Perfecting Propulsion: How We'll Get Humans to Mars

Med de senaste uppdragen till Mars, som NASA: s Perseverance, UAE: s Hope och Kinas Tianwen-1, alla är fantastiska framgångar, kan du bli förlåten för att du tror att det är lätt att ta sig till Mars. Men det är en stor skillnad mellan att skicka en rover eller orbiter till den röda planeten och att skicka den typ av infrastruktur och teknik som vi behöver för att skapa en mänsklig närvaro där.

Kemisk framdrivning kan ha tagit oss ut i solsystemet, men för nästa fas av människan utforskning av rymden kommer vi att behöva nya framdrivningstekniker för att komplettera dem vi har använt för senaste 50 åren. För att få detaljer om hur en framdrivning för en besättningsexpedition till Mars kan se ut pratade vi med Kareem Ahmed, docent vid University of Central Florida Department of Mechanical and Aerospace Engineering och en expert på banbrytande raketframdrivning system.

Denna artikel är en del av Liv på Mars, en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Gammal pålitlig: De kemiska framdrivningssystem vi använder nu

För att skicka en raket som flyger upp genom jordens atmosfär och ut i rymden bortom, behöver du mycket kraft. Du måste motverka inte bara friktionen från jordens atmosfär utan också den betydande tyngdkraften, som drar objekt tillbaka till marken.

Sedan 1950-talet har vi använt samma grundläggande princip för att driva raketer, så kallade kemisk framdrivning. I huvudsak antänder du ett drivmedel (en blandning av bränsle och ett oxidationsmedel), vilket skapar värme. Denna värme gör att materialet inuti raketen expanderar, som sedan trycks ut från raketens baksida. Denna utdrivning av drivmedel skapar dragkraft, som trycker raketen uppåt med enorm kraft, och denna kraft gör det möjligt för den att övervinna gravitationens effekter och att fly ut i rymden bortom vår planet.

"Kemisk baserad framdrivning är bara att tillföra värme till drivmedlen i riktigt snabba hastigheter. Det där drivmedlet, när du väl har det vid en riktigt hög värme, expanderar det med en mycket hög hastighet,” förklarade Ahmed. "Den hastigheten är en funktion av hur mycket värme du lägger in. Så tänk på det som att när du har en explosion har du en enorm mängd gas som rör sig snabbt. Och det är hastigheten."

Detta är den stora fördelen kemisk framdrivning har jämfört med andra typer av framdrivning som övervägs: hastighet. Kemisk framdrivning hjälper raketer att gå riktigt, riktigt snabbt. Men det är inte alltid det mest effektiva alternativet.

"Tänk på det som en Prius kontra en Corvette," sa Ahmed. "Om du vill ta dig från punkt A till punkt B väldigt snabbt är det svårt att slå kemisk-baserad framdrivning." När man vill bli mer effektiv kan dock andra framdrivningssystem komma till sin rätt. "Om du försöker ta dig från punkt A till punkt B med en rimlig hastighet men med hög effektivitet, kanske kemikaliebaserad framdrivning inte är rätt verktyg."

Förbättring av kemiska framdrivningssystem

Principen för kemisk framdrivning kan ha varit densamma under de senaste decennierna, men det betyder inte att det inte görs förbättringar av tekniken - såsom forskning om olika typer av bränsle.

Effektiviteten för bränsletyper är en fråga om energitäthet — hur mycket energi som kan lagras av en viss mängd bränsle. Det är därför det är svårt att använda något som väte som bränsle, även om det avger mycket värme i kemiska reaktioner, eftersom det är så lätt och har låg densitet. Det är svårt att lagra mycket väte på en liten mängd utrymme, så det ger inte ett särskilt effektivt bränsle.

Nuvarande raketer använder oftast fotogenbaserade bränslen - i princip samma sak som flygbränsle - men det stora intresseområdet just nu är att titta på metan- eller naturgasbaserade bränslen. Detta bränsle skulle inte nödvändigtvis vara mer effektivt som drivmedel, men det skulle vara betydligt billigare eftersom naturgas finns i överflöd och vi redan har teknik på plats för att samla in den.

"Om SpaceX kunde använda naturgas för att flyga sin Falcon 9, skulle de ha mycket besparingar och därför påskynda utforskningen av rymden," sa Ahmed som ett exempel. "Om vi ​​kunde minska kostnaderna för att ta oss ut i den yttre omloppsbanan, gör det rymden mer tillgänglig för oss."

Ett annat forskningsområde är att förbättra själva motorerna. Ahmeds team är en av flera grupper som arbetar med ett system som kallas en roterande detonationsraketmotor, som kan generera mer kraft från mindre bränsle jämfört med traditionella motorer.

