Aero/Astro-ingenieur Ken Hara ontwikkelt computermodellen om een ​​weinig bekende, maar veelgebruikte boegschroefmotor die meer geschikt is voor langeafstandsmissies.

Als de meeste mensen denken aan ruimtereizen, ze stellen zich raketten voor zoals de torenhoge Saturnus V die de Apollo-astronauten naar de maan stuurde.

Het grootste deel van die enorme raket bestond uit de brandstof die hij verbrandde om een ​​kleine, bemanning dragende ruimtecapsule in een baan om de aarde. Daar, vrij van de zwaartekracht van de aarde, kleine uitbarstingen van brandstofverbrandende stuwraketten leidden de Apollo-ruimtecapsule naar de maan en terug.

Vanaf dat moment, wetenschappers hebben alternatieve boegschroeftechnologieën ontwikkeld die geen zware brandstoffen verbranden. In plaats daarvan, deze stuwraketten ioniseren stabiele gassen zoals xenon en krypton, elektriciteit uit zonnecellen gebruiken om de elektronen van de gasatomen te strippen om een ​​stroom positief geladen ionen te creëren, een plasma genoemd. Het ruimtevaartuig duwt dit plasma uit zijn uitlaat om zichzelf door de gewichtloze leegte voort te stuwen.

dergelijke stuwraketten, bekend als elektrische voortstuwingsmotoren, of plasma stuwraketten, momenteel honderden GPS-, militaire en communicatiesatellieten maken kleine koerscorrecties en handhaven stabiele banen. Maar nu, wetenschappers ontwikkelen een nieuwe generatie ionenmotoren die ruimtevaartuigen op langeafstandsmissies door het hele zonnestelsel kunnen sturen, zoals de Deep Space 1-module die asteroïde 9969 Braille en komeet Borrelly bezocht, en het Dawn-ruimtevaartuig dat naar de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter reisde.

"Plasma-stuwraketten vertegenwoordigen de toekomst van ruimteverkenning, " zei Ken Hara, een assistent-professor luchtvaart en ruimtevaart, die helpt bij het ontwikkelen van computermodellen om ionenmotoren krachtiger te maken, efficiënt en nuttig.

Hara zegt dat de plasma-thrusters een aantal voordelen hebben ten opzichte van hun voorgangers. Voor starters, de geïoniseerde gassen die worden gebruikt als drijfgassen in plasma-stuwraketten wegen minder dan de brandstoffen die door de stuwraketten van het Apollo-tijdperk worden verbrand. Elke pond die het ruimtevaartuig bespaart door de brandstofbelasting te verminderen, betekent meer gewicht om een ​​grotere wetenschappelijke lading te vervoeren. Bovendien, zodra een door plasma aangedreven vaartuig in de ruimte is, het kan in de loop van de tijd versnellen op een manier die brandstofverbrandende vaartuigen niet kunnen, uiteindelijk geven deze lichtgewicht motoren ook een snelheidsvoordeel.

Om te begrijpen waarom dit zo is, is er een concept dat uitlaatsnelheid wordt genoemd - de snelheid waarmee een drijfgas een motor verlaat. Een traditionele brandstofverbrandende motor verbrandt een enorme hoeveelheid brandstof, maar met een lage uitlaatsnelheid, een combinatie die een enorme stuwkracht oplevert. Denk aan een raket op het lanceerplatform, eerst langzaam bewegend terwijl het wordt opgetild door een groot opwelling van vlammen, dan versnellen als de enorme stuwkracht die wordt gegenereerd de greep van de zwaartekracht breekt en de raket naar de hemel slingert.

Daarentegen, een plasmamotor is ontworpen voor een andere omgeving:het voortstuwen van een ruimtevaartuig dat zich al in een omgeving met lage of geen zwaartekracht bevindt. De plasmamotor doet dit door geïoniseerde deeltjes uit te stoten bij extreem hoge uitlaatsnelheden, maar zeer lage volumes, het ruimtevaartuig voortstuwen met wat zou kunnen worden vergeleken met ademwolken. In het vacuüm van de ruimte, met niets dat het voorwaartse momentum van het ruimtevaartuig vermindert, deze trekjes van geïoniseerde stuwkracht zorgen ervoor dat het schip in de loop van de tijd op snelheid komt, gaat zowel sneller als verder dan brandstofverbrandende ruimtevaartuigen.

Hara, die onlangs werd geëerd door de Electric Rocket Propulsion Society, maakt computermodellen om plasma-stuwraketten nog verder te verbeteren door te onderzoeken hoe plasma's snellere en krachtigere uitlaatsnelheden kunnen bereiken. Om dit te doen, hij moet rekenmodellen ontwikkelen die nieuwe vergelijkingen oplossen en verifiëren dat ze correct zijn onder strenge wiskundige analyse. Vervolgens moet hij deze resultaten valideren door zijn wiskundige voorspellingen te vergelijken met wat experimentele wetenschappers aantonen in echte plasma-stuwraketten. "Zijn we wiskundig gezond, en zijn onze modellen fysiek correct?" Vraagt ​​Hara retorisch. "Dat is waar mijn waarheid is."