Laserstrålar kan få oss till Mars på rekordtid

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.

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.

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.

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.

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.

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.