Nya motorer ger turbofart: Resan till Mars tar bara 45 dagar
Om vi vill kunna kolonisera Mars och utforska hela solsystemet behöver vi kraftfullare raketer. Nu är lyckligtvis Nasa på gång med nya motorer, som tack vare kärnkraft och laserpulser kan minska restiderna i rymden dramatiskt.
En rymdraket lättar från jorden.
Det ser ut som en helt vanlig uppsändning, men så snart rymdfarkosten i raketens nos frikopplas händer något revolutionerande: En kärnreaktor börjar klyva atomer och energiurladdningen accelererar farkosten i riktning mot Mars.
Det har tidigare tagit 210 dagar att färdas till den röda planeten, men nu tar resan bara 100 dagar.
Så lyder planen för den första flygningen med en ny typ av atomdriven farkost som ska förverkligas år 2027.
Men det är bara början.
Om Nasa får bestämma kommer vi att kunna få ner restiderna i solsystemet ännu mer.
Därför har organisationen skjutit till pengar åt utveckling av tre motorer som kan accelerera våra rymdfarkoster till exempellösa hastigheter.
Vi kommer att kunna resa till Mars på bara 45 dagar, och medan det tog Voyager 1-sonden 35 år att som vår första farkost färdas till solsystemets gräns kommer de nya motorerna att kunna ta sig lika långt på bara några år.
Vi kan enkelt uttryckt få motorkraft så det räcker till att erövra hela solsystemet. Det enda som krävs är klyvning av några atomer – och en laser med hög precision.
Restiden är för lång
En rymdfarkost kan inte flyga snabbare än dess bränsle tillåter. Det flytande bränsle som vi använder i dag är tungt att ta med sig ut i rymden och kan bara accelerera farkosten en kort tid innan det tar slut.
Det betyder till exempel att en resa till Mars bara är realistisk att genomföra ungefär var 26:e månad, då de två planeternas omloppsbanor ligger närmast varandra.
Om man även vill ta den snabbaste vägen hem krävs 496 dygns vistelse på den röda planeten.
Och då är det bara vår grannplanet Mars vi talar om. Ifall vi vill kunna resa längre ut i solsystemet blir restiderna flera år – ja, till och med årtionden.
Vi behöver helt enkelt motorer som kan få våra rymdfarkoster att färdas snabbare.
Sköldpaddan vinner över haren
En traditionell raket förbränner stora mängder bränsle och tvingas därför stänga av motorn efter bara några minuter.
En atomdriven raket accelererar långsammare, men kan å andra sidan upprätthålla accelerationen under lång tid och därmed nå upp i högre hastigheter.
Nasa samarbetar med det amerikanska försvarets utvecklingsavdelning om raketen Draco, som med hjälp av kärnkraft kan ta sig till Mars på bara 100 dagar, en resa som i dag tar 210 dagar.
De två mest etablerade kärnteknikerna för rymdfarkoster är väte och joner.
I en atomdriven vätemotor används energi från klyvning av atomer för att värma vätgas, som sänds ut ur en dysa och på så vis skapar framdrift.
I en jonmotor producerar raketens reaktor el, som används för att slita loss elektroner ur atomer i xenongas. Därefter leds de positivt laddade atomkärnorna ut genom en dysa.
Nasa är i färd med att konstruera raketen Draco, som kombinerar dessa båda motortyper. Den kommer enligt ingenjörernas beräkningar att kunna ta sig till Mars på 100 dagar, det vill säga mer än dubbelt så snabbt som i dag.
5 gånger snabbare kan vi ta oss till Mars med en ny raketmotor som Nasa just har varit med och finansierat.
Ambitionerna sträcker sig emellertid ännu längre med två helt nya atommotorer.
Atomklyvning kan erövra solsystemet
Nasas program Nasa Innovative Advanced Concepts Program (Niac) väljer ut rymdteknik som visar störst framtidspotential.
I den senaste urvalsrundan har tre nya rymdmotorer tilldelats medel för utveckling.
Den första, utformad av forskaren Ryan Gosse vid University of Florida, är en atomdriven motor som kombinerar väte- och jonteknik, precis som Draco.
Gosses innovation består i att han har försett motorns vätedel med en så kallad vågrotor. Rotorn drivs av trycket från vätgas som är på väg in i motorn och vridmomentet används för att ytterligare accelerera den gas som är på väg ut ur dysan.
Enligt Gosse kommer en farkost med hans vågrotor att kunna ta sig till Mars på bara 45 dagar, cirka fem gånger snabbare än i dag.
Den andra atommotorn som Nasa har gett medel till hoppar över ett led som används i övriga väte- och jonmotorer.
När en stor atom klyvs till två mindre atomer i motorns reaktor skjuts de två mindre atomkärnorna direkt ut genom raketens dysa i stället för att använda energin till att värma en gas eller slita loss joner från atomer.
Utmaningen med denna typ av motor är framför allt förvaringen av kärnbränslet, till exempel plutonium-239. Forskaren bakom utformningen, Ryan Weed, har kommit fram till den kreativa lösningen att täcka bränslet med aerogel, ett gel som består av 99 procent tomrum och därför har stor lagringsvolym i förhållande till sin storlek.
Nya motorer minskar restiderna
I dag tar det månader eller år att genomföra rymdresor, men nu kan tre nya motortyper sätta betydligt högre fart på rymdfarkosterna och därmed föra oss ända ut till solsystemets slut inom överskådlig tid.