Genom att noggrant kontrollera mängden väte och syre som matas in i en motor kan tryck skapas mer effektivt. Detta kan minska storleken på en raketmotor genom att eliminera behovet av en mycket kraftfull kompressor, och den använder bränsle mer effektivt också. Tekniken är på väg att bli användbar snart: Ahmed säger att det amerikanska flygvapnet planerar att testa en sådan motor till 2025.

Varför kemisk framdrivning inte kommer någonstans

För att lyfta från jorden är kemisk-baserad framdrivning avgörande. "Från marknivån blir kemikaliebaserad framdrivning kritisk eftersom du behöver den mängden kraft för att driva bort den vikten från marken och hela vägen till högre höjd. För att komma över gravitationskraften”, förklarade Ahmed.

Han tog upp exemplet med SpaceX. När företaget skjuter upp en raket, varför använder det inte ett elektriskt system som det som Tesla använder? De två företagen ägs av samma person, Elon Musk, så de skulle säkert kunna dela teknologier. Men ett elektriskt framdrivningssystem kan inte generera den mängd dragkraft som behövs för att få en raket från marken - det producerar helt enkelt inte tillräckligt med kraft.

Så vi kommer att behöva fortsätta att använda kemisk framdrivning för att skjuta upp raketer under överskådlig framtid. Men detta ändras när en raket är i omloppsbana. När den väl har övervunnit jordens gravitation och är i rymden är det som att använda farthållaren. Att kontrollera ett rymdskepp i rymden kräver relativt lite dragkraft, eftersom det inte finns någon luftfriktion eller nedåtgående gravitationskraft att hantera. Du kan till och med använda gravitationskrafter från närliggande planeter och månar.

Så ett annat framdrivningssystem kan ta över för effektivare drift.

Ett effektivare alternativ: Elektrisk framdrivning

När en raket väl är i omloppsbana behöver den ofta göra banaändringar - små justeringar för att justera dess hastighet och säkerställa att den är på väg i rätt riktning. Detta kräver ett dragkraftssystem. "Du behöver tusentals newton bara för att flyga ett fordon, för att ta dig ur nollhastighetstillståndet och för att få upp det och komma över gravitationskraften för den vikt du bär. Det är därför du behöver ett stort, stort raketsystem. Men i den yttre omloppsbanan har du inga gravitationskrafter som påverkar dig längre, du har bara din sluthastighet som du försöker övervinna”, förklarade Ahmed.

Och det finns många sätt att generera den kraft som behövs för att justera kursen för en rymdfarkost. "Tryck är dragkraft", sa han. "Du injicerar massa. Du slänger massa, därför flyttar den dig i motsatt riktning. Det är mängden massa och hur snabbt du tar ut den massan."

En teknik som ofta används i små satelliter, eller smallsats, är elektrisk framdrivning. De använder elektrisk kraft (ofta insamlad med hjälp av solpaneler) för att jonisera ett gasdrivmedel. Denna joniserade gas tvingas sedan ut ur satellitens baksida med hjälp av ett elektroniskt eller magnetiskt fält, vilket skapar dragkraft som förflyttar rymdfarkosten.

Detta är ett extremt effektivt system som kan använda upp till 90 % mindre bränsle än kemisk framdrivning.

"För elektrisk framdrivning är din massa mycket liten och du behöver egentligen inte mycket hastighet för att ge dig dragkraften," sa Ahmed. Och elektroniska framdrivningssystem kan jonisera praktiskt taget vilket material som helst, så att de kan arbeta med allt som finns tillgängligt.

Elefanten i rummet: Nukleär framdrivning

Människor är ofta obekväma med tanken på kärnkraft i rymden. Och det finns säkert säkerhetsproblem som måste beaktas när man använder kärnkraft, särskilt för besättningsuppdrag. Men nukleär framdrivning kan bara vara det ess som gör att vi kan besöka avlägsna planeter.

"Kärnkraft är faktiskt mycket effektivt," förklarade Ahmed. Ett kärnkraftsframdrivningssystem fungerar genom en reaktor som genererar värme, som sedan används för att värma ett drivmedel som drivs ut för att skapa dragkraft. Den använder detta drivmedel mycket mer effektivt än kemiskt baserad framdrivning.

Och det är hållbart, vilket är dess stora fördel. "Ett kemikaliebaserat system, du förbränner drivmedel och förbrukar det, och du har det inte längre", sa Ahmed. "Du släppte den energin och du förlorade den. I motsats till ett kärnkraftsbaserat system, uran eller plutonium som du ska använda finns där och det kommer inte att försvinna. Det är hållbart när du underhåller din kärnreaktor."

