Het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) heeft onlangs drie particuliere bedrijven opdracht gegeven, blauwe oorsprong, Lockheed Martin en General Atomics, om thermische raketten voor kernsplijting te ontwikkelen voor gebruik in een baan om de maan.

Een dergelijke ontwikkeling, indien gevlogen, kan een nieuw tijdperk van ruimtevluchten inluiden. Dat gezegd hebbende, het is slechts een van de vele opwindende wegen in raketvoortstuwing. Hier zijn enkele anderen.

Chemische raketten

Het standaard voortstuwingsmiddel voor ruimtevaartuigen maakt gebruik van chemische raketten. Er zijn twee hoofdtypen:vaste brandstof (zoals de vaste raketboosters op de Space Shuttle), en vloeibare brandstof (zoals de Saturn V).

In beide gevallen, een chemische reactie wordt gebruikt om een ​​zeer hete, gas onder hoge druk in een verbrandingskamer. Het mondstuk van de motor biedt de enige uitlaat voor dit gas, dat daardoor uitzet, stuwkracht geven.

De chemische reactie vereist een brandstof, zoals vloeibare waterstof of aluminiumpoeder, en een oxidatiemiddel (een middel dat chemische reacties veroorzaakt) zoals zuurstof. Er zijn veel andere variabelen die uiteindelijk ook het rendement van een raketmotor bepalen, en wetenschappers en ingenieurs zijn altijd op zoek om meer stuwkracht en brandstofefficiëntie uit een bepaald ontwerp te halen.

Onlangs, privébedrijf SpaceX heeft testvluchten uitgevoerd van hun prototype van de Starship-draagraket. Dit voertuig maakt gebruik van een "full-flow gefaseerde verbranding (FFSC) motor, " de roofvogel, die methaan verbrandt voor brandstof en zuurstof voor oxidatiemiddel. Dergelijke ontwerpen werden getest door de Russen in de jaren zestig en de Amerikaanse regering in de jaren 2000, maar tot nu toe is er nog geen in de ruimte gevlogen. De motoren zijn veel zuiniger met brandstof en kunnen een veel hogere stuwkracht-gewichtsverhouding genereren dan traditionele ontwerpen.

Thermische splijtingsraketten

De kern van een atoom bestaat uit subatomaire deeltjes die protonen en neutronen worden genoemd. Deze bepalen de massa van een element - hoe meer protonen en neutronen, hoe zwaarder het is. Sommige atoomkernen zijn onstabiel en kunnen worden gesplitst in verschillende kleinere kernen wanneer ze worden gebombardeerd met neutronen. Dit is het proces van kernsplijting, en het kan een enorme hoeveelheid energie vrijmaken. Naarmate de kernen vervallen, ze laten ook meer neutronen vrij die vervolgens meer atomen splijten, waardoor een kettingreactie ontstaat.

In een thermische raket voor kernsplijting, een drijfgas, zoals waterstof, wordt door kernsplijting verhit tot hoge temperaturen, het creëren van een hogedrukgas in de reactorkamer. Zoals met chemische raketten, dit kan alleen via de raketstraal ontsnappen, weer stuwkracht produceren. Het is niet de bedoeling dat kernsplijtingsraketten het soort stuwkracht produceren dat nodig is om grote ladingen van het aardoppervlak de ruimte in te tillen. Maar eenmaal in de ruimte, ze zijn veel efficiënter dan chemische raketten - voor een gegeven massa drijfgas, ze kunnen een ruimtevaartuig versnellen tot veel hogere snelheden.

Kernsplijtingsraketten zijn nog nooit in de ruimte gevlogen, maar ze zijn op de grond getest. Ze zouden in staat moeten zijn om de vluchttijden tussen de aarde en Mars te verkorten van ongeveer zeven maanden tot ongeveer drie maanden voor toekomstige bemande missies. duidelijke nadelen, echter, omvatten de productie van radioactief afval, en de mogelijkheid van een mislukte lancering waardoor radioactief materiaal zich over een groot gebied zou kunnen verspreiden.

