Perfecting Propulsion: Hvordan vi får mennesker til Mars

Med de seneste missioner til Mars, som NASA's Perseverance, UAE's Hope og Kinas Tianwen-1, som alle er kæmpe succeser, kan du blive tilgivet for at tro, at det er nemt at komme til Mars. Men der er stor forskel på at sende en rover eller orbiter til den røde planet og at sende den slags infrastruktur og teknologi, vi skal bruge for at etablere en menneskelig tilstedeværelse der.

Kemisk fremdrift kan have ført os ud i solsystemet, men for den næste fase af mennesket udforskning af rummet, får vi brug for nye fremdriftsteknologier til at supplere dem, vi har brugt til sidste 50 år. For at få detaljerne om, hvordan en fremdrift til en bemandet ekspedition til Mars kunne se ud, talte vi med Kareem Ahmed, lektor ved University of Central Florida Department of Mechanical and Aerospace Engineering og en ekspert i banebrydende raketfremdrift systemer.

Denne artikel er en del af Livet på Mars, en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars

Gammel pålidelig: De kemiske fremdriftssystemer, vi bruger nu

For at sende en raket op gennem Jordens atmosfære og ud i rummet udenfor, har du brug for en masse skub. Du skal modvirke ikke kun friktionen fra Jordens atmosfære, men også den betydelige tyngdekraft, som trækker objekter tilbage til jorden.

Siden 1950'erne har vi brugt det samme grundlæggende princip til at drive raketter, kaldet kemisk fremdrift. I det væsentlige antænder du et drivmiddel (en blanding af brændstof og et oxidationsmiddel), som skaber varme. Denne varme får materialet inde i raketten til at udvide sig, som derefter skubbes ud af rakettens bagside. Denne uddrivelse af drivmiddel skaber stød, som skubber raketten opad med enorm kraft, og denne kraft gør det muligt for den at overvinde virkningerne af tyngdekraften og at flygte ud i rummet uden for vores planet.

"Kemisk-baseret fremdrift er bare at tilføje varme til drivmidlerne i virkelig hurtige hastigheder. Det drivmiddel, når du først har det ved en virkelig høj varme, udvider det sig med en meget høj hastighed,” forklarede Ahmed. "Denne hastighed er en funktion af, hvor meget varme du tilfører. Så tænk på det, som når du har en eksplosion, har du en enorm mængde gas, der bevæger sig hurtigt. Og det er hastigheden."

Dette er den store fordel, kemisk fremdrift har i forhold til andre typer fremdrift, der overvejes: Hastighed. Kemisk fremdrift hjælper raketter med at gå rigtig, rigtig hurtigt. Men det er ikke altid den mest effektive løsning.

"Tænk på det som en Prius versus en Corvette," sagde Ahmed. "Hvis du vil komme fra punkt A til punkt B meget hurtigt, er det svært at slå kemisk-baseret fremdrift." Når du vil være mere effektiv, kan andre fremdriftssystemer dog komme til deres ret. "Hvis du forsøger at komme fra punkt A til punkt B med en rimelig hastighed, men med høj effektivitet, så er kemikaliebaseret fremdrift måske ikke det rigtige værktøj."

Forbedring af kemiske fremdriftssystemer

Princippet om kemisk fremdrift kan have været det samme i de sidste mange årtier, men det betyder ikke, at der ikke er foretaget forbedringer af teknologien - såsom forskning i forskellige typer af brændstof.

Effektiviteten af ​​brændstoftyper er et spørgsmål om energitæthed - hvor meget energi der kan lagres af en bestemt mængde brændstof. Derfor er det svært at bruge sådan noget som brint som brændstof, selvom det frigiver meget varme i kemiske reaktioner, fordi det er så let og har lav densitet. Det er svært at opbevare en masse brint på en lille mængde plads, så det giver ikke særlig effektivt brændstof.

Nuværende raketter bruger oftest petroleumsbaserede brændstoffer - stort set det samme som flybrændstof - men det store interesseområde lige nu er at se på metan- eller naturgasbaserede brændstoffer. Dette brændstof ville ikke nødvendigvis være mere effektivt som drivmiddel, men det ville være betydeligt billigere, da naturgas er rigeligt, og vi allerede har teknologi på plads til at indsamle den.

"Hvis SpaceX kunne bruge naturgas til at flyve deres Falcon 9, ville de have mange besparelser og derfor accelerere rumudforskningen," sagde Ahmed som et eksempel. "Hvis vi kunne reducere omkostningerne ved at komme ud til ydre kredsløb, gør det plads mere tilgængelig for os."

Et andet forskningsområde er at forbedre selve motorerne. Ahmeds team er en af ​​flere grupper, der arbejder på et system kaldet en roterende detonationsraketmotor, som kunne generere mere strøm fra mindre brændstof sammenlignet med traditionelle motorer.

