Topp 10 konseptuelle romfartøymotorer

Å skyte et skip ut i rommet er en kostbar og treg prosess med rare vitenskap og ingeniørfag. I utgangspunktet trenger vi raketter, ekstreme motorer som skyver ut avgasser med høy hastighet for å generere skyvekraft. Driften av dem er et teknologisk mirakel etter forrige århundres standarder, men det grunnleggende er ganske enkelt. Ved forhøyet trykk utløser en tenner drivstoffet til å eksplodere inne i et forbrenningskammer sammen med en oksygenkilde (vanligvis flytende). Den resulterende væsken slipper ut av endedysen som reaksjonsmasse.

I motsetning til luftpustende stråler kan ikke raketter strømme atmosfæriske gasser for å produsere bevegelse fordi atmosfæren blir for tynn i banehøyder. Så en rakettmotor må drive sin egen eksosvæske for å få kraft. Ser enkelt ut, men de tekniske problemene som er involvert i prosjekt, bygget, montert og testet operasjonelt romfartøy skyrokker budsjettet til enhver lansering av satcom.

Tilsynelatende er å overvinne jordens tyngdekraft og nå verdensrommet grensen for de nåværende kjemiske rakettene, som bruker eksoterm reaksjon som fremdrift. Heldigvis er anvendt vitenskap mindre et spørsmål om å bekjempe fysikk enn å finne ut hvordan man får lovene til å fungere gunstig. Her kommer 10 begreper romfartøystasjoner som kan utvide menneskehetens horisonter.

10 Synergistisk Turbojet

En metode for å bygge billigere romfartøy kan være en-trinns-til-bane (SSTO) tilnærming, et konseptuelt fremdriftssystem som ikke er avhengig av å jette maskinvare for å nå banehøyde. Den vil bruke atmosfærisk luft under oppskytingen for å mate motorens brennende reaksjon, noe som vil unngå å bære ekstra oksidasjonsmiddel og derfor redusere vekten.

Etter et slikt forslag designet det britiske selskapet Reaction Engines Limited (REL) sitt Skylon romfly for å operere ved hjelp av SABER, et konsept med luftpustemotor. For å bare stole på sin egen indre maskinvare for å få fremdrift, vil SABER kunne bytte mellom to driftsmåter – en typisk turbojet som er avhengig av atmosfærisk luft for å mate forbrenning, og en konvensjonell rakettmotor som bruker flytende oksygenforsyning.

REL ga ut et forslag om en bemannet reise til Mars som skulle benytte Skylon romfartøy for å bygge oppdragsskipene i bane.

9 Termisk kjernefysisk rakett

Rosatom, et russisk statskonsern som styrer interne kjernefysiske saker, bygger en rakettmotor som det tar bare 45 dager å reise fra jorden til Mars (mot inneværende 18 måneder). Slik teknologi vil være lik URSS til atomvarmere raketter (NTR) designet under den kalde krigen. Inne i en reaktor ombord, overopphetes energien som frigjøres fra splittende atomer arbeidsfluid for å skape høyt trykk, og dermed trykk, som hva drivstoffbrenningsreaksjoner gjør i en kjemisk rakett. På grunn av den energetiske tettheten til kjernebrensel, veier NTR-motorer mindre og har et lavt forbruk.

På samme måte gjenopplivet NASA sitt NTR-prosjekt 40 år etter NERVA-programmets nedleggelse, men romfartsorganisasjonen ser også på et høyere spekter av muligheter som involverer kjernekraft, som fusjonsdrevne raketter og kjernefysiske lyspærer.

8 Thermal Antimatter Drive

Hver fysisk substans i universet er sammensatt av materie; materie består av partikler, og for hver partikkel er det en mørk tvilling – antipartikkelen. En antipartikkel har alle motstykkeegenskapene, bortsett fra motsatt ladning. Når begge tvillingene samhandler, utsletter de hverandre og slipper ut energi i prosessen, mye energi. NASA-forskere vil bruke denne kraften til å øke rakettmotorer inn i interstellar reisealder.

