Rumfartens tre udfordringer
Al rumflyvning kræver hastigheder langt større end dem, vi kender fra dagligdagen. Med den raketteknologi, vi råder over i dag, kan vi opsende satellitter og flyve til Månen eller Mars på en rimelig tid.

 

Denne artikel er et uddrag fra bogen 'Ud i rummet', som er skrevet af Helle og Henrik Stub. Begge forfattere er cand. scient. i astronomi, fysik og matematik fra Københavns Universitet.

Da rumalderen startede, gik udviklingen meget hurtigt: Kun fire år fra den første Sputnik til det første menneske i rummet og derefter kun otte år, før det første menneske landede på Månen. Men siden da er det gået langsommere.

Raketterne og rumskibene er nok blevet bedre, men slet ikke så meget, som man kunne forvente efter mere end 50 års rumflyvning og enorme investeringer. Det åbner for det meget centrale spørgsmål: Er der grænser for rumflyvningen – og har vi allerede nået dem?

Nu har rumflyvning altid været præget af en ukuelig optimisme, som har givet mange en noget overdreven forventning om, hvad rumfarten kan bringe os i fremtiden. Vi hører om rumkolonier, baser og kolonier på andre planeter og en gang i fremtiden rejser til andre stjerner.

Det kan ikke undgå at skuffe, når disse storslåede visioner ikke bliver til noget, og måske mærker rumfarten allerede virkningerne af misforholdet mellem drøm og virkelighed. Vi kan ikke med sikkerhed besvare spørgsmålet, om der er grænser for rumfart, men det er muligt at belyse problemet ved at se på de tre store udfordringer, rumfarten står over for, hvis den skal have en fremtid, nemlig

  • De høje omkostninger
  • De lange rejsetider
  • Udnyttelse af rummets resurser.

Om vi kan klare disse udfordringer hænger sammen med, om det er muligt at flytte de grænser, som vores nuværende teknik sætter for rumfarten. Som vi skal se, hænger muligheden for at klare udfordringerne nøje sammen med et af rumfartens mest centrale begreber, kaldet 'Delta V'.

Her bruger vi begrebet til at angive den hastighed, en raket skal kunne præstere for at løse en bestemt opgave, som at opsende en satellit eller flyve til Månen. Et af de græske bogstaver hedder delta og skrives som en trekant Δ. Derfor skriver man normalt blot ΔV.

Delta V

Al rumflyvning kræver hastigheder langt større end dem, vi kender fra dagligdagen. Den største fart, de fleste af os når at opleve, er de omkring 1.000 km i timen, som et moderne jetfly bevæger sig med, og det er endda langsommere end lydens hastighed på godt 1.200 km i timen ved Jordens overflade.

For at gå i bane om Jorden skal et rumskib op på 28.000 km i timen eller 7,8 km/sek. Det er 28 gange hurtigere end et jetfly og godt 23 gange hurtigere end lydens hastighed. Det kan udtrykkes således:

Krav til opsendelse af satellit: ΔV = 7,8 km/sek.

Selv for en raket er det ingen let sag at opnå sådan en fart. Det kræver normalt to rakettrin, samt at over 80 % af rakettens startvægt består af brændstof. En moderne rumraket er i virkeligheden et par store brændstoftanke stablet oven på hinanden forsynet med et lille rumskib eller en satellit i toppen. Rumskibets vægt er typisk omkring 3% af startvægten. Resten er brændstof, raketskrog og motorer.

Skal man til Månen, stiger hastighedskravet til 40.000 km i timen eller 11,2 km/sek., og man skriver

Krav til en måneflyvning: ΔV = 11,2 km/sek.

Hvis man også ønsker at lande, skal raketten bremses ned med 8.600 km/time eller 2,4 km/s ved ankomsten, og det kræver igen en masse brændstof. Der gælder altså

Krav til en månelanding: ΔV = 2,4 km/sek.

Samlet kræves således ΔV = 11,2 + 2,4 = 13,6 km/sek. for en landing på Månen – men forude venter hjemrejsen. Det er ikke så mærkeligt, at månerejser kræver store raketter og masser af brændstof.

50.000 kilometer i timen giver ikke meget tid til at udforske en planet

Heldigvis stiger kravene ikke så voldsomt, hvis talen er om enkeltrejser til solsystemets planeter. Selv den fjerne Pluto kræver mindre end 60.000 km i timen, hvis man er villig til at acceptere en lang rejsetid. Således har verdens til dato hurtigste rumsonde New Horizons været 91⁄2 år om at gennemføre rejsen fra Jorden til Pluto, selv om dens starthastighed fra Jorden var 58.536 km i timen. Det kan vi skrive således

Fakta


Bogens forfattere, Helle og Henrik Stub, er begge cand. scient. i astronomi, fysik og matematik fra Københavns Universitet. De modtog Tycho Brahe-medaljen i 2008 og European Science Writers Award i 2014 for deres fremragende formidling. De skriver nu om astronomi og rumfart på Videnskab.dk. Du kan læse Videnskab.dk's omtale af bogen her. Artiklerne udgives løbende og kan følges via serien 'Ud i rummet'. Bogen kan købes hos forlaget med rabat.

