Laserfremdrift kan tilfredsstille romfartøyets behov for hastighet

Det er mange fantastiske steder vi ønsker å besøke i universet, og sannsynligvis utallige flere som vi ikke engang har sett eller hørt om ennå. Dessverre … de er alle så forbannet langt unna. En tur til Mars i beste fall tar rundt seks måneder med dagens teknologi, men hvis du ønsker å besøke Alpha Centauri, er det hele fire lysår unna!

Når det gjelder å krysse disse store avstandene, kutter ikke konvensjonell kjemisk rakettteknologi rett og slett sennep. Som det imidlertid viser seg, kan lasere holde nøkkelen til å redusere reisetiden i verdensrommet!

45 dager til Mars på laseren

Termisk laserfremdrift er et relativt enkelt konsept, og kan få romfartøyet vårt til å reise vårt himmelske nabolag raskere enn noen gang. En kraftig laserstråle avfyrt fra jorden retter seg mot en stor varmeveksler ombord på fartøyet, som pumpes et drivmiddel gjennom. Når det oppvarmede drivstoffet utvider seg, blir det til slutt tømt ut av en dyse på omtrent samme måte som i en tradisjonell rakett. Det ligner også på konseptet med kjernefysisk termisk fremdrift, men i stedet for å bruke varme fra en kjernefysisk reaksjon, er den avhengig av eksternt tilført laserenergi.

En fersk artikkel foreslår at et slikt fremdriftssystem kan kjøre på en spesifikk impuls på rundt 3000 sekunder. Dette er i hovedsak et mål på hvor mye skyvekraft en motor utvikler per masse drivstoff. Ved 3000 sekunder kan et termisk laserfremdriftssystem sies å være minst 12 ganger så drivstoffeffektivt i skyvetermer som de solide rakettforsterkerne (SRB-ene) på romfergen.

En gjengivelse av et termisk laserfremdriftsromfartøy. Legg merke til den store reflektoren og rakettdysen bak. Kreditt: Duplay, 2022, CC BY 4.0

Dette gjør at en termisk laserfremdrift kan oppnå langt større endringer i hastighet med mindre drivstoff, noe som gir et romoppdrag muligheten til å sende nyttelast lenger og raskere. Beregninger viser at med en idealisert oppdragsplan kan en nyttelast på rundt 1000 kg sendes til Mars på bare 45 dager, langt raskere enn de vanlige 6-7 månedene som er mulig i typiske oppdrag med kjemisk drivstoff.

Et konseptuelt lasertermisk fremdriftsoppdrag til Mars. Kreditt: Duplay, 2022, CC BY 4.0

Teknologien som er involvert er kompleks, som du forventer. Et stort laserarray med effekt i størrelsesorden 100 MW ville være nødvendig for oppdraget. Selve romfartøyet ville bli skutt ut av atmosfæren på en konvensjonell kjemisk rakett, hvorpå det ville separere og avsløre en stor oppblåsbar parabolsk reflektor. Den bakkebaserte laseren ville deretter fyre i opptil en time, ved å bruke adaptiv optikk for å motvirke effekten av jordens atmosfære på strålen. Den parabolske reflektoren på romfartøyet ville deretter fokusere energien til et kammer for å varme opp hydrogendrivstoff som ville bli drevet ut av en dyse med stor hastighet, og gi skyvekraft.

Hvis det er ønskelig, kan romfartøyet utformes for å frigjøre nyttelastkapselen på sin vei mot Mars, med den termiske laserfremdriftsenheten som skiller seg av og går tilbake til en stabil jordbane for påfylling. Dette har fordelen at selve fremdriftssystemet kan brukes flere ganger i rask rekkefølge for å løfte nyttelast langt utenfor jorden.

Et slikt system har én stor feil som skiller seg ut. Mens en laser på jorden brukes til å akselerere romfartøyet til stor hastighet, er det ingen tilsvarende laserarray på Mars som kan bremse fartøyet ved ankomst. Bruk av kjemisk fremdrift er heller ikke en praktisk måte å bremse farten på, da dette vil ta opp altfor mye av fartøyets nyttige nyttelast. Forskere har i stedet fastslått at en svært forsiktig flybremsing manøver i Mars atmosfære kan brukes til å bremse et ankommende fartøy. Det er imidlertid en delikat operasjon som må utføres feilfritt for å sikre suksess.