På samme måte som NTR-er, vil utslettelse av antimateriale varme opp arbeidsfluid for å generere skyvekraft, men med en drivstoffeffektivitet eksponentielt større. 100 milligram antimateriale er nok til å nå Mars, mens en kjemisk rakett vil trenge tonn drivstoff for et bemannet oppdrag. Forskere vil til og med finansiere et antimateriaskip på Kickstarter.

7 Kjernepulsfremdrift

Hva med en reise til Alpha Centauri som slipper atombomber på vei for å drive romskipet ditt? Kjernepulsfremdrift kan være den mest gjennomførbare veien til interstellær reise. Project Orion startet i 1958 som et DARPA-selskap, og ønsket å bygge et ekte romopera-skip – ubåt-stil konstruksjon, 200 besetningsmedlemmer, tusenvis av tonn startvekt – og skyte det i bane ved hjelp av kjernepulsfremdrift. Alt levedyktig, teoretisk og teknisk sett.

En Orion-motor kunne produsere megaton skyvekraft som dirigerte små kjernefysiske eksplosjoner mot en massiv stålplate som ble koblet til romfartøyet med støtdempere, men politiske spørsmål og budsjett viste seg å være problemer verre enn mekaniske hindringer. Prosjekt Orion ble stengt i 1965 etter flere prestasjoner, men liknende konsepter som Medusa romfartøy og antimaterie-fisjon fremdrift er fortsatt under forskning.

6 Nanopartikkel-mikropropulsjon

Å lade drivmolekyler elektrisk og deretter øke dem gjennom magnetfelt er en ekstremt effektiv måte å drive romfartøy på – til tross for den lille impulskraften, er ionepropeller flere ganger mer energieffektive enn kjemiske raketter og til slutt samsvarer med eksoterm fremdrift i det lange løp. Forresten, det var systemet som drev romfartøyet Dawn til Vesta og Ceres.

Finansiert av Air Force Office of Scientific Research, University of Michigan utvikler en eksperimentell ionepropeller kalt NanoFET. Motoren ville skyte av billioner drivstoff-nanopartikler gjennom nanoelektromekaniske systemer, og åpnet et thruster-on-a-chip-konsept som kan drive morgendagens miniatyriserte satellitter. Rutenett av NanoFET-moduler kan tilpasses og eskaleres fleksibelt for å passe til forskjellige design og tekniske behov.

5 Q-Thruster

Raketter driver drivmiddel (handling) for å få skyvekraft (reaksjon) i samsvar med Newtons tredje lov, men hva om en stasjon kan bryte denne grunnleggende naturregelen? Roger Shawyer, en britisk luftfartsingeniør, mente at det var fullt mulig da han i 1999 foreslo en reaksjonsløs motor kalt radiofrekvent resonans hulromtruster eller bare EmDrive (elektromagnetisk stasjon). En EmDrive vil sprette mikrobølger inne i en kjegle for å produsere skyvekraft mot den smale enden. Eksperimentet skapte kontrovers i det vitenskapelige samfunnet selv etter at kinesiske, tyske og NASA-forskere har gjengitt Shawyers prosedyrer med positive resultater.

Hvordan EmDrives fungerer nøyaktig, forblir på kanten av fysikken. Teorien om kvantesvingninger sier at vakuum spruter med energiske partikler som spretter inn og ut av virkeligheten. Ved å samhandle med disse partiklene gjennom mikrobølger, ville det være mulig å få et skip.

EmDrive opprettet et helt nytt konsept av rakettmotorer kjent som kvantevakuummotorer (Q-thrustere).