Rejse til Pluto kræver: ΔV = 16,3 km/sek.

En rejse til Pluto er stort set grænsen for, hvad man kan opnå af en kemisk drevet raket. Det var lige præcis muligt at få sendt den kun 480 kg tunge rumsonde op med en af USA's største raketter, men det var umuligt at fylde rumsonden op med så meget brændstof, at den kunne bremse ned og gå i bane om Pluto.

Derfor fløj New Horizons forbi Pluto med en fart på 50.000 km i timen, hvilket jo ikke giver meget tid til at udforske en planet.

Det er muligt at gennemføre flyvninger til det ydre solsystem

Mange spændende projekter kræver virkeligt store værdier af ΔV, og det er et kæmpestort problem, fordi hver eneste kilometer i sekundet, der kræves, skal omsættes i enorme mængder brændstof, der skal sendes ud i rummet.

Sagt ganske kort: Med den raketteknologi, vi råder over i dag, kan vi klare opgaver, hvor ΔV ikke overstiger 10-15 km/sek. Det er lige præcis nok til at opsende satellitter og flyve til Månen eller Mars på en rimelig tid.

Det er også muligt at gennemføre flyvninger til det ydre solsystem, til de enorme gasplaneter Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun samt deres flere hundrede store og små måner. Men prisen er meget lange rejsetider, ofte på flere år.

Og stjernerejser over afstande på mange lysår er med vore dages teknik ren fantasi. Selv om vi kunne tidoble rumskibenes hastighed til måske 100-150 km i sekundet, ville det ikke ændre ret meget. Det bliver lettere at nå det ydre solsystem, men stjernerne er stadig lige uopnåelige – og en tidobling er netop, hvad der er teoretisk muligt, hvis vi bruger atomdrevne raketter.

Satellitter har altid mindst to trin

Der tales undertiden om 'rumfartens kolde ligninger', og en af dem er raketligningen. Den angiver sammenhængen mellem den fart, hvormed udstødningsgasserne forlader raketmotoren, og den sluthastighed, raketten opnår. Uden at gå i detaljer kan vi give resultatet:

Hvis man bygger en raket, hvor 80% af startvægten er brændstof, og de sidste 20 % fordeles mellem raketskrog, raketmotorer og nyttelast, er slutfarten bare 1,6 gange raketgassernes fart.

For det bedste af alle kemiske brændstoffer, flydende ilt og flydende brint, gælder, at forbrændingsgassen forlader raketdysen med en fart på op mod 4,5 km/sek. eller godt 16.000 km/time. Det er en enorm fart, men rakettens sluthastighed bliver alligevel kun

v (slut) = 1,6 x 4,5 km/s = 7,2 km/sek.

Det er ikke engang nok til at opsende en satellit – især ikke, da der også skal bruges en hel del energi til at overvinde luftmodstanden ved opsendelsen. Det er derfor, satellitraketter altid har mindst to trin.

Da rumfarten næsten udelukkende er baseret på kemiske raketter, møder vi her en af de grænser, som indtil nu har begrænset vores muligheder for at udforske rummet, nemlig at vi selv med en flertrinsraket ikke i praksis kan komme meget over 15 km/sek. – tilstrækkeligt til det indre solsystem og også til et par afstikkere til det ydre solsystem.

Større ekspeditioner ud i solsystemet er stadig en fremtidsdrøm. Meget alvorligere er det, at de begrænsninger, som udtrykkes i 'de kolde ligninger', lige siden rumalderens start har gjort rumfart til en meget kostbar affære, selv for den ret simple opgave at sende en satellit i bane om Jorden.

Første udfordring: De høje omkostninger

Helt grundlæggende har rumfarten det problem, at Jordens tyngdekraft er stærk og de kemiske brændstoffer svage. Den stærke tyngdekraft giver nogle høje ΔV-krav for bare at opsende en satellit, og det er kun ved at bygge raketter med flere trin, der grundlæggende består af nogle enorme brændstoftanke, at det er muligt at få opsendt en satellit.

Hertil kommer, at raketter, som er større end en jumbojet og bygget med samme præcision som det fineste schweizerur, kun bruges én gang. Resultatet er, at opsendelser bliver meget dyre.

SpaceX arbejder på at nedbringe omkostningerne ved at genbruge første trin. Det sker ved at bruge noget af brændstoffet i første trin til at styre rakettrinnet ned gennem atmosfæren. I atmosfæren sørger små plader, der foldes ud, for en yderligere opbremsning. Det sidste stykke vej før landingen skal raketten selv klare ved at anvende raketmotorerne til en sidste opbremsning, og det sker ved, at det første trin daler ned, mens det balancerer på raketmotorernes flammer – uden at vælte. Det er noget af en teknisk udfordring.

