Rymdfarkost, Mars

Laserstrålar kan få oss till Mars på rekordtid

En kanadensisk forskargrupp arbetar med något helt otroligt. Med hjälp av kraftfulla laserstrålar på jorden ska de sända rymdfarkoster till Mars på bara 45 dagar. Om tekniken blir verklighet kommer den att kunna hjälpa oss att utforska helt nya delar av universum.

En kanadensisk forskargrupp arbetar med något helt otroligt. Med hjälp av kraftfulla laserstrålar på jorden ska de sända rymdfarkoster till Mars på bara 45 dagar. Om tekniken blir verklighet kommer den att kunna hjälpa oss att utforska helt nya delar av universum.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

En salva av kraftfulla laserstrålar skjuts mot himlen.

På väg genom atmosfären samlas de till en enda kraftfull stråle och riktas mot en bemannad rymdfarkost som svävar 13 000 kilometer ovanför jorden.

Laserstrålarna träffar en stor spegel, som leder in dem i en värmekammare i raketmotorn. Där värmer de avgaserna till 40 000 grader, vilket ger i en helt otrolig acceleration till 50 000 kilometer i timmen.

Medan det tidigare tog en rymdfarkost 200 dygn att färdas till Mars, tillryggalägger astronauterna resan på endast 45 dagar, detta tack vare laserstrålarnas inverkan.

Så ska det åtminstone bli enligt en grupp ingenjörer vid McGill University i Kanada, som tänker sig att framtidens Marsresor inte ska genomföras med traditionellt bränsle.

Om drömmen om laserdriven rymdfart förverkligas kommer vi att få helt nya möjligheter att utforska solsystemets mest avlägsna delar.

Tekniken har funnits i 50 år

Idén att använda lasrar för att driva rymdfarkoster är inte ny. Den kläcktes faktiskt för ett halvsekel sedan.

År 1972 beskrev den amerikanske fysikern och ingenjören Arthur Kantrowitz att det var principiellt möjligt att sända upp en satellit med hjälp av laserstrålar.

På den tiden kunde idén inte förverkligas. Lasrarna var för svaga och tekniken att fokusera ett stort antal laserstrålar och träffa ett avlägset mål fanns ännu inte.

Arthur Kantrowitz vetenskapliga arbete glömdes emellertid inte bort, utan fortsatte att inspirera nya generationer forskare, däribland de kanadensiska ingenjörerna vid McGill University.

Lasertermisk rymdraket

Forskare förutser att framtidens rymdfarkoster till Mars kommer att drivas av laserstrålar riktade mot raketmotorer via en stor spegel på farkosten.

© Emmanuel Duplay

Lasertekniken kan användas för att sända rymdsonder på långfärd till solsystemets yttersta avkrokar och placera ut nya rymdteleskop långt bort från vår planet, så att vi kan se ännu längre ut i universum.

Till en början är dock de kanadensiska ingenjörerna inriktade på att utveckla den nya lasertekniken för att korta restiden till Mars rejält.

En kortare och snabbare resa till Mars skulle inte bara minska den tråkiga väntetiden för astronauterna. Den skulle också vara bättre för deras hälsa.

I den viktlösa miljön på vägen mot den röda planeten försvagas skelettet och musklerna. Långvariga vistelser långt från jordens magnetfält, som skyddar oss mot skadlig kosmisk strålning, ökar även risken för cancer.

Ju kortare tid astronauterna befinner sig i rymden, desto mindre är risken att bli sjuk av strålningen.

En Marsfarkost kan komma upp i en hastighet av över 50 000 kilometer i timmen när raketbränslet värms upp med laserstrålar i stället för att förbrännas. På så vis kan resan till Mars klaras av på endast 45 dygn.

Lasertermisk rymdraket
©

1. Lasrar på jorden träffar rymdfarkosten

En 100 kvadratmeter stor datorstyrd laseranläggning avger flera fokuserade laserstrålar oavbrutet under en timme. Målet är rymdfarkosten, som sedan tidigare har placerats i omloppsbana runt jorden på cirka 13 000 kilometers höjd.

Lasertermisk rymdraket
©

2. Stor spegel samlar strålarna

Laserstrålarna träffar en uppblåsbar, parabolformad reflektor med en diameter på tio meter. Reflektorn leder in laserljuset i en värmekammare, som kontinuerligt pumpas full av stora mängder vätgas.

