Raketopsendelse

Ny raket äter sitt eget skrov under rymdresan

Nu är det snart slut med stora, tunga bränsletankar på rymdraketer. En ny typ av raket skapar i stället framdrift genom att förtära sitt eget skrov längs färden. Det ger lägre vikt, billigare raketuppskjutningar och mindre rymdskrot.

Shutterstock

I ett orange moln av glödheta gaser lyfter raketen från uppskjutningsrampen. Motorn bullrar som ett åskväder medan raketen meter för meter övervinner tyngdkraften och stiger upp mot himlen.

Snart har den skickat upp ännu en satellit i omloppsbana runt jorden, men den här gången läggs det inte samtidigt ännu en uttjänt raket till den växande mängden rymdskrot som också roterar runt planeten. Efter hand som raketen färdas ut i rymden blir den allt mindre – den förtär sig själv så att bara motorn och lasten är kvar när målet nås.

Så här ser en rymdresa ut för den nya rakettypen som kallas autofag. Forskare på Oles Honchar Dnipro-universitetet i Ukraina och skotska University of Glasgow publi-cerade 2018 resultaten av laboratorieförsök där de hade testat principen bakom den självförtärande raketen – och visat att konceptet fungerar.

I laboratoriemiljö har forskare ­byggt en försöksmodell av en så kallad autofagraket och flera lyckade försök.

När autofagraketer är redo att användas kan de lösa några av rymdfartens största utmaningar: Enormt höga kostnader vid raketuppskjutningar och stora mängder avfall som lämnas kvar i rymden.

Det är svårt att lämna jorden

Traditionella rymdraketer är en ineffektiv transportform. Nyttolasten utgör mindre än fem procent av raketens totalvikt och ofta så lite som en procent medan bränslet utgör över 85 procent. Ett passagerarplan har i jämförelse en nyttolast på omkring 50 procent i form av passagerare och bagage.

Den dåliga ekonomin beror på rymdfartens största problem: Det är extremt svårt att lämna jordens tyngdkraft. En satellit som ska hålla sig i omloppsbana runt jorden måste röra sig med minst 40 000 kilometer per timme. Om hastigheten är lägre drar tyngdkraften ned satelliten mot jorden.

Satellitter i kredsløb

Hvis en satellit skal holde sig i kredsløb om Jorden, kræver det, at den bevæger sig med mindst 40.000 km/t.

© NASA

Att lyfta från jordens yta kräver ännu större kraft – hur mycket beror bland annat på vikten – och framdriften ska sedan hållas igång. Därför måste raketen föra med sig enorma tankar fyllda med bränsle och syre till förbränningen av bränslet.

Dessutom måste syret och bränslet vara nedkylt för att hållas flytande, vilket kräver ett kylsystem. Och för att förhindra att vätskorna skvalpar runt i tankarna och får raketen ur kurs ska tankarna också ha ett antiskvalpsystem. Tillsammans gör all den extra vikten att uppskjutningen blir dyr. Även med de mest effektiva raketerna kostar det cirka 95 000 kronor att skicka upp en halv liter vatten till ISS, Den internationella rymdstationen.

Forskarnas nya autofagraket byter det flytande bränslet mot fast bränsle som kan byggas in som en del av raketen. En raketmotor som drivs med fast bränsle behöver inget kylsystem, inga bränslepumpar och inget antiskvalpsystem. Det gör det enklare att bygga raketen och billigare att skjuta upp den.

Bränslet utgör en del av raketens skrov

En ny typ av raket överger flytande bränsle till fördel för ett fast bränsle som byggs in som en del av själva raketen så att den blir mindre och mindre under resans gång.

1. Fast bränsle förångas i motorn

En kolv pressar en cylinder av fast bränsle med oxidationsmedel i mitten in i raketens förångare. Vid starten värms tratten med ett elektriskt element, men sedan får den i stället värme från raketens förbränningskammare som omsluter tratten. Värmen förångar bränsle och oxidationsmedel som vidrör trattens sidor.

2. Gaser leds till ­förbränningskammare

Det förångade bränslet och oxidationsmedlet leds ut i ett system av kanaler som ligger mellan tratten och förbränningskammaren. De två beståndsdelarna hålls åtskilda så att bränslet inte antänds för tidigt på grund av hettan. Genom 16 små envägsöppningar leds gaserna in i förbränningskammaren.

3. Drivgaserna driver raketen framÅT

I förbränningskammaren skapar kombinationen av bränsle, oxidationsmedel och hög värme en förbränning som ger drivgaser som kväve, vattenånga, kolmonoxid och väte. Det får trycket i kammaren att stiga så att gaserna pressas ut ur en dysa i botten och driver raketen framåt.