Der er ingen tvivl om, at de høje omkostninger har bremset rumfartens udvikling. Det er svært at finde præcise tal, men de nuværende priser for at sende bare 1 kg ind i en lav bane om Jorden måles i mange tusind euro. Prisen afhænger af raketten, og for de tre mest anvendte raketter i vesten er priserne omtrent:

 

Falcon 9 ca. 4.000 €/kg
Ariane 5 ca. 10.000 €/kg
Atlas 5 ca. 13.000 €/kg

 

Der er to afgørende faktorer

Prisen for en satellit i den geostationære bane er endnu højere– måske op til 40-50.000 €/kg. De nøjagtige priser er ikke tilgængelige, muligvis af hensyn til konkurrencen. En meget stor del af alle opsendelser foregår nu på almindelige markedsvilkår, hvor de to afgørende faktorer er

 

  • Prisen for en opsendelse
  • Rakettens pålidelighed.

Det kan godt være, at Falcon 9 fra SpaceX er billig, men det er en ny raket, og den bliver først for alvor konkurrencedygtig, når den har fløjet 30-40 gange, så det er muligt at bedømme dens kvalitet.

Man kan sandsynligvis presse prisen længere ned ved at købe en opsendelse i Indien eller Kina, men så har amerikanerne straks en masse begrænsninger på, hvilke komponenter de vil tillade på satellitten på grund af den såkaldte ITAR-lov.

ITAR står for International Traffic in Arms Regulations, og denne lov har gjort det meget vanskeligt at få opsendt satellitter med raketter fra Indien og Kina, hvis satellitterne indeholder, hvad amerikanerne kalder 'følsomt elektronisk udstyr'.

 

Genbrug af raketter er en mulighed for at bringe omkostningerne ned

Det er en meget omdiskuteret lov, der stort set kun har haft to konsekvenser: Indien og Kina har udviklet deres egen teknologi stort set uden hjælp udefra, og satellitproducenterne undgår at bruge amerikanske elektronikkomponenter.

Men hele denne situation er nu ved at ændre sig, ikke mindst på grund af 'den nye dreng i klassen', Elon Musk fra SpaceX. Hans mål har lige fra starten været at bringe prisen ned på 10 % af de nuværende priser. Det er en dristig ambition, for han kender jo godt både rumfartens krav til ΔV og raketligningen. Men Musk har før forvandlet drøm til virkelighed.

Det er klart, at den eneste måde at bringe omkostningerne ned er ved at genbruge raketterne. Det er meget lettere sagt end gjort. Selv Musk kan ikke komme uden om, at det kræver en raket med to trin at sende en satellit i bane om Jorden. Det første trin bringer rakettens fart op på over 7.000 km i timen, mens det andet trin kommer op på 28.000 km i timen.

Den letteste opgave er at genbruge det første trin. Men alligevel skal man tænke på, at når det første trin afkastes, bevæger raketten sig med seks gange lydens hastighed i en højde på omkring 60 km. For at bringe første trin tilbage skal det vendes rundt, så det flyver tilbage til basen og derefter bringes til en blød landing.

Det sker ved at gemme noget af brændstoffet i første trin, så det kan bruges til at dreje trinnet rundt, så det får kurs mod basen. Kort før landingen foldes fire bremseklapper ud, og motorerne tændes igen. Resultatet bliver, at trinnet i princippet lander lodret på fire ben, der foldes ud lige før landingen.

 

Forsøgene med genbrug er allerede igang

Men der er en pris at betale for dette genbrug – nemlig at en del af brændstoffet nu går til at bringe første trin til landing i stedet for at hjælpe med til opsendelsen. Det betyder, at Falcon 9 så taber noget af sin løfteevne. Her er to muligheder:

Den ene er at vælge ikke at lade første trin vende tilbage til basen, men i stedet bringe det til landing tæt på det sted, hvor det alligevel ville være faldet ned, nogle hundrede kilometer øst for Cape Canaveral. Det vil kræve en stor pram med en slags helikopterlandingsplads – og en sådan pram har SpaceX allerede bygget.

Prisen er her, at opbremsningen vil kræve et ΔV på 1,6 km/sek. eller omkring 20 ton brændstof. Det er 6% af brændstofmassen i første trin, og det vil samtidig nedsætte nyttelasten med 20 %.

Den anden mulighed er, at første trin vender tilbage til Cape Canaveral. Prisen er nu et ΔV på 2,7 km/sek., hvilket kræver 38 ton brændstof til opbremsning og landing. Nyttelasten bliver nu nedsat med hele 38% – og det kan mærkes.

Forsøgene på at genbruge første trin er allerede i gang – indtil nu med lidt blandede resultater. Men der ser ikke ud til at være nogle afgørende problemer. SpaceX håber med tiden også at kunne genbruge andet trin, men her er prisen, at trinnet så skal udstyres med et tungt varmeskjold.

Stort set tages vægten af varmeskjoldet fra satellitten, hvilket igen nedsætter størrelsen af den satellit, Falcon 9 kan opsende. For at denne type genbrug skal kunne betale sig, skal genbruget og de lave priser skabe et stort, nyt marked. Om det vil ske, er svært at sige.