Ved omhyggeligt at kontrollere mængden af ​​brint og ilt, der tilføres en motor, kan tryk skabes mere effektivt. Dette kan reducere størrelsen af ​​en raketmotor ved at eliminere behovet for en meget kraftig kompressor, og den bruger også brændstof mere effektivt. Teknologien er på vej til at blive brugbar snart: Ahmed siger, at det amerikanske luftvåben planlægger at teste en sådan motor inden 2025.

Hvorfor kemisk fremdrift ikke kommer nogen vegne

For at lette fra Jorden er kemisk-baseret fremdrift afgørende. "Fra jordoverfladen bliver kemikaliebaseret fremdrift kritisk, fordi du har brug for den mængde kraft til at køre vægten væk fra jorden og helt op i højere højder. For at komme over gravitationskraften,” forklarede Ahmed.

Han tog eksemplet med SpaceX op. Når virksomheden affyrer en raket, hvorfor bruger den så ikke et elektrisk system som det, der bruges af Tesla? De to virksomheder er ejet af den samme person, Elon Musk, så de kunne sikkert dele teknologier. Men et elektrisk fremdriftssystem kan ikke generere den mængde tryk, der er nødvendig for at få en raket op af jorden - det producerer simpelthen ikke nok strøm.

Så vi bliver nødt til at fortsætte med at bruge kemisk fremdrift til at affyre raketter i en overskuelig fremtid. Men dette ændrer sig, når en raket er i kredsløb. Når den først har overvundet Jordens tyngdekraft og er i rummet, er det som at bruge fartpilot. Styring af et rumfartøj i rummet kræver relativt lidt tryk, da der ikke er luftfriktion eller nedadgående tyngdekraft at håndtere. Du kan endda gøre brug af gravitationskræfter fra nærliggende planeter og måner.

Så et andet fremdriftssystem kan tage over for mere effektiv drift.

En mere effektiv mulighed: Elektrisk fremdrift

Når først en raket er i kredsløb, vil den ofte skulle foretage baneændringer - små justeringer for at justere dens hastighed og sikre, at den er på vej i den rigtige retning. Dette kræver et tryksystem. "Du har brug for tusindvis af newtons bare for at flyve et køretøj, for at komme ud af nulhastighedstilstanden og for at få det op og komme over tyngdekraften af ​​den vægt, du bærer. Derfor har du brug for et stort, stort raketsystem. Men i ydre kredsløb har du ikke gravitationskræfter, der påvirker dig mere, du har bare din terminale hastighed, du forsøger at overvinde," forklarede Ahmed.

Og der er masser af måder at generere den nødvendige kraft for at justere et rumfartøjs kurs. "Triv er stød," sagde han. "Du injicerer masse. Du smider masse væk, derfor bevæger den dig i den modsatte retning. Det er mængden af ​​masse, og hvor hurtigt du udmatter den masse."

En teknologi, der ofte bruges i små satellitter, eller smallsats, er elektrisk fremdrift. De bruger elektrisk strøm (ofte indsamlet ved hjælp af solpaneler) til at ionisere et gasdrivmiddel. Denne ioniserede gas tvinges derefter ud af bagsiden af ​​satellitten ved hjælp af et elektronisk eller magnetisk felt, hvilket skaber et tryk, der bevæger rumfartøjet.

Dette er et ekstremt effektivt system, der kan bruge op til 90 % mindre brændstof end kemisk fremdrift.

"Til elektrisk fremdrift er din masse meget lille, og du behøver ikke rigtig meget hastighed for at give dig fremdriften," sagde Ahmed. Og elektroniske fremdriftssystemer kan ionisere stort set ethvert materiale, så de kan arbejde med det, der er tilgængeligt.

Elefanten i rummet: Nuklear fremdrift

Folk er ofte utilpas med tanken om atomkraft i rummet. Og der er bestemt sikkerhedsproblemer, der skal tages i betragtning, når man bruger atomkraft, især til bemandede missioner. Men nuklear fremdrift er måske bare det es, der giver os mulighed for at besøge fjerne planeter.

"Atomkraft er faktisk meget effektivt," forklarede Ahmed. Et nukleart fremdriftssystem fungerer gennem en reaktor, som genererer varme, som derefter bruges til at opvarme et drivmiddel, som udstødes for at skabe fremdrift. Den bruger dette drivmiddel langt mere effektivt end kemisk-baseret fremdrift.

Og det er bæredygtigt, hvilket er dets store fordel. "Et kemisk-baseret system, du brænder drivmiddel og udmatter det, og du har det ikke længere," sagde Ahmed. "Du frigav den energi, og du mistede den. I modsætning til et atombaseret system er det uran eller plutonium, du skal bruge, der, og det vil ikke forsvinde. Det er bæredygtigt, når du vedligeholder din kernereaktor."