Även om denna reaktion är hållbar, måste värmen den genererar fortfarande kanaliseras till en massa. Du skulle inte vilja tömma uran eller plutonium som används i reaktionen. Det nyttiga är att materialet som värms upp kan vara praktiskt taget vilken gas eller fast form som helst, även om gas är att föredra eftersom det reagerar bättre på värme.

I rymden finns det inga gaser att använda, så du måste fortfarande ta med dig några. Men på en planet med atmosfär, som Mars, kan man teoretiskt sett använda lättillgängliga gaser som koldioxid som drivmedel.

NASA undersöker för närvarande nukleära framdrivningssystem för uppdrag till Mars specifikt. "NASA: s mål är att minimera tiden som besättningen reser mellan jorden och Mars till så nära två år som det är praktiskt möjligt. Nukleära framdrivningssystem för rymd kan möjliggöra kortare totala uppdragstider och ge ökad flexibilitet och effektivitet för uppdragsdesigners, säger byrån skrev om kärnkraftssystem. Men det har inte fattats några konkreta beslut ännu. "Det är för tidigt att säga vilket framdrivningssystem som kommer att ta de första astronauterna till Mars, eftersom det fortfarande krävs betydande utveckling för varje inflygning."

Det är inte det ena eller det andra; det är allt ovanstående

Vi är fortfarande mycket i de tidiga planeringsstadierna av ett besättningsuppdrag till Mars. Vi måste ta hänsyn till praktiska krav såväl som faktorer som kostnad när det gäller att planera våra nästa steg.

Ahmed tror inte att ett framdrivningssystem kommer att visa sig vara enormt överlägset de andra. Istället tänker han sig en kombination av olika system som används efter specifika uppdragsbehov.

"Jag skulle säga att alla tre systemen kommer att behövas," förklarade han. "Du har inte ett perfekt framdrivningssystem som passar alla dina uppdrag." Även om det är möjligt att använda kemisk framdrivning för alla uppdrag, är det inte alltid lämpligt — han jämförde detta med att komma till en byggnad bredvid med en Ferrari och slösa bort en massa bränsle när du bara kunde gå.

För besättningsuppdrag till Mars, "du kommer att behöva använda kärnkraft, du kommer att behöva använda elektriska och kemikaliebaserade kan du inte komma undan utan," sa han. Till exempel kan du använda ett elektriskt framdrivningssystem för att leverera last som livsmiljöer, använda kärnkraftsframdrivning att sätta upp ett pålitligt reläsystem mellan jorden och Mars, och sedan skicka dina astronauter med hjälp av en kemisk framdrivning systemet. Det beror på att människor i grund och botten är rejäla hårdvara. "Vår massa är inte lätt!" han sa. "Vi är en betydande mängd massa, även för bara ett fåtal personal. Därför behöver du den kemikaliebaserade framdrivningen."

Är vi redo för Mars?

Det finns många komplexiteter med att arrangera ett besättningsuppdrag till Mars. Men när det kommer till framdrivningssystem har vi tekniken för att skicka ett uppdrag dit imorgon.

"De traditionella 50-talsbaserade raketmotorerna kommer att ta dig dit," sa Ahmed. Den begränsande faktorn visar sig vara något mer prosaiskt. "Frågan är hur mycket det kommer att kosta dig."

Att skicka raketer till Mars med hjälp av kemikaliebaserade framdrivningssystem är helt enkelt väldigt, väldigt dyrt. Och även om det finns både en offentlig och en akademisk aptit för mer utforskning av Mars, är mängden pengar som är tillgängliga för ett sådant uppdrag inte oändlig. Därför kommer vi att behöva utveckla och utnyttja teknologier som elektriska eller nukleära framdrivningssystem för att göra utforskning mer överkomligt.

Även inom området för kemiskt baserad framdrivning kan utvecklingen inom tekniken, som rotationsdetonationsmotorer eller nya bränslen, bidra till att minska kostnaderna, vilket kommer att främja mer prospektering. "Utmaningen är att utveckla tekniska system som är mer ekonomiska än nuvarande raketsystem," sade han. "50-talstekniken kommer att ta dig till Mars utan problem. Det är bara super, super dyrt. Och ingen kommer att vilja betala för det. Men tekniken finns där."

Redaktörens rekommendationer

• En kosmologisk pendling: Den knepiga logistiken att sätta människor på Mars
• Astropsykologi: Hur man håller sig frisk på Mars
• Kraftverk på andra planeter: Hur vi genererar elektricitet på Mars
• Skörda hydrering: Hur framtida bosättare kommer att skapa och samla vatten på Mars
• Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars