De toekomst van de ruimteverkenning omvat een aantal nogal ambitieuze plannen om missies verder van de aarde te sturen dan ooit tevoren. Naast de huidige voorstellen voor het bouwen van infrastructuur in de cis-maanruimte en het sturen van reguliere bemande missies naar de maan en Mars, zijn er ook plannen om robotmissies naar de buitenste delen van het zonnestelsel te sturen, naar de brandpuntsafstand van de zwaartekrachtlens van onze zon, en zelfs naar de buitenste delen van het zonnestelsel. de dichtstbijzijnde sterren om exoplaneten te verkennen. Om deze doelen te bereiken is een voortstuwing van de volgende generatie nodig die een hoge stuwkracht en consistente acceleratie mogelijk maakt.

Gerichte reeksen lasers (of gerichte energie (DE)) en lichtzeilen zijn middelen die uitgebreid worden onderzocht, zoals Breakthrough Starshot en Swarming Proxima Centauri. Naast deze voorstellen heeft een team van de McGill Universiteit in Montreal een nieuw type gericht energie-aandrijfsysteem voorgesteld voor het verkennen van het zonnestelsel. In een recent artikel deelde het team de eerste resultaten van hun Laser-Thermal Propulsion (LTP)-thrusterfaciliteit, wat suggereert dat de technologie het potentieel heeft om zowel hoge stuwkracht als specifieke impulsen te bieden voor interstellaire missies.

Het onderzoeksteam werd geleid door Gabriel R. Dube, een Undergraduate Research Trainee bij de McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG), en universitair hoofddocent Andrew Higgins, de hoofdonderzoeker van de IFERG. Ze werden vergezeld door Emmanuel Duplay, een afgestudeerd onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, een zomeronderzoeksassistent bij het IFERG; en Jason Loiseau, universitair hoofddocent bij de Royal Military College of Canada.

Het team presenteerde hun resultaten op het AIAA Science and Technology Forum and Exposition 2024 en in een paper dat verscheen in het AIAA SCITECH 2024 Forum .

Higgins en zijn collega's stelden dit concept oorspronkelijk voor in een artikel uit 2022 dat verscheen in Acta Astronautica getiteld "Ontwerp van een snelle doorgang naar Mars-missie met behulp van laser-thermische voortstuwing."

Zoals Universe Today destijds meldde, was de LTP geïnspireerd door interstellaire concepten als Starshot en Project Dragonfly. Higgins en zijn medewerkers van McGill waren echter geïnteresseerd in hoe dezelfde technologie snelle transitmissies naar Mars in slechts 45 dagen en door het hele zonnestelsel mogelijk zou kunnen maken. Deze methode, zo betoogden zij, zou ook de betrokken technologieën kunnen valideren en kunnen fungeren als opstapje naar interstellaire missies.

Zoals Higgins via e-mail aan Universe Today vertelde, kwam het concept tot hen tijdens de pandemie toen ze hun laboratorium niet konden bereiken:

"[M]y studenten hebben een gedetailleerd conceptueel onderzoek gedaan naar hoe we het soort grote laserarrays die we voor ogen hadden voor de Breakthrough Starshot konden gebruiken voor een missie op korte termijn in het zonnestelsel. In plaats van met een diameter van 10 km, zouden 100- GW-laser die we voor Breakthrough Starshot voor ogen hadden, beperkten we ons tot een laser met een diameter van 10 meter en 100 MW en lieten zien dat deze in staat zou zijn om stroom te leveren aan een ruimtevaartuig tot bijna de afstand van de maan door waterstofdrijfgas tot 10.000 seconden te verwarmen van K maakt de laser de 'heilige graal' van hoge stuwkracht en hoge specifieke impuls mogelijk."

Het concept is vergelijkbaar met nucleaire thermische voortstuwing (NTP), dat NASA en DARPA momenteel ontwikkelen voor snelle transitmissies naar Mars. In een NTP-systeem genereert een kernreactor warmte die ervoor zorgt dat het waterstof- of deuterium-drijfgas uitzet, dat vervolgens door straalpijpen wordt geconcentreerd om stuwkracht te genereren.

In dit geval worden phased-array-lasers gefocusseerd in een waterstofverwarmingskamer, die vervolgens via een mondstuk wordt afgevoerd om specifieke impulsen van 3.000 seconden te realiseren. Sinds Higgins en zijn studenten naar het laboratorium zijn teruggekeerd, zeggen hij, hebben ze geprobeerd hun idee experimenteel te verifiëren:

"Het is duidelijk dat we bij McGill geen laser van 100 MW hebben, maar we hebben nu een laseropstelling van 3 kilowatt in het laboratorium (wat al eng genoeg is) en bestuderen hoe de laser zijn energie aan een drijfgas zou koppelen ( uiteindelijk waterstof, maar voorlopig argon alleen omdat het gemakkelijker te ioniseren is).

Higgins en zijn team hebben tijdens hun tests een apparaat gebouwd dat 5 tot 20 bar statisch argongas bevat. Hoewel het uiteindelijke concept waterstofgas als drijfgas zal gebruiken, gebruikten ze voor de test argongas omdat het gemakkelijker te ioniseren is. Vervolgens vuurden ze de laser van 3 kW in pulsen af ​​met een frequentie van 1.070 nanometer (overeenkomend met de nabij-infrarode golflengte) om het drempelvermogen te bepalen dat nodig is voor Laser-Sustained Plasma (LSP). Hun resultaten gaven aan dat ongeveer 80% van de laserenergie in het plasma werd afgezet, wat consistent is met eerdere onderzoeken.

De druk- en spectrale gegevens die ze verzamelden onthulden ook de piek-LSP-temperatuur met het werkgas, hoewel ze benadrukken dat verder onderzoek nodig is voor sluitende resultaten. Ze benadrukten ook dat er een speciaal apparaat nodig is om geforceerde stromings- en andere LSP-tests uit te voeren. Ten slotte is het team van plan later dit jaar stuwkrachtmetingen uit te voeren om te peilen hoeveel versnelling (delta-v) en specifieke impuls (Isp) een laser-thermisch voortstuwingssysteem kan leveren voor toekomstige missies naar Mars en andere planeten in het zonnestelsel.

Als de technologie deze taak aankan, zouden we kunnen kijken naar een systeem dat astronauten binnen enkele weken in plaats van maanden naar Mars kan brengen. Andere concepten die dit jaar voor de NIAC zijn geselecteerd, zijn onder meer tests om winterslaapsystemen te evalueren voor langdurige missies in microzwaartekracht. Alleen of in combinatie kunnen deze technologieën snelle transitmissies mogelijk maken waarvoor minder vracht en voorraden nodig zijn en de blootstelling van astronauten aan microzwaartekracht en straling tot een minimum worden beperkt.

Meer informatie: Gabriel R. Dubé et al., Laserondersteund plasma voor voortstuwing in de ruimte:initiële resultaten van de LTP-thruster, AIAA SCITECH 2024 Forum (2024). DOI:10.2514/6.2024-2029

Aangeboden door Universe Today