 

Man kan ikke snyde raketligningen

En mulig opbygning af et atomdrevet rumskib beregnet til lange rejser ud i solsystemet. Rumskibet bliver langt for at få størst mulig afstand mellem
motor og mandskab. Atomreaktorer producerer meget varme, derfor de store
radiatorer, der kan sende varmen ud i rummet. (Illustration: NASA)

Men der er en tendens til at bygge mange små satellitter i stedet for nogle få og meget store – bare tænk på planerne om mange hundrede små satellitter, der skal skabe et ægte globalt internet. Det er en satsning, der bryder med mange års vanetænkning om, at hver eneste raket skal være så effektiv som mulig.

Endelig skal nævnes en sandsynligvis fjern fremtidsdrøm.

Man kan ikke snyde raketligningen, men omgå den på en snedig måde. Der er jo ilt i atmosfæren, og hvis man kunne udnytte det, så behøvede man ikke at slæbe al ilten med i store tanke. Ideen er kort og godt at udstyre en slags raketfly med nogle meget avancerede motorer, der under turen op gennem atmosfæren kører på luftens ilt.

Når flyet er kommet op over den tætte atmosfære, skifter motorerne brændstof fra luftens ilt til den medbragte ilt. Det kan gøre det muligt at opfylde den gamle drøm om et SSTO-fly, hvor SSTO står for Single Stage To Orbit. Hvis det lykkes, vil fly, der starter fra en lufthavn, måske erstatte vore dages raketter. Både ESA og England støtter et projekt kaldet SKYLON om et sådant fly.

Den gode nyhed er, at vi nu efter mere end 50 års rumfart omsider er på vej til at udvikle ny teknik, så omkostningerne bliver overkommelige. Det store spørgsmål er, om meget lave priser vil ændre rumfarten væsentligt.

 

Anden udfordring: De lange rejsetider

Man kan opdele rejser ud i solsystemet efter rejsetider. Med baggrund i de kemiske raketter kan vi opskrive følgende lille tabel:

 

Månen 3 dage
Det indre solsystem 5-8 måneder
Det ydre solsystem 2-10 år

Disse tal gælder for en enkeltrejse. Regner vi hjemrejsetiden vi med vores nuværende teknik er bundet til det indre solsystem, hvis talen er om bemandede flyvninger. Desværre har det indre solsystem ud over Månen ikke andet at byde på end Mars, da både Venus og Merkur er alt for varme.

Skal vi for alvor lære solsystemet at kende, er det nødvendigt at rejse ud til de store ydre planeter, Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun, og det utal af måner, de omgiver sig med.


Men det kan ikke lade sig gøre med kemiske raketter. Kemiske brændstoffer indeholder ikke energi nok til at bringe rejsetiden ned på noget, mennesker kan tåle og udholde. Solenergi kan ikke bruges uden for Jupiters bane, og tilbage er kun atomenergi.

 

Atomkraft giver mulighed for større hastigheder for gassen

Hvis vi vil sende mennesker langt ud i solsystemet, bliver det med atomdrevne raketter med alle de problemer, det kan medføre. Disse problemer er ikke mindst af politisk art, fordi det er meget vanskeligt at forestille sig, at nogen regering har lyst til at sende atomreaktorer ud i rummet.

Med kemiske brændstoffer er det ikke muligt at komme op over en fart på 4,5 km/sek. for de gasser, motoren sender ud gennem raketdysen. Som vi har set, sætter det en øvre grænse på 15 km/sek. eller måske lidt mere for den fart, en kemisk raket kan opnå selv med brug af flere trin.

Med atomkraft er det muligt at komme op på 10 gange større hastigheder for gassen, altså 40-50 km/sek. Nu vil man nok ikke bygge atomdrevne raketter med flere trin, fordi hvert trin så skulle have sin egen atomreaktor, og det vil gøre raketten alt for tung. Men det skulle være muligt at opnå en fart på 80 km/sek., nemlig 1,6 gange udstødningshastigheden for gassen fra raketdysen.

Med den fart kan afstanden mellem Jorden og Månen tilbagelægges på 1 time og 15 minutter, og den 1,5 milliarder km lange rejse til Saturn kan gennemføres på bare syv måneder. Men Uranus, Neptun og Pluto vil stadig kræve flere års rejsetid.

 

Rejsetiden kan nedsættes ved at flyve forbi Jupiter

Dette er dog blot en leg med tal. Som altid vil virkeligheden tage sig anderledes ud, og heller ikke her vokser træerne ind i himlen.

Lad os tænke os, at vi har et rumskib, der virkelig kunne præstere et ΔV på 80 km/sek. eller 290.000 km i timen. For at gennemføre en rejse tur-retur skal rumskibets motorer være tændt fire gange:

 

  • Ved starten fra Jorden – sandsynligvis fra en rumstation
  • Ved ankomsten til planeten, når rumskibet skal bremses ned
  • Ved afrejsen fra planeten
  • Ved ankomsten til Jorden, når rumskibet skal bremses ned.