Lasertermisk rymdraket
©

3. Het gas stöts ut

Lasrarna värmer vätgasen till cirka 40 000 grader Celsius. Den höga temperaturen får gasen att expandera, tills den i hög hastighet pressas ut genom en raketdysa. När gasen stöts ut accelererar rymdfarkosten till omkring 50 000 kilometer i timmen.

Forskarna kommer emellertid inte att använda laserljus för att sända upp satelliter. I stället ska de sätta fart på rymdfarkoster som sedan tidigare placerats i omloppsbana runt jorden med hjälp av traditionella rymdraketer.

Planen är att rikta en extremt kraftfull laserstråle rakt mot en spegel, en reflektor, på Marsfarkosten.

Spegeln riktar laserljuset mot en kammare som förses med en kontinuerlig ström av vätgas.

När gasen hettas upp expanderar den och stöts i hög hastighet ut ur en raketdysa, vilket får rymdfarkosten att accelerera.

Laserstrålen behöver bara träffa rymdfarkosten i en timme för att få upp farten i enastående 50 000 kilometer i timmen.

Metoden kallas lasertermisk framdrivning och forskarna spår att de laserdrivna raketmotorerna kommer att bli rymdfartens framtid.

Yuri Milner Stephen Hawking

År 2016 berättade rikemannen Yuri Milner och astrofysikern Stephen Hawking om en plan att sända ut små rymdsonder till stjärnan Alfa Centauri med hjälp av ett laserdrivet rymdsegel.

© Jemal Countess/Getty Images

Fysiken bakom rymdraketers framdrivning definieras av Newtons tredje lag, som fysikern sir Isaac Newton formulerade för snart 350 år sedan.

Lagen säger att det för varje kraft finns en lika stor, men motsatt riktad motkraft.

När motorerna i en rymdraket stöter ut avgaser genom en så kallad raketdysa rör sig raketen i motsatt riktning till avgaserna med lika stor kraft.

Rymdraketens acceleration påverkas framför allt av hur hög temperatur avgaserna i motorernas förbränningskammare har.

Ju högre temperatur gaserna värms upp till, desto snabbare stöts de ut och desto snabbare accelererar farkosten.

Sol och planeter
©

Laserdriven rymdfarkost tar genväg

Var 26:e månad sig befinner jorden och Mars i särskilda positioner i förhållande till varandra som gör det möjligt att välja den bana som kräver minst bränsle.

Denna så kallade Hohmannbana utnyttjar den hastighet de två planeterna redan har till följd av sina respektive omloppsbanor för att ”slunga iväg” en rymdfarkost.

När en farkost följer en Hohmannbana behöver den bara avfyra motorerna en gång vid resans början och en gång när farkosten ska bromsas in och placeras i Mars omloppsbana.

Genom att ”glida” genom rymden på det här viset blir restiden till Mars upp till sju månader lång (den streckade linjen).

En rymdfarkost med en lasertermisk motor (den blå linjen) kan accelerera till betydligt högre hastighet vid uppsändningen och bromsa in mycket hårdare vid ankomsten.

Det innebär att resan till Mars kan klaras av på bara 45 dagar.

I traditionella rymdraketer når förbränningstemperaturen i motorerna vanligt upp till cirka 3 200 grader.

Eftersom de fokuserade laserstrålarna värmer avgaserna i motorerna på ett betydligt mer effektivt vis kan förbränningstemperaturen i lasertermiska motorer enligt forskarna nå upp till otroliga 40 000 grader.

Det innebär att restiden antingen kan kortas dramatiskt eller att den laserdrivna rymdfarkosten kan föra med sig tio gånger mer last per kilo bränsle.

Laseranläggning står för energin

Det är först och främst en ny, lovande laserteknik, som gör att många små lasrar kan fungera som en enda stor, som ska möjliggöra visionen om snabba Marsresor.

Vid University of California och Australian National University försöker fysiker utveckla laseranläggningar som består av stora ansamlingar av billiga lasrar med hög precision, där infrarött laserljus bildas och förstärks i optiska fibrer.

Fysikerna satsar på att tusentals eller miljontals lasrar ska kunna fungera som en enda jättelik laser, som kan styras elektroniskt så att laserstrålen alltid är riktad mot rymdfarkosten.

