US Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) har nyligen gett tre privata företag i uppdrag, Blå ursprung, Lockheed Martin och General Atomics, att utveckla termiska kärnklyvningsraketer för användning i månens omloppsbana.

En sådan utveckling, om man flyger, skulle kunna inleda en ny era av rymdfärd. Som sagt, det är bara en av flera spännande vägar inom raketframdrivning. Här är några andra.

Kemiska raketer

Standarden för framdrivning av rymdfarkoster använder kemiska raketer. Det finns två huvudtyper:fast bränsle (som de fasta raketboosters på rymdfärjan), och vätskebränsle (som Saturnus V).

I båda fallen, en kemisk reaktion används för att producera en mycket varm, högtrycksgas inuti en förbränningskammare. Motormunstycket ger det enda utloppet för denna gas som följaktligen expanderar ur den, ger dragkraft.

Den kemiska reaktionen kräver ett bränsle, såsom flytande väte eller pulveriserat aluminium, och ett oxidationsmedel (ett medel som producerar kemiska reaktioner) såsom syre. Det finns många andra variabler som i slutändan också bestämmer effektiviteten hos en raketmotor, och forskare och ingenjörer är alltid ute efter att få ut mer dragkraft och bränsleeffektivitet ur en given design.

Nyligen, Det privata företaget SpaceX har genomfört testflygningar av deras Starship launcher prototyp. Detta fordon använder en "full-flow staged combustion (FFSC) motor, " Raptorn, som bränner metan för bränsle och syre för oxidationsmedel. Sådana mönster testades av ryssarna på 1960-talet och den amerikanska regeringen på 2000-talet, men ännu har ingen flugit i rymden. Motorerna är mycket mer bränsleeffektiva och kan generera ett mycket högre dragkraft-till-vikt-förhållande än traditionella konstruktioner.

Fission termiska raketer

En atoms kärna består av subatomära partiklar som kallas protoner och neutroner. Dessa bestämmer massan av ett grundämne - ju fler protoner och neutroner, desto tyngre är det. Vissa atomkärnor är instabila och kan delas upp i flera mindre kärnor när de bombarderas med neutroner. Detta är processen för kärnklyvning, och det kan frigöra en enorm mängd energi. När kärnorna förfaller, de frigör också fler neutroner som fortsätter att spricka fler atomer – vilket ger en kedjereaktion.

I en termisk kärnklyvningsraket, en drivgas, som väte, värms upp genom kärnklyvning till höga temperaturer, skapar en högtrycksgas i reaktorkammaren. Som med kemiska raketer, detta kan bara komma ut via raketmunstycket, återigen producerar dragkraft. Kärnklyvningsraketer är inte tänkta att producera den typ av dragkraft som krävs för att lyfta stora nyttolaster från jordens yta ut i rymden. Men en gång i rymden, de är mycket effektivare än kemiska raketer - för en given massa drivmedel, de kan accelerera en rymdfarkost till mycket högre hastigheter.

Kärnklyvningsraketer har aldrig flugits i rymden, men de har testats på marken. De borde kunna förkorta flygtiderna mellan jorden och Mars från cirka sju månader till cirka tre månader för framtida besättningsuppdrag. Uppenbara nackdelar, dock, inbegripa produktion av radioaktivt avfall, och möjligheten till ett uppskjutningsfel som kan leda till att radioaktivt material sprids över ett stort område.

En stor teknisk utmaning är att miniatyrisera en reaktor tillräckligt så att den passar på en rymdfarkost. Det finns redan en växande industri inom produktion av kompakta fissionsreaktorer, inklusive utvecklingen av en fissionsreaktor som är mindre än en vuxen människa.

Elektrisk framdrivning

En stapelvara i science fiction, verkliga jondrifter genererar laddade partiklar (jonisering), accelerera dem med hjälp av elektriska fält och sedan avfyra dem från en propeller. Drivmedlet är en gas som xenon, ett ganska tungt element som lätt kan laddas elektriskt.

När de laddade xenonatomerna accelererar ut ur thrustern, de överför en mycket liten mängd rörelsemängd (produkten av massa och hastighet) till rymdfarkosten, ger mjuk dragkraft. Även om det är långsamt, jondrifter är bland de mest bränslesnåla av alla framdrivningsmetoder för rymdfarkoster, så skulle kunna ta oss längre. Jondrivningar används vanligtvis för attitydkontroll (för att ändra vilken riktning ett rymdskepp är vänd mot) och har övervägts för att ta bort gamla satelliter.

Nuvarande jonmotorer drivs av solceller, effektivt gör dem soldrivna, och kräver väldigt lite drivmedel. De har använts på Esas SMART-1-uppdrag till månen och Bepi-Colombo-uppdraget på väg till Merkurius. Nasa utvecklar för närvarande ett högeffekts elektriskt framdrivningssystem för Lunar Gateway, en utpost som kommer att kretsa kring månen.

Solsegel

Även om framdrivning vanligtvis kräver drivmedel av någon beskrivning, en mer "grön" metod som endast förlitar sig på ljus från själva solen.

Segel förlitar sig på den fysiska egenskapen att bevara fart. På jorden, vi är vana vid att se detta momentum som ett dynamiskt tryck från luftpartiklar som blåser in i ett ark när man seglar, driva ett fartyg framåt. Ljus består av fotoner, som inte har någon massa, men de har fart och kan överföra det till ett segel. Eftersom energierna hos enskilda fotoner är mycket små, en extremt stor segelstorlek behövs för varje märkbar acceleration.

Hastighetsökningen kommer också att bero på hur långt från solen du är. På jorden, effekten från solljus är cirka 1,3 kW per kvadratmeter. Om vi ​​hade ett segel lika stort som en fotbollsplan, detta skulle motsvara 9,3 MW, ger en mycket låg acceleration, även till ett föremål med låg massa.

Solsegel har testats av den japanska rymdfarkosten IKAROS som framgångsrikt flög av Venus, och Planetary Society Lightsail-2, som för närvarande är i omloppsbana runt jorden.

Ett sätt att förbättra effektiviteten och minska segelstorleken är att använda en laser för att driva rymdfarkosten framåt. Lasrar producerar mycket intensiva strålar av fotoner som kan riktas mot ett segel för att ge mycket högre acceleration, men skulle behöva byggas i jordens omloppsbana för att undvika förlust av intensitet i atmosfären. Lasrar har också föreslagits som ett sätt att ta bort rymdskräp – ljuset från lasern kan bromsa en bit av orbitalt skräp, som sedan skulle falla ur omloppsbanan och brinna upp i atmosfären.

Utvecklingen av kärnklyvningsraketer kan upphetsa vissa och bekymra andra. Dock, i takt med att privata företag och nationella rymdorganisationer i allt högre grad engagerar sig för en varaktig mänsklig närvaro i rymden, dessa alternativa framdrivningssätt kommer att bli mer mainstream och har potential att revolutionera vår begynnande rymdfarande civilisation.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.