Det betyder, at vores store ΔV på 80 km/sek. skal deles ud i fire portioner, i runde tal på hver 20 km/sek. – og så varer det meget længere end syv måneder at rejse til Saturn. Rejsetiden kan nedsættes ved at lade rumskibet flyve forbi Jupiter og lade Jupiters meget stærke tyngdekraft give rumskibet et ekstra skub.

Store raketmotorer af VASIMR-typen kan angiveligt bringe rejsetiden til Mars helt ned på 39 dage. Små udgaver af plasmamotoren er allerede demonstreret.
(Illustration: Ad Astra Rocket Company)

Det vil så til gengæld give en større nedbremsning, der bruger ekstra meget brændstof. En ting er i hvert fald sikkert: Selv med denne meget optimistiske udgave af en atomdrevet raket får vi ikke lynrejser ud i solsystemet – især fordi de hurtige rumskibe vil være uger eller måneder om at komme op på fuld fart.

 

Atomdrevne raketter er ikke det, der arbejdes mest med

Vi kan i dag give et godt bud på, hvordan en atomdreven raket kommer til at se ud. Den bliver lang for at give en stor afstand mellem atomreaktoren og den del af rumskibet, hvor mandskabet opholder sig.

Man kan forestille sig, at reaktor og beboelsesområde er forbundet med en lang bro. Her er monteret brændstofbeholdere og noget, som mest at alt får rumskibet til at ligne et sejlskib: Store radiatorer, der skal udstråle spildvarmen fra reaktoren ud i rummet.

Rejsen vil starte fra en rumstation, og den vil ikke komme til at minde om en raketstart fra Jorden: Der er ingen flammer og røg, og det vil nok være umuligt at se udstødningen. Accelerationen vil være ganske lav, og man vil kunne følge rumskibet i mange timer, før det forsvinder i rummets mørke.

Det eneste tegn på, at motorerne arbejder, vil være radiatorerne, der langsomt opvarmes så meget, at de begynder at gløde. Der vil gå uger, før rumskibet er oppe på fuld fart.

Nu er atomdrevne raketter ikke det, der er arbejdet mest med inden for rumfarten, men der er dog nogle bud. De mest realistiske er

 

  • Ionraketten
  • Nerva
  • Vasimr.

 

Ionmotorer bruger ikke meget brændstof

IONRAKETTEN virker ved at sende elektrisk ladede partikler bagud – ofte ioner af luftarten xenon. Ionerne accelereres af stærke elektriske felter, men motoren er så svag, at den kun kan anvendes ude i rummet.

I det indre solsystem kan energien leveres af store solvinger, men skal vi ud i det ydre solsystem, bliver det nødvendigt med en atomreaktor. De ionmotorer, vi har i dag, leverer samme reaktionskraft som tyngdekraften på en papirclip. De kan gøres stærkere, men det vil altid tage uger og måneder at komme op i fart, og derfor er de bedst egnede til rumsonder.

Ionmotorer bruger ikke meget brændstof, selv om de er tændte i månedsvis som på rumsonden DAWN, der udforsker asteroiderne Vesta og Ceres. Den 1.240 kg tunge rumsonde blev sendt afsted med 425 kg xenon til sin motor.

Med en ionhastighed på 30 km/sek. var det nok til at give et ΔV på over 10 km/sek. og dermed gøre det muligt at besøge hele to asteroider. Den nødvendige effekt på 10 kW til ionmotoren leveres af to store solvinger.

 

NERVA er den klassiske atomraket

I et bemandet rumskib til en marsrejse kan ionmotorer kombineres med kemiske raketter. De kemiske raketter giver en høj acceleration, når rumskibet starter fra en rumstation. Godt på vej mod Mars overtager ionmotoren, og selv om accelerationen er lille, kan hastigheden over en periode på flere måneder sagtens øges betydeligt.

NERVA er den klassiske atomraket. Den er meget simpel i princippet: Raketten har en stor tank med flydende brint og en atomreaktor, som varmer brinten op til flere tusinde grader, der så kan forlade raketten med en hastighed op til 9 km/sek. Der blev eksperimenteret med den i perioden 1963-1972 i Nevadas ørken, men projektet blev opgivet, og NERVA blev aldrig sendt ud i rummet.

Gashastigheden for NERVA på 9 km/sek. er dobbelt så stor som for den bedste kemiske raket. Det lyder måske ikke imponerende for en atomdrevet raket, men til gengæld er det en forholdsvis simpel konstruktion, hvor atomreaktoren blot virker som en slags kogekedel for den flydende brint. Alligevel bliver atomreaktoren ganske tung med en vægt på flere ton.

NERVA er den type atomraket, som vi er tættest på at kunne bygge – NASA havde endda planer i 1970’erne om en marsekspedition baseret på Saturn 5-måneraketten, hvor 3. trin var udstyret med en NERVA-motor.

 

Brændstoffet opvarmes af radiobølger

VASIMR er konstrueret af astronauten Franklin Chang-Diaz, som har været på ikke mindre end syv rumfærgeflyvninger og gennemført tre rumvandringer. VASIMR er en forkortelse, der står for Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket.