Selvom denne reaktion er bæredygtig, skal den varme, den genererer, stadig kanaliseres til en masse. Du ønsker ikke at udtømme det uran eller plutonium, der bruges i reaktionen. Det nyttige er, at materialet, der opvarmes, praktisk talt kan være enhver gas eller fast form, selvom gas er at foretrække, da det reagerer bedre på varme.

I rummet er der ingen gasser at bruge, så du skal stadig tage nogle med dig. Men på en planet med en atmosfære, som Mars, kan du teoretisk bruge let tilgængelige gasser som kuldioxid som drivmiddel.

NASA undersøger i øjeblikket nukleare fremdrivningssystemer til missioner til Mars specifikt. "NASAs mål er at minimere den tid, besætningen rejser mellem Jorden og Mars, til så tæt på to år, som det er praktisk muligt. Nukleare fremdriftssystemer i rummet kunne muliggøre kortere samlede missionstider og give øget fleksibilitet og effektivitet for missionsdesignere," siger agenturet. skrev om nukleare systemer. Men der er ikke truffet nogen konkrete beslutninger endnu. "Det er for tidligt at sige, hvilket fremdriftssystem der vil tage de første astronauter til Mars, da der fortsat er en betydelig udvikling påkrævet for hver tilgang."

Det er ikke det ene eller det andet; det er alt ovenstående

Vi er stadig meget i de tidlige planlægningsstadier af en bemandet mission til Mars. Vi er nødt til at overveje praktiske krav såvel som faktorer som omkostninger, når det kommer til at planlægge vores næste skridt.

Ahmed tror ikke, at et fremdriftssystem vil vise sig at være massivt overlegent i forhold til de andre. I stedet forestiller han sig en kombination af forskellige systemer, der bruges efter specifikke missionsbehov.

"Jeg vil sige, at alle tre systemer bliver nødvendige," forklarede han. "Du har ikke et perfekt fremdriftssystem, der passer til alle dine missioner." Selvom det er muligt at bruge kemisk fremdrift til enhver mission, er det ikke altid passende - han sammenlignede dette med at komme til en bygning ved siden af ​​med en Ferrari og spilde en masse brændstof, når du bare kunne gå.

For bemandede missioner til Mars, "blir du nødt til at bruge atomkraft, du bliver nødt til at bruge elektrisk, og det kemikaliebaserede kan du ikke slippe uden," sagde han. For eksempel kan du bruge et elektrisk fremdriftssystem til at levere last som levesteder, bruge nuklear fremdrift at opsætte et pålideligt relæsystem mellem Jorden og Mars, og derefter sende dine astronauter ved hjælp af en kemisk fremdrift system. Det er fordi mennesker i bund og grund er tunge stykker hardware. "Vores masse er ikke lys!" han sagde. "Vi er en betydelig mængde af masse, selv for kun få medarbejdere. Derfor har du brug for den kemikaliebaserede fremdrift."

Er vi klar til Mars?

Der er mange kompleksiteter ved at arrangere en bemandet mission til Mars. Men når det kommer til fremdriftssystemer, har vi teknologien til at sende en mission dertil i morgen.

"De traditionelle 50'er-baserede raketmotorer vil bringe dig derhen," sagde Ahmed. Den begrænsende faktor viser sig at være noget mere prosaisk. "Spørgsmålet er, hvor meget det kommer til at koste dig."

At sende raketter til Mars ved hjælp af kemisk-baserede fremdrivningssystemer er simpelthen meget, meget dyrt. Og selvom der er både en offentlig og en akademisk appetit på mere udforskning af Mars, er mængden af ​​penge til rådighed for en sådan mission ikke uendelig. Derfor bliver vi nødt til at udvikle og udnytte teknologier som elektriske eller nukleare fremdrivningssystemer for at gøre efterforskning mere overkommelig.

Selv inden for kemisk-baseret fremdrift kan udviklingen i teknologien, såsom rotationsdetonationsmotorer eller nye brændstoffer, hjælpe med at reducere omkostningerne, hvilket vil fremme mere efterforskning. "Udfordringen er at udvikle tekniske systemer, der er mere økonomiske end nuværende raketsystemer," sagde han. "50'ernes teknologi vil bringe dig til Mars uden problemer. Det er bare super, super dyrt. Og ingen har tænkt sig at betale for det. Men teknologien er der."

Redaktørens anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistik ved at sætte mennesker på Mars
• Astropsykologi: Sådan forbliver du sund på Mars
• Kraftværker på andre planeter: Hvordan vi genererer elektricitet på Mars
• Høsthydrering: Hvordan fremtidige bosættere vil skabe og samle vand på Mars
• Astrolandbrug: Hvordan vi dyrker afgrøder på Mars