De voortstuwing perfectioneren: hoe we mensen naar Mars krijgen

Met recente missies naar Mars, zoals NASA's Perseverance, UAE's Hope en China's Tianwen-1 die allemaal grote successen zijn, zou je kunnen denken dat het gemakkelijk is om naar Mars te gaan. Maar er is een groot verschil tussen het sturen van een rover of orbiter naar de rode planeet en het sturen van het soort infrastructuur en technologie dat we nodig hebben om daar een menselijke aanwezigheid op te zetten.

Chemische voortstuwing heeft ons misschien naar het zonnestelsel gebracht, maar voor de volgende fase van de mens verkenning van de ruimte, hebben we nieuwe voortstuwingstechnologieën nodig als aanvulling op de technologieën die we al gebruikten voor de laatste 50 jaar. Om meer te weten te komen over hoe een voortstuwing voor een bemande expeditie naar Mars eruit zou kunnen zien, spraken we met Kareem Ahmed, universitair hoofddocent bij de University of Central Florida Department of Mechanical and Aerospace Engineering en een expert in geavanceerde raketaandrijving systemen.

Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars, een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie onderzoekt waarmee mensen Mars kunnen bezetten

Oud betrouwbaar: de chemische voortstuwingssystemen die we nu gebruiken

Om een ​​raket omhoog te laten vliegen door de atmosfeer van de aarde en de ruimte in, heb je veel stuwkracht nodig. Je moet niet alleen de wrijving van de atmosfeer van de aarde tegengaan, maar ook de aanzienlijke zwaartekracht, die objecten terug naar de grond trekt.

Sinds de jaren vijftig gebruiken we hetzelfde basisprincipe om raketten aan te drijven, chemische voortstuwing genoemd. In wezen ontsteek je een drijfgas (een mengsel van brandstof en een oxidatiemiddel), waardoor warmte ontstaat. Door deze warmte zet het materiaal in de raket uit, dat vervolgens uit de achterkant van de raket wordt geduwd. Deze uitdrijving van drijfgas creëert stuwkracht, die de raket met enorme kracht omhoog duwt, en deze kracht stelt het in staat de effecten van de zwaartekracht te overwinnen en te ontsnappen naar de ruimte buiten onze planeet.

"Chemische voortstuwing is gewoon het toevoegen van warmte aan de drijfgassen met zeer hoge snelheden. Dat drijfgas, als je het eenmaal op een zeer hoge temperatuur hebt, zet het met een zeer hoge snelheid uit, 'legde Ahmed uit. "Die snelheid is een functie van hoeveel warmte je erin stopt. Zie het dus alsof je een explosie hebt, je hebt een enorme hoeveelheid gas die snel beweegt. En dat is de snelheid.”

Dit is het grote voordeel van chemische voortstuwing ten opzichte van andere vormen van voortstuwing die worden overwogen: Snelheid. Chemische voortstuwing helpt raketten heel, heel snel te gaan. Maar het is niet altijd de meest efficiënte optie.

"Zie het als een Prius versus een Corvette," zei Ahmed. "Als je heel snel van punt A naar punt B wilt komen, is het moeilijk om op chemicaliën gebaseerde voortstuwing te verslaan." Wanneer u echter efficiënter wilt zijn, kunnen andere voortstuwingssystemen goed tot hun recht komen. "Als je met een redelijke snelheid maar met een hoog rendement van punt A naar punt B probeert te komen, dan is voortstuwing op chemische basis misschien niet het juiste hulpmiddel."

Verbetering van chemische voortstuwingssystemen

Het principe van chemische voortstuwing mag dan de afgelopen decennia hetzelfde zijn gebleven, maar dat is het niet betekent niet dat er geen verbeteringen aan de technologie worden aangebracht, zoals onderzoek naar verschillende typen van brandstof.