Forskarna gör ständiga framsteg. Rent tekniskt borde det inte finnas något hinder för att de når målet inom ett överskådligt antal år.

En laseranläggning på tio gånger tio meter, ungefär en halv tennisbana, borde enligt forskarna räcka för att generera den energi som krävs för att föra människor snabbt till Mars.

Laser kan revolutionera rymdfärden

I stället för att förbränna raketbränsle, som i en traditionell raketmotor, kan framtidens rymdfarkoster få sin energi från lasrar som avfyras från jorden. Det kan ske på tre sätt.

Lasertermisk rymdraket
©

1: Laser hettar upp vätgas

Via en spegel riktas en stark laserstråle mot en raketmotor, där vätgas hettas upp till tusentals grader. När gasen värms expanderar den snabbt och stöts ut genom en raketdysa, vilket får rymdfarkosten att accelerera.

Rymdfarkost
©

2: Solpanel driver elektrisk raketmotor

En så kallad jonmotor drivs av el från en solpanel som träffas av laserljus. I motorn når elektriskt laddade partiklar upp i hastigheter långt över 100 000 kilometer i timmen. När partiklarna slungas bakåt drivs rymdfarkosten framåt.

Rymden
©

3: Ljuset riktas mot ett solsegel

Likt en vind som ger fart åt ett fartyg knuffar strålningstrycket från laserljus på en rymdfarkost utrustad med ett stort solsegel. Trycket är inte särskilt högt, men under loppet av flera år kan en mycket lätt rymdfarkost nå upp i en extremt hög hastighet.

Ingenjörerna har bara räknat på utresan. Hemfärden från Mars måste troligen ske på det gamla, något långsammare sättet, med kemiska raketmotorer, åtminstone tills en egentlig Marsbas med tillräcklig energiförsörjning har etablerats och en laseranläggning kan byggas även på Mars. Då kan nämligen energin från lasrarna både användas för att bromsa inkommande och accelerera utgående rymdfarkoster.

Lasersystem kan då komma att skjuta rymdfärjor fram och tillbaka mellan jorden och Mars i reguljär trafik, dock begränsat av att de två planeterna behöver befinna sig nära varandra i sin respektive omloppsbana runt solen.

Både USA och Kina planerar att sända människor till Mars under 2030-talet, men det kommer inte att bli lasrar som för de första människorna till den röda planeten.

60 minuter – så snabbt går det för laserstrålarna från jorden att få upp rymdfarkostens hastighet till 50 000 kilometer i timmen.

Till en början ska professionella astronauter göra den långa resan med hjälp av helt vanliga, välbeprövade rymdraketer. Först när Mars är permanent bebott kommer ett verkligt behov av effektivare transporter att uppstå.

Rikemannen Elon Musk, som ligger bakom rymdtransportföretaget SpaceX, har ambitiösa planer på att grunda en miljonstad på Mars före år 2050.

Det får lektor Andrew Higgins, som tillhör forskargruppen vid McGill University, att gissa att den snabba lasertermiska transporten av människor kan förverkliga omkring år 2040.

Superteleskop fotograferar exoplaneter

Den nya typen av raketmotor kan även användas till vetenskapliga rymdsonder som ska utforska solsystemets mest avlägsna delar.

De två yttersta planeterna, Uranus och Neptunus, har inte besökts sedan 1980-talet, då den amerikanska rymdsonden Voyager 2 passerade dem.

På den tiden tog det tolv år för dem att ta sig från jorden till Neptunus, som befinner sig cirka 4,5 miljarder kilometer bort. En sond som skjuts iväg av en lasertermisk motor skulle kunna tillryggalägga resan på mindre än fem år.

I dag är det Nasas Voyager 1 som innehar rekordet som den mest avlägset belägna rymdfarkosten. Det har tagit sonden 45 år att färdas 23 miljarder kilometer från jorden. En laserdriven rymdfarkost med ett rymdteleskop ombord kan i teorin tillryggalägga en betydligt längre sträcka på ett par årtionden.

Till en början är det emellertid Mars de laserdrivna raketerna kommer att sikta in sig på.

Om tekniken blir verklighet kommer troligen betydligt fler människor att vara villiga att göra den 45 dagar korta resan till vår närmaste planet och därmed inleda en ny interplanetarisk epok för mänskligheten.