4 fotonisk laserpropeller

Young K. Bae er doktorgrad. Dr. fysiker grunnlegger av YK Bae Corp – et forsøk dedikert til forskning på "grønne" teknologier innen energi og romfart. Baes patenter inkluderer fotoniske jernbaner, en ny molekylær klasse og Photonic Laser Thruster (PLT). Bae studerte PLT med NASA-finansiering og var i stand til å designe et konsept med romdriver som ikke behøvde å bære drivstofftanker. I stedet vil PLT motta sitt trykk fra lasere som er avfyrt på romskipet. Siden vakuumet er friksjonsfritt, vil et PLT-drevet fartøy stadig få fart for å gå avstanden til Mars i løpet av noen dager.

Utviklingen innen Directed Energy-teknologi vil være avgjørende for å levere laserstråler med flere megawatt som er i stand til å skyve et romfartøy gjennom verdensrommet, slik at en arkitektur er fri for tunge komponenter, som drivstoff og hovedstrømforsyninger.

3 Coilgun Space Launcher

Science Fiction-forfattere, som Arthur C. Clarke og Robert Heinlein, har regnet med elektromagnetiske katapulter som plot-enheter i flere tiår. Selv i dag kan magnetisk akselerere en nyttelast hundrevis av miles over jorden, virke som ren Sci-Fi, og likevel tror forskere som Dr. James Powell og Dr. Gordon Danby at det vil være en del av romfartens fremtid. Powell og Danby oppfant sammen superledende maglev (magnetisk fjæring), slik at nåværende EM-tog kan utvikles, og nå vil de bruke teknologien i romfart gjennom Startram-prosjektet.

I Powell og Danbys visjon ville spoler produsere et sterkt magnetfelt for å skyve et romfartøy eller nyttelast i høy hastighet over miles av jernbanen, på samme måte som det som skjer med et spolepistolprosjekt. For å oppnå nok fart, vil sporet ha flere mil og koste titalls milliarder dollar, men – ifølge oppfinnerne – er det en liten pris å betale for fremtiden.

2 Stellar Windjammer

Sol, som enhver annen stjerne, tuter hele tiden ladede partikler – en ekte kuling av høyhastighets protoner og elektroner. Slike strålingstrykk kan presse mot et magnetfelt og generere trykk.

Etter et tiår med romvandring, ville et sunjammer romfartøy kunne krysse de fjerne grensene til vårt solsystem uten å kaste bort noe drivstoff, manøvrere i eksoplanetære magnetiske og gravitasjonsfelt for å kalibrere banen. Trykkretningen kan justeres ved å endre seilet i henhold til solvinden.

Siden fremdriftskraften ville avhenge av magnetfeltets størrelse, ville et solseil trenge hundrevis av meter og kilometer superledermateriale for å produsere magnetfeltet, som ligner syklopiske trådløkker i stedet for navigasjonsalderens vindfangende lerret.

NASA planlegger å distribuere et solseil i 2018 under flybyundersøkelsen av Asteroid Scout.

1 Alcubierre Drive

Einsteins feltligninger sier at energi og materie kan kurve virkeligheten i romtid. Spesielt, strekker du stoffet i rommet bak et skip og trekker sammen rommet foran det, er det mulig å oppnå tilsynelatende FTL-reise (raskere enn lys). Selvfølgelig ville det være rommet som beveger seg og ikke skipet, som et rullende spill, så ingen relativistisk lov ville bli brutt. Når vi kjører på en boble av bølger i romtiden, kan skipet nå hastigheter som er større enn størrelsen på lyset. Vi kan til og med reise til Mars på under et sekund, men jeg tror at retardasjon ville være et problem!

Den Alcubierre driv eller bare warp ble foreslått av meksikansk fysiker Miguel Alcubierre som en løsning for å Einstein feltligninger, hvor det fremgår at energi og materie kan kurve romtiden mesh. Ved å bruke et felt med mindre enn null masse, vil warp-stasjonen føre til at stoffet i rommet vrir seg og ruller forbi.