De efficiëntie van brandstofsoorten is een kwestie van energiedichtheid - hoeveel energie kan worden opgeslagen door een bepaalde hoeveelheid brandstof. Daarom is het moeilijk om zoiets als waterstof als brandstof te gebruiken, ook al komt er veel warmte vrij bij chemische reacties, omdat het zo licht is en een lage dichtheid heeft. Het is moeilijk om veel waterstof in een kleine ruimte op te slaan, dus het levert geen erg efficiënte brandstof op.

Huidige raketten gebruiken meestal brandstoffen op basis van kerosine - in feite hetzelfde als vliegtuigbrandstof - maar het grote interessegebied op dit moment is kijken naar brandstoffen op basis van methaan of aardgas. Deze brandstof zou niet noodzakelijkerwijs effectiever zijn als drijfgas, maar het zou aanzienlijk goedkoper zijn omdat aardgas in overvloed aanwezig is en we al over technologie beschikken om het op te vangen.

"Als SpaceX aardgas zou kunnen gebruiken om met hun Falcon 9 te vliegen, zouden ze veel kunnen besparen en daardoor de verkenning van de ruimte versnellen", zei Ahmed als voorbeeld. "Als we de kosten om naar de buitenste baan te gaan zouden kunnen verlagen, maakt dat de ruimte beter bereikbaar voor ons."

Een ander onderzoeksgebied is het verbeteren van de motoren zelf. Het team van Ahmed is een van de verschillende groepen die werken aan een systeem dat een roterende ontploffingsraketmotor wordt genoemd en die meer vermogen zou kunnen genereren met minder brandstof in vergelijking met traditionele motoren.

Door zorgvuldig de hoeveelheid waterstof en zuurstof die in een motor wordt gevoerd te regelen, kan effectiever druk worden gecreëerd. Dit kan de grootte van een raketmotor verkleinen door de noodzaak van een zeer krachtige compressor weg te nemen, en het maakt ook efficiënter gebruik van brandstof. De technologie is op weg om binnenkort bruikbaar te zijn: Ahmed zegt dat de Amerikaanse luchtmacht van plan is om zo'n motor tegen 2025 te testen.

Waarom chemische voortstuwing nergens heen gaat

Voor het opstijgen vanaf de aarde is voortstuwing op chemische basis essentieel. "Vanaf de grond wordt voortstuwing op basis van chemicaliën van cruciaal belang omdat je die hoeveelheid kracht nodig hebt om dat gewicht vanaf de grond helemaal naar grotere hoogte te drijven. Om over de zwaartekracht heen te komen,' legde Ahmed uit.

Hij bracht het voorbeeld van SpaceX naar voren. Als het bedrijf een raket lanceert, waarom gebruikt het dan geen elektrisch systeem zoals dat van Tesla? De twee bedrijven zijn eigendom van dezelfde persoon, Elon Musk, dus ze zouden zeker technologieën kunnen delen. Maar een elektrisch voortstuwingssysteem kan niet de hoeveelheid stuwkracht genereren die nodig is om een ​​raket van de grond te krijgen - het produceert simpelweg niet genoeg kracht.

We zullen dus in de nabije toekomst chemische voortstuwing moeten blijven gebruiken voor het lanceren van raketten. Maar dit verandert zodra een raket in een baan om de aarde is. Als het eenmaal de zwaartekracht van de aarde heeft overwonnen en in de ruimte is, is het alsof je cruise control gebruikt. Het besturen van een ruimtevaartuig in de ruimte vereist relatief weinig stuwkracht, omdat er geen luchtwrijving of neerwaartse zwaartekracht is om mee om te gaan. Je kunt zelfs gebruikmaken van de zwaartekracht van nabije planeten en manen.

Dus een ander voortstuwingssysteem kan het overnemen voor efficiëntere operaties.

Een efficiëntere optie: elektrische aandrijving

Als een raket eenmaal in een baan om de aarde is, zal hij vaak baanveranderingen moeten aanbrengen - kleine aanpassingen om zijn snelheid aan te passen en ervoor te zorgen dat hij in de goede richting gaat. Hiervoor is een stuwkrachtsysteem nodig. “Je hebt duizenden newtons nodig om een ​​voertuig te laten vliegen, om uit de toestand van nulsnelheid te komen en om op te staan ​​en de zwaartekracht van het gewicht dat je draagt ​​te overwinnen. Daarom heb je een groot, groot raketsysteem nodig. Maar in de buitenste baan heb je geen zwaartekracht meer die je beïnvloedt, je hebt alleen je eindsnelheid die je probeert te overwinnen, 'legde Ahmed uit.

