Perfecting Propulsion: How We'll Get Humans to Mars

Med nylige oppdrag til Mars, som NASAs Perseverance, UAE's Hope, og Kinas Tianwen-1 alle er knusende suksesser, kan du bli tilgitt for å tro at det er enkelt å komme til Mars. Men det er en stor forskjell mellom å sende en rover eller orbiter til den røde planeten og å sende den typen infrastruktur og teknologi vi trenger for å etablere en menneskelig tilstedeværelse der.

Kjemisk fremdrift kan ha tatt oss ut i solsystemet, men for neste fase av mennesket utforskning av verdensrommet, trenger vi nye fremdriftsteknologier for å supplere de vi har brukt til siste 50 år. For å få detaljene om hvordan en fremdrift for en bemannet ekspedisjon til Mars kan se ut, snakket vi med Kareem Ahmed, førsteamanuensis ved University of Central Florida Department of Mechanical and Aerospace Engineering og en ekspert på banebrytende rakettfremdrift systemer.

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars, en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Gammel pålitelig: De kjemiske fremdriftssystemene vi bruker nå

For å sende en rakett som flyr opp gjennom jordens atmosfære og ut i verdensrommet utenfor, trenger du mye skyvekraft. Du må motvirke ikke bare friksjonen fra jordens atmosfære, men også den betydelige tyngdekraften, som trekker gjenstander tilbake til bakken.

Siden 1950-tallet har vi brukt det samme grunnleggende prinsippet for å drive raketter, kalt kjemisk fremdrift. I hovedsak tenner du et drivmiddel (en blanding av drivstoff og et oksidasjonsmiddel), som skaper varme. Denne varmen får materialet inne i raketten til å utvide seg, som deretter skyves ut fra baksiden av raketten. Denne utdrivningen av drivmiddel skaper skyvekraft, som skyver raketten oppover med enorm kraft, og denne kraften lar den overvinne virkningene av tyngdekraften og flykte inn i rommet utenfor planeten vår.

"Kjemikaliebasert fremdrift er bare å tilføre varme til drivmidlene i veldig høye hastigheter. Det drivmidlet, når du først har det på en veldig høy varme, utvider det seg med en veldig høy hastighet," forklarte Ahmed. "Denne hastigheten er en funksjon av hvor mye varme du legger inn. Så tenk på det som at når du har en eksplosjon, har du en enorm mengde gass som beveger seg raskt. Og det er hastigheten."

Dette er den store fordelen kjemisk fremdrift har fremfor andre typer fremdrift som vurderes: Hastighet. Kjemisk fremdrift hjelper raketter å gå veldig, veldig fort. Men det er ikke alltid det mest effektive alternativet.

"Tenk på det som en Prius versus en Corvette," sa Ahmed. "Hvis du vil komme deg fra punkt A til punkt B veldig raskt, er det vanskelig å slå kjemikaliebasert fremdrift." Når du ønsker å bli mer effektiv, kan imidlertid andre fremdriftssystemer komme til sin rett. "Hvis du prøver å komme deg fra punkt A til punkt B med en rimelig hastighet, men med høy effektivitet, er kanskje ikke kjemikaliebasert fremdrift det riktige verktøyet."

Forbedring av kjemiske fremdriftssystemer

Prinsippet om kjemisk fremdrift kan ha holdt seg det samme de siste tiårene, men det betyr ikke at det ikke blir gjort forbedringer av teknologien - for eksempel forskning på forskjellige typer av drivstoff.

Effektiviteten til drivstofftyper er et spørsmål om energitetthet - hvor mye energi som kan lagres av en viss mengde drivstoff. Det er derfor det er vanskelig å bruke noe som hydrogen som drivstoff, selv om det frigjør mye varme i kjemiske reaksjoner, fordi det er så lett og har lav tetthet. Det er vanskelig å lagre mye hydrogen på en liten mengde plass, så det gir ikke veldig effektivt drivstoff.

Nåværende raketter bruker oftest parafinbasert drivstoff - i utgangspunktet det samme som flydrivstoff - men det store interesseområdet akkurat nå er å se på metan- eller naturgassbasert drivstoff. Dette drivstoffet vil ikke nødvendigvis være mer effektivt som drivmiddel, men det vil være betydelig billigere ettersom naturgass er rikelig og vi allerede har teknologi på plass for å samle den opp.

"Hvis SpaceX kunne bruke naturgass til å fly Falcon 9, ville de ha mange besparelser og derfor akselerert romutforskningen," sa Ahmed som et eksempel. "Hvis vi kunne redusere kostnadene ved å komme ut til ytre bane, gjør det plass mer tilgjengelig for oss."

Et annet forskningsområde er å forbedre selve motorene. Ahmeds team er en av flere grupper som jobber med et system kalt en roterende detonasjonsrakettmotor, som kan generere mer kraft fra mindre drivstoff sammenlignet med tradisjonelle motorer.

