Topp 10 konceptuella rymdskeppsmotorer

Att skjuta ett fartyg i rymden är en dyr och trög process av konstig vetenskap och teknik. I grund och botten behöver vi raketer, extrema motorer som matar ut höghastighetsdrivmedel för att generera dragkraft. Deras drift är ett tekniskt mirakel enligt de senaste århundradets standarder, men grunderna är ganska enkla. Vid förhöjt tryck utlöser en tändare bränslet att explodera inuti en förbränningskammare tillsammans med en syrekälla (vanligtvis flytande). Den resulterande vätskan släpper ut genom ändmunstycket som reaktionsmassa.

Till skillnad från luftandningsstrålar kan raketer inte strömma atmosfäriska gaser för att producera rörelse eftersom atmosfären blir för tunn vid omloppshöjder. Så en raketmotor måste driva av sig sin egen avgasvätska för att få kraft. Ser enkelt ut, men de tekniska frågorna som är involverade i projekt, byggt, monterat och testat operativa rymdfarkoster skjuter upp budgeten för alla satellitstart.

Tydligen är att övervinna jordens gravitation och nå yttre rymden gränsen för de nuvarande kemiska raketerna, som använder exoterm reaktion som framdrivning. Lyckligtvis är tillämpad vetenskap mindre en fråga om att bekämpa fysik än att räkna ut hur man får sina lagar att fungera positivt. Här kommer tio begrepp med rymdfarkoster som kan utvidga mänsklighetens horisonter.

10 Synergistisk turbojet

En metod för att bygga billigare rymdfarkoster kan vara enkelsteg-till-omloppsbana (SSTO), ett konceptuellt framdrivningssystem som inte förlitar sig på jettisoning hårdvara för att nå omloppshöjd. Den skulle använda atmosfärisk luft under lanseringen för att mata motorns brinnande reaktion, vilket kommer att undvika att bära extra oxidationsmedel och därmed minska vikten.

Efter ett sådant förslag designade det brittiska företaget Reaction Engines Limited (REL) sin Skylon-rymdplan för att fungera med SABER, ett koncept för luftandningsmotor. För att bara räkna med sin egen inre hårdvara för att få kraft kommer SABER att kunna växla mellan två driftsätt – en typisk turbojet som är beroende av atmosfärisk luft för att mata förbränningen och en konventionell raketmotor som använder flytande syretillförsel.

REL släppte ett förslag om en bemannad resa till Mars som skulle använda Skylon rymdfarkoster för att bygga uppdragsfartygen i omloppsbana.

9 Termisk kärnraket

Rosatom, ett ryskt statligt företag som hanterar interna kärnkraftsfrågor, bygger en raketmotor som tar bara 45 dagar att resa från jorden till Mars (mot de pågående 18 månaderna). Sådan teknik kommer att likna de kärnvapenraketer (UTRS) som designades under det kalla kriget. Inuti en reaktor ombord överhettar energin som frigörs från splittrade atomer arbetsvätska för att skapa högt tryck och därmed tryck, som vad drivmedelsförbränningsreaktioner gör i en kemisk raket. På grund av kärnbränslets energiska densitet väger NTR-motorer mindre och har låg förbrukningshastighet.

På samma sätt återupplivade NASA sitt NTR-projekt 40 år efter NERVA-programmets stängning, men rymdorganisationen tittar också på ett högre spektrum av möjligheter som involverar kärnkraft, som fusionsdrivna raketer och kärnlampor.

8 Thermal Antimatter Drive

Varje fysisk substans i universum består av materia; materia består av partiklar, och för varje partikel finns det en mörk tvilling – antipartikeln. En antipartikel har alla motsvarighetens egenskaper, utom motsatt laddning. När båda tvillingarna interagerar förintar de varandra och släpper ut energi i processen, mycket energi. NASA-forskare vill använda denna kraft för att öka raketmotorer till interstellär resealder.

På samma sätt som NTR skulle antimaterieutrotning värma upp arbetsvätska för att generera kraft, men med en bränsleeffektivitet exponentiellt högre. 100 milligram antimateria räcker för att nå Mars, medan en kemisk raket skulle behöva massor av drivmedel för ett bemannat uppdrag. Forskare vill till och med finansiera ett antimateriafartyg på Kickstarter.

7 Kärnpulsframdrivning

Vad sägs om en resa till Alpha Centauri som släppte atombomber på vägen för att driva ditt rymdskepp? Kärnpulsdrivning kan vara den mest möjliga vägen till interstellär resa. Projektet Orion startade 1958 som ett DARPA-företag och ville bygga ett verkligt rymdopera-fartyg – konstruktion i ubåtsstil, 200 besättningsmedlemmar, tusentals ton startvikt – och skjuta in i omloppsbana med kärnpulsdrift. Allt livskraftigt, teoretiskt och tekniskt sett.

En Orion-motor kunde producera megatons dragkraft som riktade små kärnkraftsexplosioner mot en massiv stålplåt som fogades till rymdfarkosten med stötdämpare, men politiska frågor och budget visade sig vara problem värre än mekaniska hinder. Projekt Orion stängdes 1965 efter flera prestationer, men liknande begrepp som Medusa-rymdfarkoster och antimateriell fissionsdrivning är fortfarande under forskning.

6 Mikropropulsion av nanopartiklar

Att ladda drivmedelsmolekyler elektriskt och sedan förstärka dem genom magnetfält är ett extremt effektivt sätt att driva rymdfarkoster – trots den lilla impulskraften är jonpropeller flera gånger mer energieffektiva än kemiska raketer och matchar så småningom exoterm framdrift på lång sikt. Förresten, det var systemet som drev Dawn rymdfarkoster till Vesta och Ceres.