En er zijn tal van manieren om de kracht te genereren die nodig is om de koers van een ruimtevaartuig aan te passen. "Stuwkracht is stuwkracht", zei hij. “Je injecteert massa. Je gooit massa weg, daarom beweegt het je in de tegenovergestelde richting. Het is de hoeveelheid massa en hoe snel je die massa uitput.

Een technologie die vaak wordt gebruikt in kleine satellieten, of smallsats, is elektrische voortstuwing. Ze gebruiken elektrische stroom (vaak verzameld met behulp van zonnepanelen) om een ​​drijfgas te ioniseren. Dit geïoniseerde gas wordt vervolgens uit de achterkant van de satelliet geperst met behulp van een elektronisch of magnetisch veld, waardoor stuwkracht ontstaat die het ruimtevaartuig beweegt.

Dit is een uiterst efficiënt systeem dat maximaal kan gebruiken 90% minder brandstof dan chemische voortstuwing.

"Voor elektrische voortstuwing is je massa erg klein en heb je niet echt veel snelheid nodig om je stuwkracht te geven," zei Ahmed. En elektronische voortstuwingssystemen kunnen vrijwel elk materiaal ioniseren, zodat ze kunnen werken met alles wat beschikbaar is.

De olifant in de kamer: nucleaire voortstuwing

Mensen voelen zich vaak ongemakkelijk bij het idee van kernenergie in de ruimte. En er zijn zeker veiligheidsproblemen waarmee rekening moet worden gehouden bij het gebruik van kernenergie, vooral voor bemande missies. Maar nucleaire voortstuwing is misschien wel de troef waarmee we verre planeten kunnen bezoeken.

"Kernenergie is eigenlijk zeer efficiënt", legt Ahmed uit. Een nucleair voortstuwingssysteem werkt door een reactor die warmte genereert, die vervolgens wordt gebruikt om een ​​drijfgas te verwarmen dat wordt uitgestoten om stuwkracht te creëren. Het gebruikt dit drijfgas veel efficiënter dan op chemicaliën gebaseerde voortstuwing.

En het is duurzaam, dat is het grote voordeel. "Een op chemicaliën gebaseerd systeem, je verbrandt drijfgas en put het uit, en je hebt het niet meer", zei Ahmed. “Je liet die energie los en je verloor het. In tegenstelling tot een op kernenergie gebaseerd systeem, is het uranium of plutonium dat je gaat gebruiken er en zal het niet verdwijnen. Het is duurzaam als je je kernreactor onderhoudt.”

Hoewel deze reactie duurzaam is, moet de warmte die het genereert nog steeds in een massa worden gekanaliseerd. Je zou het uranium of plutonium dat in de reactie wordt gebruikt niet willen uitputten. Het handige is dat het materiaal dat wordt verwarmd praktisch elk gas of vaste stof kan zijn, hoewel gas de voorkeur heeft omdat het beter reageert op warmte.

In de ruimte zijn er geen gassen om te gebruiken, dus je moet nog steeds wat meenemen. Maar op een planeet met een atmosfeer, zoals Mars, zou je in theorie gemakkelijk beschikbare gassen zoals kooldioxide als drijfgas kunnen gebruiken.

NASA onderzoekt momenteel nucleaire voortstuwingssystemen voor missies naar Mars specifiek. “Het doel van NASA is om de tijd die de bemanning tussen de aarde en Mars aflegt, zo kort mogelijk te houden tot twee jaar. Nucleaire voortstuwingssystemen in de ruimte kunnen kortere totale missietijden mogelijk maken en zorgen voor meer flexibiliteit en efficiëntie voor missieontwerpers”, aldus het bureau schreef over nucleaire systemen. Maar er zijn nog geen harde beslissingen genomen. "Het is nog te vroeg om te zeggen welk voortstuwingssysteem de eerste astronauten naar Mars zal brengen, aangezien er voor elke benadering nog aanzienlijke ontwikkeling nodig is."