Ved å nøye kontrollere mengden hydrogen og oksygen som mates inn i en motor, kan trykk skapes mer effektivt. Dette kan redusere størrelsen på en rakettmotor ved å eliminere behovet for en veldig kraftig kompressor, og den bruker drivstoff mer effektivt også. Teknologien er på vei til å bli brukbar snart: Ahmed sier at det amerikanske flyvåpenet planlegger å teste en slik motor innen 2025.

Hvorfor kjemisk fremdrift ikke går noen vei

For å ta av fra jorden er kjemisk-basert fremdrift avgjørende. "Fra bakkenivå blir kjemikaliebasert fremdrift kritisk fordi du trenger den mengden kraft for å drive den vekten av fra bakken og helt opp til høyere høyder. For å komme over gravitasjonskraften," forklarte Ahmed.

Han tok opp eksemplet med SpaceX. Når selskapet skyter opp en rakett, hvorfor bruker det ikke et elektrisk system som brukes av Tesla? De to selskapene eies av samme person, Elon Musk, så de kan sikkert dele teknologier. Men et elektrisk fremdriftssystem kan ikke generere mengden skyvekraft som trengs for å få en rakett opp fra bakken - det produserer rett og slett ikke nok kraft.

Så vi må fortsette å bruke kjemisk fremdrift for å skyte opp raketter i overskuelig fremtid. Men dette endres når en rakett er i bane. Når den først har overvunnet jordens tyngdekraft og er i verdensrommet, er det som å bruke cruisekontroll. Å kontrollere et romfartøy i verdensrommet krever relativt lite skyvekraft, siden det ikke er luftfriksjon eller nedadgående gravitasjonskraft å håndtere. Du kan til og med bruke gravitasjonskrefter fra nærliggende planeter og måner.

Så et annet fremdriftssystem kan ta over for mer effektiv drift.

Et mer effektivt alternativ: Elektrisk fremdrift

Når en rakett er i bane, vil den ofte måtte gjøre endringer i banen – små justeringer for å justere hastigheten og sikre at den er på vei i riktig retning. Dette krever et skyvesystem. "Du trenger tusenvis av newton bare for å fly et kjøretøy, for å komme deg ut av nullhastighetstilstanden og for å få den opp og komme over gravitasjonskraften til vekten du bærer. Det er derfor du trenger et stort, stort rakettsystem. Men i ytre bane har du ikke gravitasjonskrefter som påvirker deg lenger, du har bare den terminale hastigheten du prøver å overvinne," forklarte Ahmed.

Og det er mange måter å generere kraften som trengs for å justere kursen til et romfartøy. "Trivkraft er skyv," sa han. "Du injiserer masse. Du kaster masse, derfor beveger den deg i motsatt retning. Det er mengden masse, og hvor fort du sliter ut den massen.»

En teknologi som ofte brukes i små satellitter, eller smallsats, er elektrisk fremdrift. De bruker elektrisk kraft (ofte samlet inn ved hjelp av solcellepaneler) for å ionisere et gassdrivmiddel. Denne ioniserte gassen blir deretter tvunget ut av baksiden av satellitten ved hjelp av et elektronisk eller magnetisk felt, og skaper skyvekraft som beveger romfartøyet.

Dette er et ekstremt effektivt system som kan bruke opptil 90 % mindre drivstoff enn kjemisk fremdrift.

"For elektrisk fremdrift er massen din veldig liten, og du trenger egentlig ikke mye hastighet for å gi deg skyvekraften," sa Ahmed. Og elektroniske fremdriftssystemer kan ionisere praktisk talt ethvert materiale, slik at de kan jobbe med det som er tilgjengelig.

Elefanten i rommet: Kjernefysisk fremdrift

Folk er ofte ukomfortable med ideen om atomkraft i verdensrommet. Og det er absolutt sikkerhetshensyn som må vurderes når man bruker atomkraft, spesielt for mannskapsoppdrag. Men kjernefysisk fremdrift kan bare være esset som lar oss besøke fjerne planeter.

"Atomkraft er faktisk svært effektivt," forklarte Ahmed. Et kjernefysisk fremdriftssystem fungerer gjennom en reaktor som genererer varme, som deretter brukes til å varme opp et drivmiddel som drives ut for å skape skyvekraft. Den bruker dette drivmidlet langt mer effektivt enn kjemikaliebasert fremdrift.

Og det er bærekraftig, som er den store fordelen. "Et kjemikaliebasert system, du brenner drivstoff og sliter ut det, og du har det ikke lenger," sa Ahmed. "Du slapp den energien og mistet den. I motsetning til et atombasert system, er uranet eller plutoniumet du skal bruke der, og det kommer ikke til å forsvinne. Det er bærekraftig når du vedlikeholder kjernereaktoren din.»