1. Marsbas närmar sig
Med en ny raketmotor som använder kärnkraft och introducerar en så kallad vågrotor kan vi få ner restiden till Mars från 210 till endast 45 dagar. Därmed kan motorn väsentligt påskynda bygget av en bas på Mars.
2. Atommotor möjliggör solteleskop
Likt en lins kan solens gravitation fokusera ljuset från exoplaneter. Men för att registrera ljuset behöver ett rymdteleskop sändas 82 miljarder kilometer bort. Med dagens teknik skulle det ta uppemot 100 år, men en ny atommotor kan få ner restiden till 15 år.
3. Farkost knuffas mot andra solsystem
Inom loppet av några årtionden kan en farkost som knuffas fram av små atomklumpar färdas uppemot tio gånger längre bort än Voyagersonderna. Där kan farkosten samla in data och förbereda en expedition till exempelvis vår grannstjärna Proxima Centauri.
Weeds atomraket skulle kunna flyga ända upp till 200 gånger snabbare än dagens raketer.
Därför kan den nå till exempel Neptunus på bara ett år, en resa som i dag tar årtionden. Det kan öppna upp hela solsystemet för bemannade rymdresor.
Teleskop kan hitta avlägsna planeter
Om de revolutionerande motorerna blir verklighet kan de uppfylla en av astronomernas största önskningar: det ultimata rymdteleskopet, som använder solen som en lins och kan ta detaljerade bilder av avlägsna exoplaneter.
Rymdteleskopet fungerar som en lupp, där en lins böjer ljuset och därmed förstorar bilden.
Ett sådant teleskop utnyttjar det faktum att solens enorma massa kröker rymden kring stjärnan, så att ljuset från en bakomliggande planet böjs runt solen och bildar en ring av ljus runt den. Teleskopet omsätter därefter ljusringen till en bild, som till exempel kan visa berg, floder och hav på planeter som befinner sig upp till 100 ljusår bort.
Ett teleskop utanför solsystemet kan använda solen som en lins, eftersom dess massa kröker rymden och skickar vidare förstärkt ljus från exoplaneter, som kanske liknar jorden.
För att kunna se ljusringen måste rymdteleskopet sändas ut utanför solsystemet, minst 550 gånger avståndet mellan jorden och solen.
En sådan resa skulle ta minst ett århundrade med dagens raketer, men med atommotorn som utnyttjar aerogel för att skjuta ut atomer genom en dysa kan färden klaras av på bara 15 år.
Laser kan sända oss till andra solsystem
Medan atommotorer redan är ett välkänt koncept som bara behöver vidareutvecklas har Nasa även bidragit med pengar till utveckling av en helt ny teknik: framdrift som inte ens kommer från rymdfarkosten själv.
Artur Davoyan vid University of California har utvecklat ett koncept som börjar med att en rymdfarkost sänds upp på vanligt vis. Därefter sänds en måltavla upp, som följer farkosten tätt i hälarna. Sedan avfyras kraftfulla laserpulser från jorden mot måltavlan.
200 gånger mer än en traditionell raketmotor – så mycket acceleration kan en ny atommotor ge en rymdfarkost.
Varje puls sliter loss små klumpar av atomer från måltavlans yta. De mikroskopiska atomklumparna far iväg i samma riktning som laserpulserna och träffar därmed rymdfarkostens baksida.
De många små knuffarna accelererar rymdfarkosten till så höga hastigheter att den kan ta sig ut till positionen för ett solteleskop på 15 år, precis som Ryan Weeds atomraket.
Laserdrift har emellertid potential till ännu längre expeditioner – till solsystemets utkant och vidare.
Tre motorer kan revolutionera rymdfarten
1. Atomraket med rotor ökar farten
En kärnreaktor producerar energi som skapar en ström av både joner och väte. Vätet passerar en så kallad vågrotor, som ytterligare accelererar gasen genom en dysa. Farten fyrdubblas jämfört med en traditionell raketmotor.
2. Atomklyvning skapar acceleration
Kärnbränsle, till exempel plutonium-239, förvaras i aerogel, som nästan enbart består av hålrum. Atomerna klyvs och leds genom en dysa av en supraledande magnet. Det kan ge 200 gånger bättre acceleration än en traditionell raket.
3. Laserpulser träffar farkost
Laserstrålar från jorden träffar en måltavla i rymden. Små klumpar av atomer slits loss ur tavlan och kolliderar med baksidan av en rymdfarkost, som accelererar till cirka 500 000 kilometer i timmen. I jämförelse flög Apollo 11:s manskap i ”bara” cirka 40 000 kilometer i timmen.
Artur Davoyan nämner själv möjligheten till en så kallad interstellär föregångare, en expedition i syfte att kartlägga rymden bortom solsystemets gräns – och ännu längre ut.
En sådan expedition skulle utgöra en viktig förberedelse inför en expedition till exempelvis vår grannstjärna Proxima Centauri, där vi kan leta efter livstecken på dess planeter.
Dessa tre nya tekniker befinner sig ännu i tidiga utvecklingsstadier, men om de blir aktuella för framtidens rymdfarkoster kommer vi inte bara att kunna kolonisera Mars och erövra hela solsystemet, utan också tillåta oss att drömma om andra solsystem.