Finansierat av flygvapenskontoret för vetenskaplig forskning, utvecklar University of Michigan en experimentell jonpropeller benämnd NanoFET. Motorn skulle avfyra biljoner drivande nanopartiklar genom nanoelektromekaniska system och öppna ett koncept för thruster-on-a-chip som kan driva morgondagens miniatyriserade satelliter. Nätverk av NanoFET-moduler kan anpassas och eskaleras flexibelt för att passa olika konstruktioner och tekniska behov.

5 Q-Thruster

Raketer driver drivmedel (handling) för att få dragkraft (reaktion) i enlighet med Newtons tredje lag, men vad händer om en enhet kan bryta denna grundläggande naturregel? Roger Shawyer, en brittisk flygtekniker, trodde att det var helt möjligt när han 1999 föreslog en reaktionslös motor som kallas radiofrekvensresonant kavitetspropeller eller bara EmDrive (elektromagnetisk enhet). En EmDrive skulle studsa mikrovågor inuti en kon för att producera dragkraft mot den smala änden. Experimentet skapade kontroverser i det vetenskapliga samfundet även efter att kinesiska, tyska och NASA-forskare har återskapat Shawyers procedurer med positiva resultat.

Hur EmDrives fungerar exakt förblir på kanten av fysiken. Teorin om kvantfluktuationer säger att vakuum sprutar med energiska partiklar som dyker in och ut ur verkligheten. Att interagera med dessa partiklar genom mikrovågor, skulle det vara möjligt för ett fartyg att få kraft.

EmDrive skapade ett helt nytt koncept av raketmotorer som kallas kvantvakuumpropeller (Q-thrusters).

4 fotonisk laserpropeller

Young K. Bae är doktorsexamen. Dr fysikers grundare av YK Bae Corp – en strävan att undersöka "gröna” tekniker inom energi- och rymdresor. Baes patent inkluderar fotoniska järnvägar, en ny molekylär klass och Photonic Laser Thruster (PLT). Bae studerade PLT med NASA-finansiering och kunde designa ett koncept av rymdförare som inte skulle behöva bära bränsletankar. Istället kommer PLT att få sitt tryck från lasrar som skjutits mot rymdskeppet. Eftersom vakuumet är friktionsfritt skulle ett PLT-driven fartyg ständigt få fart för att gå avståndet till Mars på några dagar.

Utvecklingen inom riktad energiteknik kommer att vara avgörande för att leverera laserstrålar med flera megawatt som kan driva ett rymdfarkost genom yttre rymden, vilket möjliggör en arkitektur fri från tunga komponenter, såsom bränsle och huvudströmförsörjning.

3 Coilgun Space Launcher

Science Fiction-författare, som Arthur C. Clarke och Robert Heinlein, har räknat med elektromagnetiska katapulter som plot-enheter i årtionden. Till och med idag kan magnetisk accelerera en nyttolast hundratals mil över jorden kan verka ren Sci-Fi, och ändå tror forskare som Dr. James Powell och Dr. Gordon Danby att det kommer att vara en del av rymdresans framtid. Powell och Danby uppfann tillsammans superledande maglev (magnetisk upphängning), vilket gör det möjligt att utveckla de nuvarande EM-tågen, och nu vill de använda tekniken i rymdresor genom sitt Startram-projekt.

I Powell och Danbys vision skulle spolar producera ett starkt magnetfält för att driva ett rymdfarkost eller nyttolast med hög hastighet över miles av järnvägen, på samma sätt som vad som händer med en spiralprojekt. För att få tillräckligt med fart kommer banan att ha flera mil och kosta tiotals miljarder dollar, men – enligt dess uppfinnare – är det ett litet pris att betala för framtiden.

2 Stellar Windjammer

Solen, som alla andra stjärnor, sprutar ständigt laddade partiklar – en riktig storm av snabba protoner och elektroner. Sådant strålningstryck kan trycka mot ett magnetfält och generera dragkraft.

Efter ett decennium av rymdvandring skulle en sunjammer-rymdfarkost kunna korsa gränserna för vårt solsystem utan att slösa bort bränsle och manövrera i exoplanetära magnetiska och gravitationsfält för att kalibrera dess bana. Drivriktningen kunde justeras genom att ändra seglet enligt solvinden.

Eftersom den framdrivande kraften skulle bero på magnetfältets storlek, skulle ett solsegel behöva hundratals meter och kilometer supraledarmaterial för att producera sitt magnetfält, som liknar cyklopiska trådöglor istället för navigationsåldern vindfångande dukar.

NASA planerar att distribuera ett solsegel 2018 under flybyundersökningen av Asteroid Scout.

1 Alcubierre Drive

Einsteins fältekvationer säger att energi och materia kan böja verklighetens rymdtidsmask. Specifikt, att sträcka ut rymdtyget bakom ett fartyg och dra ihop utrymmet framför det är det möjligt att uppnå uppenbar FTL-resa (snabbare än ljus). Naturligtvis skulle det vara rymden som rör sig och inte skeppet, som ett rullande spel, så ingen relativistisk lag skulle brytas. Rider på en varpbubbla av rymdvågor kan vårt skepp nå hastigheter som är större än storleken på ljuset. Vi kan till och med resa till Mars på mindre än en sekund, men jag tror att retardation skulle vara ett problem!

Den Alcubierre enhet eller bara warpdrift slogs av mexikansk fysiker Miguel Alcubierre som en lösning på Einsteins fältekvationer, som anger att energi och materia kan kurvan rymdtid mesh. Med hjälp av ett fält med mindre än nollmassa skulle varpdrivningen få rymdens tyg att vridas och rulla förbi.