Enkelheten gör dock också att den är oflexibel. En vanlig fastbränsleraket är byggd som en fyrverkeripjäs utan för-bränningskammare. Det ger en jämn och kraftig förbränning av det tätt packade bränslet. Till skillnad från en traditionell raket där bränslet kontinuerligt sprutas in i förbränningskammaren från en separat bränsletank kan en fastbränsleraket därför inte justera farten eller stanna.

Fast bränsle användes i lyftraketer på Nasas rymdfärjor som drevs med alu-miniumpulver och ammoniumperklorat. Många missiler använder också fastbränsleraketer, men rakettypen kan inte navigera med den precision som krävs för att placera en satellit i omloppsbana eller att docka en farkost till ISS. Men forskarnas nya raket ska kombinera det bästa från traditionella raketer och fastbränsleraketer: Den ska ha fast bränsle, men också stor flexibilitet.

Brinner som ett stearinljus

Den nya raketens flexibilitet bygger på att motorn får det fasta bränslet lite i taget som i en traditionell raket. Bränslet är format som en cylinder med kärna av oxidationsmedel i pulverform och ett skal av fast bränsle.

Cylindern förbränns från ena änden som ett stearinljus i stället för inifrån som bränslet i en vanlig fastbränsleraket.

Själva motorn i raketen består av en kolv och en trattformad förångare som omsluts av en förbränningskammare.

Autofagraket

Autofagrakettens faste brændstof føres ind i en tragtformet motordel og forstøves inden forbrænding.

© University of Glaasgow

Motorn startar genom att förångaren värms upp. I forskarnas försöksraket kommer värmen från gas som antänds av ett tändrör, men den flygfärdiga autofagraketen ska ha ett elektriskt värmeelement. Kolven pressar in bränslecylindern i den breda änden av förångningstratten medan värmen från tratten får bränslet och oxidationsmedlet att förångas så att det antänds i förbränningskammaren och utvecklar de drivgaser som driver raketen.

När raketen väl har startat utnyttjas värmen från förbränningen till att värma tratten och fortsätta förångningen av bränslet. Raketen kan justera farten genom att kolven som trycker ned cylindern i tratten ökar eller minskar trycket. Förbränningen kan också stoppas helt om trycket från kolven upphör.

CubeSat

Små, firkantede CubeSats kan i fremtiden opsendes billigt med en nedskaleret version af forskernes nye autofagraket.

© NASA

Miniraketer ska skicka upp små ­satelliter i omloppsbana

Nya autofagraketen kan byggas betydligt mindre än traditionella raketer eftersom det fasta bränslet gör utrymmeskrävande system som bränsletankar överflödiga. Därför är de perfekt lämpade för att skjuta upp så kallade CubeSats – små, fyrkantiga satelliter. I dag har knappt 900 CubeSats skickats upp i omloppsbana runt jorden. De består av tärningsformade moduler på tio gånger tio centimeter. Satelliterna har uppfunnits för att ge universitet chansen att skicka upp egna, billiga forskningssatelliter, men även rymdfartsindustrin har fått upp ögonen för de små satelliterna som bland annat används för katastrofövervakning och klimatforskning. Senast har två CubeSats skickats till Mars med Nasas InSight Lander-expedition.

Därmed har forskarna skapat en raket som är flexibel men ändå har samma enkelhet som en vanlig fast-bränsleraket. Nu ska de experimentera vidare för att hitta den perfekta bränslekombinationen och utveckla en mekanism för att pressa in bränslecylindern i motorn med minsta möjliga kraft.

Forskarna har också gjort en annan och mycket viktig förändring i jämförelse med tidigare fastbränsleraketer: Autofagraketens bränsle behöver inte förvaras i en tank. I stället är den fasta bränslecylindern en del av raketens konstruktion. Vid uppskjutning börjar raketmotorn att förtära cylindern och när målet nås finns bara raketens motor, kolvmekanism och last kvar.

Resultatet är en raket som är lättare, mindre komplicerad att bygga och billigare att skjuta upp. Det finns också en sista och stor fördel med autofagraketen: Antalet satelliter som ska skickas upp förväntas tredubblas under det kommande årtiondet och för att inte riskera en krans av rymdskrot runt jorden har rymdfartsindustrin stort behov av en raket som kan städa bort sig själv under resan.

Läs också:

Atomkraft

Torium och salt ska ge energi under årtusenden

13 minuter
Raketer

Nazistvapen revolutionerade raketvetenskapen

5 minuter
Raket
Raketer

Fråga oss: Hur kan en raket ta sig fram i vakuum?

2 minuter
Mest populära

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!