Het is niet het een of het ander; het is al het bovenstaande

We bevinden ons nog steeds in de vroege planningsfase van een bemande missie naar Mars. We moeten zowel praktische vereisten als factoren zoals kosten in overweging nemen als het gaat om het plannen van onze volgende stappen.

Ahmed denkt niet dat het ene voortstuwingssysteem enorm superieur zal blijken te zijn aan de andere. In plaats daarvan stelt hij zich een combinatie voor van verschillende systemen die worden gebruikt volgens specifieke missiebehoeften.

"Ik zou zeggen dat alle drie de systemen nodig zullen zijn", legde hij uit. "Je hebt geen perfect voortstuwingssysteem dat bij al je missies past." Hoewel het mogelijk is om chemische voortstuwing voor elke missie te gebruiken, is het dat wel niet altijd gepast - hij vergeleek dit met naar een naastgelegen gebouw gaan met een Ferrari en een hoop brandstof verspillen terwijl je gewoon kon wandeling.

Voor bemande missies naar Mars, "zult u kernenergie moeten gebruiken, u zult elektriciteit moeten gebruiken en de chemische basis waar u niet zonder kunt", zei hij. U kunt bijvoorbeeld een elektrisch voortstuwingssysteem gebruiken voor het afleveren van vracht zoals leefgebieden, of nucleaire voortstuwing gebruiken om een ​​betrouwbaar relaissysteem op te zetten tussen de aarde en Mars, en vervolgens je astronauten te sturen met behulp van een chemische voortstuwing systeem. Dat komt omdat mensen in wezen forse stukken hardware zijn. "Onze massa is niet licht!" hij zei. “We zijn een aanzienlijke hoeveelheid massa, zelfs voor slechts een paar personeelsleden. Daarom heb je die op chemicaliën gebaseerde voortstuwing nodig.”

Zijn we klaar voor Mars?

Het organiseren van een bemande missie naar Mars brengt veel moeilijkheden met zich mee. Maar als het om voortstuwingssystemen gaat, hebben we de technologie om morgen een missie te sturen.

"De traditionele op de jaren 50 gebaseerde raketmotoren brengen je daar", zei Ahmed. De beperkende factor blijkt iets prozaïscher te zijn. "De vraag is hoeveel het je gaat kosten."

Raketten naar Mars sturen met behulp van op chemicaliën gebaseerde voortstuwingssystemen is gewoon heel erg duur. En hoewel er zowel een publieke als een academische honger is naar meer verkenning van Mars, is de hoeveelheid geld die beschikbaar is voor een dergelijke missie niet eindeloos. Daarom zullen we technologieën zoals elektrische of nucleaire voortstuwingssystemen moeten ontwikkelen en exploiteren om exploratie betaalbaarder te maken.

Zelfs op het gebied van voortstuwing op chemische basis kunnen ontwikkelingen in de technologie, zoals rotatie-ontploffingsmotoren of nieuwe brandstoffen, helpen de kosten te verlagen, wat meer exploratie zal bevorderen. "De uitdaging is het ontwikkelen van technische systemen die zuiniger zijn dan de huidige raketsystemen", zei hij. “De technologie uit de jaren 50 brengt je probleemloos naar Mars. Het is gewoon super, super duur. En niemand zal ervoor willen betalen. Maar de technologie is er.”

Aanbevelingen van de redactie

• Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek om mensen op Mars te zetten
• Astropsychologie: hoe gezond te blijven op Mars
• Energiecentrales op andere planeten: hoe we elektriciteit opwekken op Mars
• Hydratatie oogsten: hoe toekomstige kolonisten water op Mars zullen creëren en verzamelen
• Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars gaan verbouwen