NASA-plan: Ny type rumskib med plasmamotor skal kunne rejse til Mars på to måneder

Der er sikkert mange, der har drømt om at rejse til Mars, og nu ser drømmen måske ud til at kunne blive til virkelighed.

NASA har nemlig godkendt et projekt, hvor et hold forskere skal undersøge muligheden for at bygge en ny type motor, der kan bringe rejsetiden til Mars ned fra de nuværende syv-otte måneder til bare to måneder.

Der er tale om en såkaldt Pulsed Plasma Rocket, og hvordan den virker, vil vi vende tilbage til, men først vil vi se på, hvorfor denne motor er så vigtig.

Problemet

Det største problem for en rejse til Mars er den lange rejsetid. Alene udrejsen tager omkring otte måneder, og hertil kommer opholdet på Mars og hjemrejsen.

Det gør, at astronauterne er borte fra Jorden i to-tre år, og det er rigtig lang tid at tilbringe i rummet grundet både stråling og vægtløshed.

En Mars-rejse foregår uden for Jordens beskyttende magnetfelt, og det gør, at strålingen er kraftig i en sådan grad, at en rejse til Mars vil give en markant øget risiko for kræft.

Hertil kommer, at en så langvarig vægtløshed vil kræve mindst to timers fysisk træning hver dag. Men selv om man passer træningen, vil det kræve en langvarig genoptræning at kunne fungere normalt, når man er landet og igen mærker tyngdekraften.

På Mars står der jo ikke et lægehold parat med en masse udstyr til at begynde genoptræningen, så astronauterne kan ikke bare stige ud og sætte de første fodspor på Mars. De kommer til at klare genoptræningen selv, og selvom tyngdekraften på Mars kun er en tredjedel af tyngdekraften på Jorden, har de det problem, at de kun kan gå ud iført en sikkert temmelig tung rumdragt.

Der er selv sagt en stor forskel på, om man har været vægtløs i to eller otte måneder. Genoptræningen vil helt sikkert blive hurtigere og lettere, hvis turen til Mars har været kort.

Og det fører os til det andet af de to store problemer, for hvorfor bygger man ikke bare nogle hurtigere rumskibe?

De rumskibe og raketter, vi har i dag, er ikke meget hurtigere end dem, vi havde ved rumalderens begyndelse. Det betyder, at rejser ud i Solsystemet ofte vil tage mange år. Det kan rumsonderne godt klare, men det kan astronauterne ikke.

Forklaringen er, at vi stadig anvender raketter drevet af kemiske brændstoffer som flydende ilt og brint. Der sker en forbrænding i motoren – i dette tilfælde går ilten og brinten i forbindelse og skaber vanddamp ved meget høj temperatur. Resultatet er, at vanddampen strømmer ud af dysen med en fart på 4,6 kilometer i sekundet eller mere end 16.000 kilometer i timen og på den måde skaber fremdrift.

Det er den mest effektive forbrænding, vi kender, så der er en naturlig grænse for, hvor hurtige kemiske raketter vi kan bygge, og det er derfor, vi stadig har lange rejsetider ved rejser ud i Solsystemet.

Regnskabet

Når man planlægger en rejse ud i Solsystemet, begynder man altid med et regnskab. Det skal give overblik over, hvad rejsen kræver af en raket. Hver gang der foretages en ændring af banen, skal rumskibets hastighed ændres, og det koster brændstof.

I rumfarten betegnes ændringer af hastigheden med Δv, hvor Δ er det græske bogstav delta. Δv angives normalt i kilometer pr. sekund, og skal der foretages mange manøvrer, lægger man de forskellige værdier af Δv sammen for at se, om raketmotoren er i stand til at levere det ønskede.

Et godt eksempel er rejsen til Mars ad den langsomme rute, hvor rejsetiden er godt otte måneder. For nu at gøre det simpelt ser vi bare på de fire vigtigste begivenheder på rejsen:

Begivenhed	Δv
Udrejse til Mars fra bane om Jorden	3,6 km/s
Nedbremsning til bane om Mars	1,4 km/s
Hjemrejse fra Mars	2,0 km/s
Nedbremsning til bane om Jorden	3,5 km/s

Det giver det samlede krav til raketmotoren, at den skal kunne levere et Δv = 10,5 km/s.

Vi tænker os, at vi har et Mars-rumskib i bane om Jorden med en vægt på 100 ton, hvor de 80 procent er brændstof i form af flydende ilt og brint – rumfartens svar på 100 oktan-benzin.

Enhver raket er underlagt den såkaldte raketligning, og den siger helt klart, at det største Δv, rumskibets motor kan levere, er 1,6 gange udstødningshastigheden, der jo var på 4,6 km/s.

En hurtig udregning viser, at det maksimale Δv = 1,6∙4,6 km/s = 7,4 km/s, og at vi altså mangler lidt over 3 km/s for at kunne gennemføre en rejse til Mars og hjem igen.

Det kan dog klares ved at give rumskibet et første trin, der klarer starten fra Jorden, hvorefter det kastes bort.

Selv da er det kun lige akkurat, at en langsom Mars-rejse kan gennemføres med en kemisk drevet raket. Hurtigrejser med rejsetider på to måneder er helt udelukket, især fordi der nu også skal bruges meget brændstof for at bremse rumskibet ved ankomsten, først til Mars og senere når rumskibet vender tilbage til Jorden for at gå i bane.

Mere fart på

Alle raketter er underkastet raketligningen, så uanset hvilket brændstof vi bruger, eller om vi bruger atomkraft, så gælder for en raket, hvor 80 procent af startvægten er brændstof, at:

Δv = 1,6∙c

c er udstødningsgassens fart, så hvis vi skal kunne gennemføre en lynrejse til Mars, er der kun én vej frem: At bygge en raket, der på den ene eller anden måde kan levere en værdi for c, som er meget højere end de 4,6 km/s, som ilt og brint kan levere.