Det lyder voldsomt, men dækker over et simpelt princip, hvor man kan skrue op og ned for hastigheden af udstødningsgassen. Brændstoffet er luftarter som Argon, Xenon eller brint. Brændstoffet opvarmes af radiobølger til temperaturer på op mod en million grader.

Rumfarten bliver stadig mere kommerciel. Dette ‘Til salg’-skilt, som astronauten Dale Gardner holder op efter at have indfanget to udtjente satellitter fra rumfærgen Discovery, er dog kun for sjov.
(Foto: NASA)

Ved denne temperatur bliver luftarterne til en plasma, altså opdelt i positive atomkerner og negative elektroner. Denne plasma kan styres af et magnetfelt, der sørger for, at plasmaet aldrig kommer til at røre en metalvæg.
Det kræver naturligvis energi at udsende partiklerne med stor fart. Denne energi skal leveres af en atomreaktor. Det betyder, at man har to muligheder

 

  • Brændstoffet opvarmes ikke ret meget, men til gengæld er der nu energi til at udsende en forholdsvis stor mængde brint pr. sekund. Det giver motoren en stor reaktionskraft, og det betyder, at VASIMR i denne tilstand kan give rumskibet en stor acceleration. Der bruges en del brændstof, men til gengæld undgår man at bruge uger eller måneder på at accelerere rumskibet op ved rejsens start og til at bremse det ned ved ankomst.
  • Brændstoffet opvarmes maksimalt, så det forlader dysen med en fart på over 50 km i sekundet. Til gengæld er der nu kun energi til at udsende måske et gram i sekundet. Motoren er nu maksimalt effektiv, da brændstofforbruget nu er meget lille, og motoren derfor kan arbejde under hele rejsen. Og når rejsen varer i uger eller måneder, kan selv en meget lille acceleration markant nedsætte rejsetiden.

 

VASIMR kan bygges i flere størrelser

Problemet er både, at der kræves en ganske kraftig atomreaktor for at bruge VASIMR til et stort bemandet rumskib, og at reaktoren her ikke bare skal virke som en kogekedel, men som et kraftværk. Opvarmningen sker jo ved radiobølger, og stærke magnetfelter holder plasmaet på plads. Begge dele kræver elektrisk energi.

VASIMR kan naturligvis bygges i flere størrelser. Hvor stor en motor, der kan bygges, afhænger af et tal, teknikerne kalder for Alpha. Alpha angiver ganske simpelt, hvor meget en atomreaktor vejer pr. produceret kilowatt elektrisk energi. De reaktorer, vi kan bygge nu, har en værdi for Alpha på 50-100 kg/kW.

Dette tal kan sandsynligvis presses ned til 20 kg/kW. Det er alligevel 20 ton for en reaktor, som producerer bare en megawatt, så udover at bygge selve motoren er der en meget stor teknisk udfordring med at bygge letvægtsreaktorer.

 

Der er lang vej, før vi kan bringe rejsetiden til Mars ned

For at kunne sende et rumskib til Mars på nogle uger skal reaktoren kunne levere over 100 MW, tal på 230 MW har været nævnt. Ikke alene vil en sådan reaktor med den teknik, vi kan forudse, blive alt for tung. Der vil også være et enormt problem med spildvarmen fra reaktoren, der skal udstråles til rummet via nogle radiatorer på størrelse med fodboldbaner.

Konklusionen er, at udfordringen med at bygge hurtige rumskibe stadig ikke er løst. Det skulle være muligt at bygge rumskibe, som måske kan halvere den nuværende rejsetid til Mars, sandsynligvis ved at kombinere kemisk drevne motorer med soldrevne ionmotorer.

Men der er lang vej, før vi kan bringe rejsetiden til Mars ned på nogle få uger, og det vil kræve både en markant ændring i vores forhold til atomkraft og nogle meget store investeringer i at bygge letvægtsreaktorer ude i rummet. Men måske er der alligevel en udvej, som vi vil se på i næste afsnit.

 

Tredje udfordring: Udnyttelse af rummets resurser

Rumfartens fremtid afhænger ikke alene af, om vi kan bringe prisen for en opsendelse ned til under 10% af, hvad den er i dag, og om der kan bygges hurtige rumskibe. Det helt grundlæggende problem er, at rumfarten kun vil overleve, hvis der er et formål med at rejse ud i rummet. Her skal der skelnes mellem videnskabelig og kommerciel rumfart.

Den videnskabelige rumfart har jo alene til formål at indsamle viden. Det kræver ikke den store infrastruktur i rummet at opsende rumsonder eller nogle få ekspeditioner, hvor astronauterne kun skal opholde sig i kort tid på Månen, Mars eller en asteroide. Det kan gøres, men skaber ikke megen rumfart med måske en enkelt bemandet ekspedition med flere års mellemrum.