Selv om denne reaksjonen er bærekraftig, må varmen den genererer fortsatt kanaliseres til en masse. Du ønsker ikke å tømme uran eller plutonium som brukes i reaksjonen. Det nyttige er at materialet som varmes opp kan være praktisk talt hvilken som helst gass eller fast stoff, selv om gass er å foretrekke siden den reagerer bedre på varme.

I verdensrommet er det ingen gasser å bruke, så du må fortsatt ta med deg noen. Men på en planet med en atmosfære, som Mars, kan du teoretisk sett bruke lett tilgjengelige gasser som karbondioksid som drivmiddel.

NASA ser for tiden på kjernefysiske fremdriftssystemer for oppdrag til Mars spesifikt. "NASAs mål er å minimere tiden mannskapet reiser mellom Jorden og Mars til så nær to år som det er praktisk mulig. Kjernefysiske fremdriftssystemer for rom kan muliggjøre kortere totale oppdragstider og gi økt fleksibilitet og effektivitet for oppdragsdesignere,» skrev om atomsystemer. Men det er ikke tatt noen faste avgjørelser ennå. "Det er for tidlig å si hvilket fremdriftssystem som vil ta de første astronautene til Mars, siden det fortsatt er betydelig utvikling som kreves for hver tilnærming."

Det er ikke det ene eller det andre; det er alt det ovennevnte

Vi er fortsatt veldig i de tidlige planleggingsstadiene av et mannskapsoppdrag til Mars. Vi må vurdere praktiske krav så vel som faktorer som kostnader når det gjelder å planlegge de neste trinnene våre.

Ahmed tror ikke at ett fremdriftssystem kommer til å vise seg å være enormt overlegent de andre. I stedet ser han for seg en kombinasjon av ulike systemer som brukes i henhold til spesifikke oppdragsbehov.

"Jeg vil si at alle tre systemene kommer til å være nødvendige," forklarte han. "Du har ikke et perfekt fremdriftssystem som passer til alle oppdragene dine." Selv om det er mulig å bruke kjemisk fremdrift for ethvert oppdrag, er det ikke alltid passende — han sammenlignet dette med å komme til en nabobygning med en Ferrari og kaste bort en haug med drivstoff når du bare kunne gå.

For mannskapsoppdrag til Mars, "må du bruke atomkraft, du må bruke elektrisk, og det kjemikaliebaserte kan du ikke komme unna uten," sa han. For eksempel kan du bruke et elektrisk fremdriftssystem for å levere last som habitater, bruke kjernefysisk fremdrift å sette opp et pålitelig relésystem mellom Jorden og Mars, og deretter sende astronautene dine ved hjelp av en kjemisk fremdrift system. Det er fordi mennesker i hovedsak er heftige maskinvare. "Vår masse er ikke lett!" han sa. "Vi er en betydelig mengde masse, selv for bare noen få personell. Derfor trenger du den kjemikaliebaserte fremdriften.»

Er vi klare for Mars?

Det er mange kompleksiteter ved å arrangere et mannskapsoppdrag til Mars. Men når det gjelder fremdriftssystemer, har vi teknologien til å sende et oppdrag dit i morgen.

"De tradisjonelle 50-tallsbaserte rakettmotorene vil bringe deg dit," sa Ahmed. Den begrensende faktoren viser seg å være noe mer prosaisk. "Spørsmålet er hvor mye det kommer til å koste deg."

Å sende raketter til Mars ved hjelp av kjemikaliebaserte fremdriftssystemer er rett og slett veldig, veldig dyrt. Og selv om det er både en offentlig og en akademisk appetitt på mer utforskning av Mars, er mengden penger tilgjengelig for et slikt oppdrag ikke uendelig. Derfor er vi nødt til å utvikle og utnytte teknologier som elektriske eller kjernefysiske fremdriftssystemer for å gjøre leting rimeligere.

Selv innen kjemikaliebasert fremdrift kan utviklingen innen teknologien, som rotasjonsdetonasjonsmotorer eller nytt drivstoff, bidra til å redusere kostnadene, noe som vil fremme mer leting. "Utfordringen er å utvikle tekniske systemer som er mer økonomiske enn dagens rakettsystemer," sa han. "50-tallsteknologien vil bringe deg til Mars uten problemer. Det er bare super, super dyrt. Og ingen vil betale for det. Men teknologien er der."

Redaktørenes anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistikken ved å sette mennesker på Mars
• Astropsykologi: Hvordan holde seg tilregnelig på Mars
• Kraftverk på andre planeter: Hvordan vi genererer elektrisitet på Mars
• Høsting av hydrering: Hvordan fremtidige nybyggere vil skape og samle vann på Mars
• Astroagriculture: Hvordan vi skal dyrke avlinger på Mars