materiaal dat in de diepe ruimte wordt ontrold om licht van de zon (of van een magnetron of laserstraal van de aarde) op te vangen. Voor zeer ambitieuze missies kunnen zeilen tot vele vierkante kilometers groot zijn.
Zonnezeilen profiteren van het feit dat zonnefotonen, hoewel ze geen massa hebben, een momentum hebben - verschillende micronewton (ongeveer het gewicht van een muntstuk) per vierkante meter op afstand van de aarde. Deze zachte stralingsdruk zal het zeil en zijn lading langzaam maar zeker weg van de zon versnellen en snelheden tot 150.000 mijl per uur of meer dan 40 mijl per seconde bereiken.
Een veel voorkomende misvatting is dat zonnezeilen de zonnewind vangen, een stroom van energetische elektronen en protonen die wegkoken van de buitenatmosfeer van de zon. Niet zo. Zonnezeilen halen hun vaart uit het zonlicht zelf. Het is echter mogelijk om het momentum van de zonnewind te benutten met behulp van zogenaamde "plasmazeilen".
Plasmazeilen zijn gemodelleerd op het eigen magnetische veld van de aarde. Krachtige elektromagneten aan boord zouden een ruimtevaartuig omringen met een magnetische bel van 15 of 20 kilometer doorsnee. Hoge snelheid geladen deeltjes in de zonnewind zouden de magnetische bel duwen, net zoals ze dat doen met het magnetische veld van de aarde. De aarde beweegt niet als ze op deze manier wordt geduwd - onze planeet is te massief. Maar een ruimtevaartuig zou geleidelijk van de zon worden weggeduwd. (Een extra bonus: net zoals het magnetische veld van de aarde onze planeet afschermt tegen zonne-explosies en stralingsstormen, zo zou een magnetisch plasmazeil de inzittenden van een ruimtevaartuig beschermen.)
Boven: het concept van een kunstenaar van een ruimtesonde in een magnetische bel (of 'plasmazeil'). Geladen deeltjes in de zonnewind raken de bel, oefenen druk uit en stuwen het ruimtevaartuig voort. [meer]
Natuurlijk is de originele, beproefde technologie zonder drijfgas zwaartekrachthulp. Wanneer een ruimtevaartuig langs een planeet zwaait, kan het een deel van het orbitale momentum van de planeet stelen. Dit maakt nauwelijks een verschil voor een enorme planeet, maar het kan de snelheid van een ruimtevaartuig indrukwekkend verhogen. Toen Galileo bijvoorbeeld in 1990 door de aarde zwaaide, nam de snelheid van het ruimtevaartuig toe met 11.620 mph; Ondertussen vertraagde de aarde in haar baan met een hoeveelheid van minder dan 5 miljardste inch per jaar. Dergelijke zwaartekrachtassistenten zijn waardevol als aanvulling op elke vorm van voortstuwingssysteem.
Oké, nu je door de interplanetaire ruimte zipt, hoe vertraag je dan voldoende op je bestemming om een parkeerbaan in te gaan en je voor te bereiden op de landing? Bij chemische voortstuwing is de gebruikelijke techniek om retrorockets te vuren - opnieuw, waarbij een grote massa brandstof aan boord nodig is.
Een veel zuinigere optie wordt beloofd door aerocapture - het ruimtevaartuig afremmen door wrijving met de eigen atmosfeer van de bestemmingsplaneet. De truc is natuurlijk niet om een snel interplanetair ruimtevaartuig te laten opbranden. Maar NASA-wetenschappers zijn van mening dat het met een passend ontworpen hitteschild mogelijk zou zijn om veel missies in een baan rond een bestemmingsplaneet te vangen met slechts één doorgang door de bovenste atmosfeer.
Voorwaarts!
"Geen enkele voortstuwingstechnologie zal alles voor iedereen doen," waarschuwde Johnson. Inderdaad, zonnezeilen en plasmazeilen zouden waarschijnlijk in de eerste plaats nuttig zijn voor het voortbewegen van vracht in plaats van mensen van de aarde naar Mars, omdat "het te lang duurt voordat die technologieën opstijgen om aan de snelheid te ontsnappen", voegde Drake eraan toe.
Desalniettemin kan een hybride van verschillende technologieën inderdaad zeer economisch blijken te zijn om een bemande missie naar Mars te krijgen. In feite zou een combinatie van chemische voortstuwing, ionen voortstuwing en aerocapture de lanceermassa van een 6-persoons Mars-missie kunnen verminderen tot minder dan 450 ton (waarvoor slechts zes lanceringen nodig zijn) - minder dan de helft van wat haalbaar is met alleen chemische voortstuwing.
Zo'n hybride missie zou als volgt kunnen gaan: chemische raketten zouden, zoals gewoonlijk, het ruimtevaartuig van de grond krijgen. Eenmaal in een lage baan om de aarde zouden ionenaandrijfmodules ontbranden of zouden grondcontrollers een zonne- of plasmazeil kunnen gebruiken. Gedurende 6 tot 12 maanden zou het ruimteschip - tijdelijk onbemand om te voorkomen dat de bemanning wordt blootgesteld aan hoge doses straling in de Van Allen-stralingsgordels van de aarde - wegdraaien en geleidelijk versnellen tot een laatste hoge baan om de aarde. De bemanning zou dan met een hogesnelheidstaxi naar het Mars-voertuig worden gebracht; een kleine chemische fase zou het voertuig dan omhoogschoppen om aan de snelheid te ontsnappen, en het zou verder gaan naar Mars.
Terwijl de aarde en Mars in hun respectievelijke banen draaien, verandert de relatieve geometrie tussen de twee planeten voortdurend. Hoewel de lanceringsmogelijkheden naar Mars elke 26 maanden plaatsvinden, vinden de optimale afstemmingen voor de goedkoopste, snelst mogelijke reizen elke 15 jaar plaats - de volgende komt in 2018.
Misschien hebben we tegen die tijd een ander antwoord op de vraag: 'Houston, zijn we er al?'
Oorspronkelijke bron: NASA Science Story