Den kommercielle rumfart skal kunne levere en vare, som enten privatpersoner, virksomheder eller stater vil købe. I næste kapitel vil vi se på rumturismen, hvor markedet jo er enkeltpersoner. Først vil vi se på to andre sider af den kommercielle rumfart, nemlig minedrift og brændstof.

 

Man skal være klar over, hvad man kan hente på en asteroide

Hele to virksomheder, Planetary Resources og Deep Space Industries, har bekendtgjort, at de vil forsøge at skabe et nyt mineeventyr ude i rummet, baseret på de såkaldte nærjordsasteroider.

Begge virksomheder har nogle meget velhavende investorer, og de har udarbejdet omhyggelige planer for, hvordan de vil gå frem. Deres planer minder om hinanden, fordi det er det samme marked, de søger at ramme.

Det første, man skal være klar over, er, hvad vi kan hente på en asteroide, som vi ikke meget lettere kan hente her på Jorden. Der er to oplagte markeder:

 

  • Brændstof og byggematerialer til brug ude i rummet
  • Sjældne metaller til brug på Jorden.

 

Brændstof og byggematerialer

Sandsynligvis indeholder mange asteroider vand, enten i form af is eller vand, der er kemisk bundet i de mineraler, som findes på asteroiden. Dette vand kan ved hjælp af solenergi spaltes i ilt og brint – det mest effektive kemiske brændstof, der kendes.

Vi har naturligvis masser af vand her på Jorden, men billedligt talt ligger Jordens vand på bunden af en brønd. For at få vandet ud i rummet, hvor der er brug for brændstoffet, skal det sendes i bane om Jorden, og det koster jo et ΔV på 7,8 km/sek. – hvad der betyder en dyr opsendelse. Så er det meget lettere at hente isen fra en asteroide og bringe den til et brændstofdepot i bane om Jorden.

Brændstofdepoter i bane om Jorden vil helt kunne ændre rumfarten. I stedet for atomdrevne raketter eller ionraketter kunne man bare tanke op og fylde nogle enorme tanke med ilt og brint. Det kan gøre de kemiske raketter mere end konkurrencedygtige til hurtige rejser til Mars.

Økonomien i minedrift fra rummet afhænger af, hvor meget energi det kræver at sende mineraler tilbage til Jorden. Grafikken viser den nødvendige ΔV for at sende materialer til Jorden enten fra Månen, fra de to marsmåner Phobos og Deimos eller fra en jordnær asteroide. Især de jordnære asteroider udmærker sig ved meget lav ΔV, som nedsætter brændstofforbruget.

Men som altid er problemet startinvesteringerne. Is fra asteroider kan antagelig godt udvindes af robotrumskibe alene, men selv de mest velhavende investorer vil næppe gå i gang, før de har nogle meget klare aftaler og kontrakter med NASA, ESA eller andre, som kunne være interesserede.

 

Almindelige stoffer kan vise sig rentable

På længere sigt er der også en mulighed for, at så almindelige stoffer som silicium, aluminium og jern kan vise sig rentable. Også her findes markedet ude i rummet, og en af de muligheder, man taler meget om, er at bygge energisatellitter, der opfanger sollyset ude i rummet på kilometerstore solcelleanlæg.

Solenergien omdannes til mikrobølger, der uanset vejret kan sendes ned til Jorden og i særlige modtageanlæg omdannes til almindelig elektrisk strøm.

Især japanerne er interesserede i denne idé. Der er ingen uovervindelige tekniske problemer, og hvis man kan hente byggematerialerne til satellitterne ude i rummet, kan det ligefrem være, at energisatellitter kan blive økonomisk rentable.

 

Metaller

Naturligvis er det ikke alle metaller, det kan betale sig at hente ude i rummet. En undtagelse kunne være de såkaldte platinmetaller, der har mange meget vigtige industrielle anvendelser, men er yderst sjældne her på Jorden.

De bruges især til katalysatorer, og de er afgørende for, om vi kan omstille os til en brintøkonomi med brug af bl.a. brændstofceller til elbiler. Det kan også nævnes, at platin, rhodium og palladium bruges til at rense bilers udstødning.

Herunder er en oversigt over metallerne og deres anvendelse:

 

MetalAnvendelseProduktion/år
Platin Katalysatorer, harddiske 30 ton/år
Palladium Katalysatorer, tændrør 24 ton/år
Iridium Fladskærme, tændrør mv. 3 ton/år
Rhodium Katalysatorer 10 ton/år
Osmium Elektriske kontakter, instrumenter 1 ton/år
Ruthenium Elektriske kontakter, instrumenter 15 ton/år

De platinmetaller, Jorden er født med, er stort set sunket dybt ned mod Jordens kerne. De sparsomme mængder af platinmetaller, vi udnytter, stammer fra asteroidenedslag. Således får vi platinmetaller fra det gamle Sudbury-krater i Canada og fra Vredefort-krateret i Sydafrika. Platinmetaller er ret sikkert let tilgængelige på de små asteroider, der ikke har været udsat for den lagdeling, som Jorden har gennemgået. De kan smeltes ud ved brug af solenergi.