Een grote technische uitdaging is om een ​​reactor voldoende te miniaturiseren zodat deze op een ruimtevaartuig past. Er is al een ontluikende industrie in de productie van compacte splijtingsreactoren, inclusief de ontwikkeling van een splijtingsreactor die kleiner is dan een volwassen mens.

Elektrische voortstuwing

Een hoofdbestanddeel van sciencefiction, echte ionenaandrijvingen genereren geladen deeltjes (ionisatie), versnellen ze met behulp van elektrische velden en vuur ze vervolgens af vanaf een boegschroef. Het drijfgas is een gas zoals xenon, een vrij zwaar element dat gemakkelijk elektrisch kan worden opgeladen.

Terwijl de geladen xenon-atomen uit de boegschroef versnellen, ze brengen een zeer kleine hoeveelheid momentum (het product van massa en snelheid) over op het ruimtevaartuig, zachte stuwkracht geven. Terwijl langzaam, ionaandrijvingen behoren tot de meest brandstofefficiënte van alle voortstuwingsmethoden voor ruimtevaartuigen, dus zou ons verder kunnen brengen. Ionenaandrijvingen worden vaak gebruikt voor het regelen van de houding (veranderen in welke richting een ruimtevaartuig kijkt) en zijn overwogen om oude satellieten uit hun baan te halen.

De huidige ionenmotoren worden aangedreven door zonnecellen, waardoor ze effectief op zonne-energie worden gemaakt, en weinig drijfgas nodig. Ze zijn gebruikt op Esa's SMART-1 missie naar de maan en Bepi-Colombo missie op weg naar Mercurius. NASA ontwikkelt momenteel een elektrisch aandrijfsysteem met hoog vermogen voor de Lunar Gateway, een buitenpost die in een baan om de maan zal draaien.

Zonnezeilen

Terwijl voortstuwing gewoonlijk een soort drijfgas vereist, een meer "groene" methode die alleen vertrouwt op licht van de zon zelf.

Zeilen zijn afhankelijk van de fysieke eigenschap van behoud van momentum. Op aarde, we zijn gewend om dit momentum te zien als een dynamische druk van luchtdeeltjes die tijdens het zeilen in een zeil blazen, voortstuwen van een schip. Licht bestaat uit fotonen, die geen massa hebben, maar ze hebben wel vaart en kunnen het op een zeil overbrengen. Omdat de energieën van individuele fotonen erg klein zijn, een extreem grote zeilmaat is nodig voor een merkbare versnelling.

De snelheidswinst hangt ook af van hoe ver je van de zon verwijderd bent. op aarde, het door zonlicht ontvangen vermogen is ongeveer 1,3 kW per vierkante meter. Als we een zeil hadden zo groot als een voetbalveld, dit komt neer op 9,3 MW, een zeer lage acceleratie, zelfs voor een object met een lage massa.

Zonnezeilen zijn getest door het Japanse IKAROS-ruimtevaartuig dat met succes langs Venus vloog, en de Planetary Society Lightsail-2, die zich momenteel in een baan om de aarde bevindt.

Een manier om de efficiëntie te verbeteren en de zeilafmetingen te verkleinen, is door een laser te gebruiken om het ruimtevaartuig vooruit te stuwen. Lasers produceren zeer intense stralen van fotonen die op een zeil kunnen worden gericht om een ​​veel hogere versnelling te bieden, maar zou in een baan om de aarde moeten worden gebouwd om verlies van intensiteit in de atmosfeer te voorkomen. Lasers zijn ook voorgesteld als een middel om ruimteafval te de-orbiteren - het licht van de laser kan een stuk orbitaal afval vertragen, die dan uit de baan zou vallen en in de atmosfeer zou verbranden.

De ontwikkeling van raketten voor kernsplijting kan sommigen opwinden en anderen zorgen baren. Echter, aangezien particuliere bedrijven en nationale ruimteagentschappen zich steeds meer inzetten voor een duurzame menselijke aanwezigheid in de ruimte, deze alternatieve voortstuwingsmiddelen zullen meer mainstream worden en het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in onze ontluikende ruimtevaartbeschaving.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.