Framtiden för rymdutforskning inkluderar några ganska ambitiösa planer på att skicka uppdrag längre från jorden än någonsin tidigare. Utöver de nuvarande förslagen för att bygga infrastruktur i cis-månrymden och skicka vanliga besättningsuppdrag till månen och Mars, finns det också planer på att skicka robotuppdrag till det yttre solsystemet, till brännvidden av vår sols gravitationslins, och till och med till de närmaste stjärnorna för att utforska exoplaneter. För att uppnå dessa mål krävs nästa generations framdrivning som kan möjliggöra hög dragkraft och konsekvent acceleration.
Fokuserade arrayer av lasrar – eller riktad energi (DE) – och ljussegel är ett sätt som undersöks flitigt – som Breakthrough Starshot och Swarming Proxima Centauri. Utöver dessa förslag har ett team från McGill University i Montreal föreslagit en ny typ av riktat energiframdrivningssystem för att utforska solsystemet. I en nyligen publicerad artikel delade teamet de tidiga resultaten av deras laser-termiska framdrivningsanläggning (LTP), vilket tyder på att tekniken har potential att ge både hög dragkraft och specifik impuls för interstellära uppdrag.
Forskargruppen leddes av Gabriel R. Dube, en undergraduate Research Trainee med McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG), och docent Andrew Higgins, chefsutredare för IFERG. De fick sällskap av Emmanuel Duplay, en forskare från Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, en sommarforskare på IFERG; och Jason Loiseau, en docent vid Royal Military College of Canada.
Teamet presenterade sina resultat vid 2024 AIAA Science and Technology Forum and Exposition och i en artikel som dök upp i AIAA SCITECH 2024 Forum .
Higgins och hans kollegor föreslog ursprungligen detta koncept i en tidning från 2022 som publicerades i Acta Astronautica med titeln "Design av ett uppdrag för snabb transitering till Mars med hjälp av lasertermisk framdrivning."
Som Universe Today rapporterade då, var LTP inspirerad av interstellära koncept som Starshot och Project Dragonfly. Higgins och hans medarbetare från McGill var dock intresserade av hur samma teknik kunde möjliggöra snabba transituppdrag till Mars på bara 45 dagar och genom hela solsystemet. Denna metod, menade de, skulle också kunna validera den involverade tekniken och fungera som ett språngbräda mot interstellära uppdrag.
Som Higgins berättade för Universe Today via e-post, kom konceptet till dem under pandemin när de inte kunde komma in i sitt labb:
"[M]y elever gjorde en detaljerad konceptuell studie av hur vi kunde använda den typ av stora laseruppsättningar som vi tänkt oss för genombrottet Starshot för ett mer kortsiktigt uppdrag i solsystemet. Istället för 10 km i diameter, 100- GW-laser tänkt för Breakthrough Starshot, vi begränsade oss till en 10-m-diameter, 100-MW-laser och visade att den skulle kunna leverera kraft till ett rymdskepp ut till nästan månens avstånd genom att värma upp vätgas till 10 000 s av K, möjliggör lasern den "heliga gralen" med hög dragkraft och hög specifik impuls."
Konceptet liknar nukleär termisk framdrivning (NTP), som NASA och DARPA för närvarande utvecklar för snabba transituppdrag till Mars. I ett NTP-system genererar en kärnreaktor värme som får väte eller deuterium att expandera, som sedan fokuseras genom munstycken för att generera dragkraft.
I det här fallet fokuseras fasade arraylasrar in i en vätgasuppvärmningskammare, som sedan utmatas genom ett munstycke för att realisera specifika impulser på 3 000 sekunder. Sedan Higgins och hans elever återvände till labbet, sa han, har de försökt att experimentellt verifiera sin idé:
"Självklart har vi inte en 100 MW-laser på McGill, men vi har nu en 3-kilowatt-laseruppställning i labbet (vilket är skrämmande nog) och studerar hur lasern skulle koppla sin energi till ett drivmedel ( så småningom väte, men för närvarande argon bara för att det är lättare att jonisera).
Higgins och hans team konstruerade en apparat som innehöll 5 till 20 bar statisk argongas från sina tester. Medan det slutliga konceptet kommer att använda vätgas som drivmedel, använde de argongas för testet eftersom det är lättare att jonisera. De avfyrade sedan 3-kW-lasern i pulser med en frekvens på 1 070 nanometer (motsvarande den nära-infraröda våglängden) för att bestämma den tröskeleffekt som krävs för Laser-Sustained Plasma (LSP). Deras resultat indikerade att cirka 80 % av laserenergin avsattes i plasman, vilket överensstämmer med tidigare studier.
Tryck- och spektraldata som de förvärvade avslöjade också den maximala LSP-temperaturen med arbetsgasen, även om de betonar att ytterligare forskning behövs för avgörande resultat. De betonade också att en dedikerad apparat behövs för att utföra forcerat flöde och andra LSP-tester. Slutligen planerar teamet att utföra dragkraftsmätningar senare i år för att mäta hur mycket acceleration (delta-v) och specifik impuls (Isp) ett laser-termiskt framdrivningssystem kan leverera för framtida uppdrag till Mars och andra planeter i solsystemet.
Om tekniken är upp till uppgiften, kan vi titta på ett system som kan leverera astronauter till Mars på veckor snarare än månader. Andra koncept som valts ut för NIAC i år inkluderar tester för att utvärdera vilolägessystem för långvariga uppdrag i mikrogravitation. Ensamma eller i kombination kan dessa tekniker möjliggöra snabbtransituppdrag som kräver mindre last och förnödenheter och minimera astronautexponering för mikrogravitation och strålning.
Mer information: Gabriel R. Dubé et al, Laser-Sustained Plasma for Deep Space Propulsion:Initial LTP Thruster Results, AIAA SCITECH 2024 Forum (2024). DOI:10.2514/6.2024-2029
Tillhandahålls av Universe Today