Men selv om markedet skulle være til stede, er det igen begrebet ΔV, der dikterer både muligheder og priser. Der er to udfordringer:

 

  • At komme ud til asteroiden
  • At bringe varerne tilbage.

 

Projektet falder sammen, hvis robotterne ikke kan klare opgaven

At komme ud til asteroiden er det vanskeligste. Men det er så heldigt, at der blandt de mange små nærjordsasteroider er nogle, man kan nå med et lavere ΔV, end det kræver at lande på Månen. Det betyder ikke, at det er let, for ΔV er selv for disse asteroider oppe på 12-13 km/sek. for en opsendelse her fra Jorden.

Første skridt bliver at opsende nogle små rumsonder, der er udstyret med mindre teleskoper, og som fra en bane om Jorden udvælger de mest lovende asteroider. Disse asteroider vil så få besøg af andre rumsonder, der – måske fra en bane om asteroiden – vil nærstudere deres opbygning. Først i tredje omgang kommer de robotter, som skal tage sig af minedriften.

Grundtanken er, at det med moderne teknologi kun er nødvendigt at opsende mindre robotter for at få gang i mineindustrien. Hele projektet falder dog sammen, hvis ikke robotter kan klare opgaverne. Det bliver alt for dyrt og helt urealistisk at sende minearbejdere ud i rummet.

 

Et spejl forvandler isen til damp

Det er meget lettere at bringe varerne tilbage til kunden, især da der ikke er behov for at vælge en meget hurtig rute. Asteroiderne er små og har næsten ingen tyngdekraft, så det er meget let at sende noget bort fra en asteroide. Derefter skal kursen sættes mod Jorden, og det kræver heller ikke den store ΔV, måske en kilometer i sekundet.

Hvis nu asteroiden indeholder is, kan det klares med noget så simpelt som en dampraket. En robot indsamler is fra asteroiden og anbringer det i raketten. Ideen er nu at bruge noget af isen som brændstof.

Når raketten starter fra asteroiden, sker det ved at rette et stort solspejl mod isen. Isen forvandles nu til damp, der ledes ud gennem en dyse. Ikke spor effektivt – men hvad gør det? Isen er jo gratis og dampraketten yderst simpel.

Problemet er noget større ved ankomsten til Jorden. Hvis lasten er metaller til brug her på Jorden, kan opgaven løses ved at sende lasten ned gennem atmosfæren udstyret med et varmeskjold. Det er en lidt større udfordring at sende noget fra en asteroide til en rumstation.

 

De store visioner kan rent teknisk godt blive til virkelighed

Det kræver nemlig, at lasten af is kan bremses ned, idet isen vil ankomme til Jorden med en fart på over 40.000 km i timen, mens rumstationen bevæger sig med bare 28.000 km i timen. Det betyder en opbremsning på 12.000 km i timen eller over 3 km/sek. 

Denne opbremsning kan ske med den teknik, der kaldes for aerobraking. Det betyder, at man ikke flyver direkte fra asteroiden til en rumstation, men i stedet sender sin last ned i den øvre atmosfære, godt beskyttet af et varmeskjold.

Når lasten ankommer til området omkring Jorden, bevæger den sig mange tusinde kilometer i timen hurtigere end rumstationen, men en tur gennem den øvre atmosfære kan sænke hastigheden så meget, at det bliver muligt at koble sig til rumstationen.

Det er store visioner, som rent teknisk godt kan blive til virkelighed. Det store problem er, at der i rumfarten er ret langt fra investering til udbytte. Den barriere er endnu ikke overvundet, selv om SpaceX giver grund til en vis optimisme.

Det eneste sikre er, at uden en vis kommerciel udnyttelse af rummets resurser får vi ikke nogen rumfart af betydning. 

Tyngdebrønden

En måde at anskue rumfartens fysik på er tyngdebrønden. Det er en brønd, hvis dybde svarer til den energi, der skal til for at sende et rumskib helt bort fra en planet. I rumfarten er energikravet nemlig vigtigere end de afstande, et rumskib skal tilbagelægge. Jorden er en stor planet med en stærk tyngdekraft.

Derfor er tyngebrønden dyb, da det kræver meget energi at slippe bort fra Jorden. Men Jordens tyngdebrønd viser også noget andet: En satellit i en lav bane om Jorden (LEO eller Low Earth Orbit) er måske ikke så højt oppe, men den har en pæn portion af den energi, der skal til for at slippe væk fra Jorden. I virkeligheden har den allerede 60% af den nødvendige energi, så ser vi alene på energier, er rumstationen ISS mere end halvvejs til Mars. 

Månen med sin lave tyngdekraft på 1/6 af Jordens har ikke så dyb en brønd, da det ikke kræver så meget energi at sende et rumskib bort fra Månen. Det er en fordel, hvis man en dag vil eksportere mineraler eller andet fra Månen. Asteroiderne har næsten ingen tyngdekraft og derfor næsten ingen brønd. Måske er små asteroider ikke så lette at lande på, men de er billige at eksportere materialer fra.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Ugens videnskabsbillede