Aero/Astro-ingenjören Ken Hara utvecklar datormodeller för att göra en lite känd, men mycket använd propellmotor mer lämpad för långdistansuppdrag.

När de flesta tänker på rymdresor, de föreställer sig raketer som den höga Saturnus V som skickade Apollo-astronauterna till månen.

Det mesta av den enorma raketen bestod av bränslet som den brände för att skjuta upp en liten, besättningsbärande rymdkapsel i omloppsbana. Där, fri från jordens gravitation, små skurar från bränslebrännande propeller styrde Apollo rymdkapseln till månen och tillbaka.

Sedan dess, forskare har utvecklat alternativa propelltekniker som inte förbränner tungt bränsle. Istället, dessa propeller joniserar stabila gaser som xenon och krypton, använda elektricitet från solceller för att ta bort elektronerna från gasatomerna för att skapa en ström av positivt laddade joner, kallas plasma. Rymdfarkosten trycker ut denna plasma från dess avgaser för att driva sig själv genom det viktlösa tomrummet.

Sådana thrusters, känd som elektriska framdrivningsmotorer, eller plasmapropeller, för närvarande aktivera hundratals GPS, militär- och kommunikationssatelliter gör små kurskorrigeringar och upprätthåller stabila banor. Men nu, forskare utvecklar en ny generation av jonpropeller som kan skicka rymdfarkoster på långdistansuppdrag genom hela solsystemet, som Deep Space 1-modulen som besökte asteroiden 9969 punktskrift och kometen Borrly, och rymdfarkosten Dawn som färdades till asteroidbältet mellan Mars och Jupiter.

"Plasmapropeller representerar framtiden för rymdutforskning, sa Ken Hara, en biträdande professor i flyg- och astronautik, som hjälper till att utveckla datormodeller för att göra jonmotorer mer kraftfulla, effektivt och användbart.

Hara säger att plasmapropellerna har ett antal fördelar jämfört med sina föregångare. Till att börja, de joniserade gaserna som används som drivmedel i plasmapropeller väger mindre än de bränslen som brändes av propellerna från Apollo-eran. Varje pund rymdfarkosten sparar genom att minska sin bränslebelastning innebär mer vikt för att bära en större vetenskaplig nyttolast. Dessutom, när en plasmadriven farkost väl är i rymden, den kan accelerera över tiden på ett sätt som bränsleförbrännande farkoster inte kan, i slutändan ger även dessa lätta motorer en hastighetsfördel.

Att förstå varför det är så involverar ett koncept som kallas avgashastighet - den hastighet med vilken ett drivmedel lämnar en motor. En traditionell bränsleförbrännande motor förbränner en enorm volym bränsle men med låg avgashastighet, en kombination som ger en enorm dragkraft. Tänk på en raket på avfyrningsrampen, rör sig långsamt till en början när den lyfts av en stor böljande av lågor, accelererar sedan när den enorma dragkraften som genereras bryter tyngdkraftens grepp och slungar raketen mot himlen.

Däremot en plasmamotor är designad för en annan miljö – driver en rymdfarkost som redan befinner sig i en miljö med låg eller ingen gravitation. Plasmamotorn gör detta genom att sända ut joniserade partiklar vid extremt höga avgashastigheter, men mycket låga volymer, framdrivning av rymdfarkosten med vad som kan liknas vid andnöd. I rymdens vakuum, med ingenting som minskar rymdfarkostens framåtgående momentum, dessa bloss av joniserad dragkraft gör att kärlet kan ta fart över tiden, går både snabbare och längre än bränsleförbrännande rymdfarkoster.

Hara, som nyligen hedrades av Electric Rocket Propulsion Society, skapar datormodeller för att hjälpa till att förbättra plasmapropeller ytterligare genom att utforska hur plasma kan uppnå snabbare och kraftfullare avgashastigheter. Att göra så, han behöver utveckla beräkningsmodeller som löser nya ekvationer och verifiera att de är korrekta under rigorös matematisk analys. Han måste sedan validera dessa resultat genom att jämföra sina matematiska förutsägelser med vad experimentella vetenskapsmän visar i verkliga plasmapropeller. "Är vi matematiskt sunda, och är våra modeller fysiskt korrekta?" frågar Hara retoriskt. "Det är där min sanning är."