Det har man været klar over lige siden rumalderens begyndelse, og allerede i 1960'erne eksperimenterede amerikanerne med en atomdrevet raket kaldet NERVA.

I princippet var NERVA simpel nok. Man lod simpelthen en atomreaktor opvarme flydende brint, så den blev forvandlet til en gas, som forlod raketdysen med en fart på 9 km/s.

NERVA kunne have leveret så meget Δv, at et rumskib kunne have gennemført en hurtigrejse til Mars. Men Mars-rejsen blev aldrig til noget, og raketten blev aldrig bygget, selvom der var nogle afprøvninger her på Jorden.

I princippet kan NERVA godt genoplives, og det er også muligt, at man gør det, når det første Mars-rumskib skal bygges. Alene fordi teknikken er gennemprøvet og forholdsvis simpel.

Men med den nye plasmamotor har man sat sig et højere mål, nemlig en værdi for c på ikke mindre end 50 km/s, altså mere end 10 gange højere end det bedste kemiske brændstof.

Udfordringen

Der er en stor udfordring ved at bygge en anvendelig raket med c = 50 km/s. Udfordringen består i, at det kræver enormt meget energi at få atomer og molekyler op på en så stor fart, og det er trods alt begrænset, hvor store atomreaktorer et rumskib kan medføre.

Den simpleste løsning er at spare på energien ved kun at sende meget lidt stof ud hvert sekund. Det gør man i en ionmotor, hvor der typisk udsendes nogle milligram stof hvert sekund.

I en ionmotor bruger man et elektrisk felt til at accelerere ioner op på hastigheder mellem 30 og 50 km/s. Energien til at skabe det elektriske felt kommer normalt fra solceller.

Men da der er grænser for, hvor store solpaneler man kan udstyre et rumskib med, kan der ikke produceres energi nok til at accelerere et meget stort antal ioner. Ionraketter bruger derfor kun meget lidt brændstof hvert sekund, men til gengæld kan en ionmotor være tændt i ugevis, uden at tankene løber tør.

Så en ionmotor udsender en meget tynd stråle af meget hurtige ioner. Men da stofmængden er så ringe, typisk nogle milligram hvert sekund, kan man være en hel måned om at bruge bare 10 kilo brændstof.

Til gengæld kan en ion-motor ikke levere en så stor kraft F, at man kan få en høj acceleration. Men fordi ionerne er så hurtige, kan man komme op på ganske høje hastigheder. Det tager dog uger eller måneder at komme op på fuld fart.

Ionmotorer anvendes ofte i rumsonder, hvor man har tid nok. Deres store fordel er, at de har et ’Δv-budget’ så stort, at de virkelig kan drage på opdagelsesrejser i Solsystemet.

Den nye motor

Hvad, vi helt klart har brug for, er en motor, der både kan levere en høj udstødningshastighed, c, men også hvert sekund slynger så meget gas bagud, at motoren virkelig kan levere et ordentligt skub. Og det er noget af et krav.

Princippet i den nye Pulsed Plasma Rocket er netop, at motoren ikke virker hele tiden, men sparer energi op, som så sendes ind i motoren i en kort, men meget kraftig puls, som kun varer en brøkdel af et sekund.

Energien bruges til at ionisere et stof, så det bliver til et plasma. Plasma er ioniseret stof med både positivt og negativt ladede partikler, så plasmaets samlede ladning er nul. Det kan ske ved hvert sekund at skyde et projektil af beriget uran ind i motoren, hvor det ioniseres.

I den tid, pulsen varer, kommer der meget kortvarigt til at løbe en elektrisk strøm i plasmaet, der skaber et elektromagnetisk felt, som accelerer ionerne ud med en fart på op mod 50 km/s.

Selvom det sker i pulser, så er pulsen så kraftig, at den kan slynge en ret stor stofmængde ud. Og det er netop stofmængden, som giver motoren en så stor kraft F, at den kan levere en ordentlig acceleration, modsat ionmotoren.

Med de nuværende planer regner man med omkring en puls i sekundet.

De gode tal

Hvis projektet fører til bygningen af en sådan plasmamotor, ser tallene ud til virkelig at kunne sætte gang i den bemandede rumfart ud i Solsystemet. For de tal, som nævnes, er F = 100.000 N og c = 50 km/s. Det svarer til, at der hvert sekund sendes 2 kilo plasma ud gennem dysen.

En kraft på 100.000 N er bestemt noget, som kan mærkes. Det kan give et 100 ton tungt rumskib en acceleration på 1 m/s², svarende til en tiendedel af tyngdeaccelerationen her på Jorden.

Det er ikke en acceleration, man på nogen måde bliver mast af, men den er alligevel stor nok til, at det kun tager lidt mere end en time at bringe rumskibet op på fuld fart, når det sendes mod Mars.

Det er faktisk muligt med den nye motor at gennemføre en rundrejse til Mars på 106 dage inklusive et 20 dage langt ophold på Mars. Det skal sammenlignes med den mere end to år langsomme rundrejse.

Spørgsmålet er, om det ikke er klogt at vente med en Mars-rejse, indtil vi har den nye plasmamotor eller måske noget endnu bedre.

Men den nye motor er kun en begyndelse, hvis den overhovedet bliver bygget. For i forhold til rejser til de ydre planeter er en tur til Mars at sammenligne med en lille tur i parken.

Solsystemet er enormt stort. Så stort at det nok vil tage mere end 100 år, før vi kan sige, at nu har vi besøgt de vigtigste steder.