Samlet sett kan et slikt system lett utvikles på kort sikt. Selv om ingen har en 100 MW lasergruppe bare liggende, betyr moderne fiberoptiske laserteknologier at en slik kraftfigur ikke er utenfor mulighetenes rike. På samme måte vil det kreves mye arbeid for å lage et pålitelig termisk laserromfartøy og bakkesystem som er i stand til å sende nyttelast i nyttige retninger i rommet som ikke bare er begrenset av de relative posisjonene til romfartøy og bakkelaser.

Ride The Laser To The Stars

Hvis du vil gå så langt som til vår nærmeste stjerne, Alpha Centauri, må du reise enda raskere. Selv med lysets hastighet ville det ta fire år å komme dit. En sonde som har til hensikt å reise så langt, vil derfor ønske å gå så nær den hastigheten som mulig for å komme dit innen rimelig tid.

Laserseil kan bare holde svaret på dette problemet. De er avhengige av konseptet fotonstrålingstrykk, der lys som treffer en overflate faktisk skaper trykk og skyver det videre. De blir referert til som seil fordi konseptet er nøyaktig det samme som et seilskip fra århundrer tidligere. I stedet for klut og vind, erstatter et laserseil avanserte nanomaterialer og kraftig laserlys.

En kunstners oppfatning av laserseil-ideen. Et slikt fartøy kan potensielt bære en nyttelast i gramskala ved relativistiske hastigheter, opp til rundt 0,2c. Kreditt: Gjennombruddsinitiativer

Nyere forskning tyder på at et laserseil på noen få meters skala kan drive frem et gram-vekt fartøy med hastigheter opp til 0,2 ganger lysets hastighet. Dette vil gjøre det mulig å nå Alpha Centauri på rundt 20 år, i stedet for de titusenvis av årene det ville ta med konvensjonell rakett.

Konseptet vil kreve bruk av et seil laget av ekstremt tynne ark av materialer som aluminiumoksid, silisiumnitrid og molybdendisulfid. Seilet er tusenvis av ganger tynnere enn et papirark og må være sterkt nok til ikke å rives, og også være i stand til å spre varme for ikke å smelte fra kraften til laseren som driver det frem.

Avansert nano-mønster av seilet vil være nøkkelen til å nå dette målet. Tanken er å produsere et seil med høy reflektivitet for å maksimere akselerasjonen på grunn av fotonisk trykk, samtidig som den opprettholder høy termisk emissivitet for å holde seilet kjølig nok til ikke å smelte. Med en 100 GW lasergruppe skyte på seilet, det er ingen dum prestasjon. På samme måte som et konvensjonelt seil på et seilskip, ville materialet få lov til å bølge ut under trykket fra det innkommende lyset. Dette reduserer sjansen for rifter betraktelig.

I beste fall ville seilet bare kunne bære en liten nyttelast på noen få gram. Det er håpet at avanserte produksjonsmetoder kan skape en mikroprosessor, kameraer og kommunikasjonsmaskinvare for sonden som vil kunne kommunisere over store avstander mellom Alpha Centauri og Jorden.

Det er en dristig plan, og en som kan gjøre romforskning i stand til å takle emner lenger unna enn noen gang før. Imidlertid er utfordringene store. Kravet til enormt kraftige lasermatriser er utenfor våre nåværende muligheter, og problemet med materialer må fortsatt løses. Videre vil det ta fire år før enhver melding sendt fra en sonde ved Alpha Centauri kommer tilbake til jorden, så kommunikasjonsproblemer oppstår også.

Uansett, forskningen drevet så langt av Breakthrough Initiatives viser at laserseilkonsepter ikke nødvendigvis bare er en sak for science fiction. Med riktig investering og utvikling kan de vise seg å være en nyttig fremdriftsmetode for forskningsfartøy en dag i fremtiden.

Konklusjon

I motsetning til annen tilsynelatende sci-f-teknologi, som ion-thrustere, er disse laserfremdriftsmetodene fortsatt langt unna å bli brukt i ekte romoppdrag. Det er store utfordringer å overvinne, og det tåler også å spare en tanke for eventuelle fugler eller andre uheldige dyreliv som befinner seg i strålen til en megawatt- eller gigawatt-laser.

Men hvis vi skal åpne opp himmelen, vil det kreve mer enn vår eksisterende teknologi kan oppnå. Dermed disse prosjektene, eller kanskje andre fancy nye ideerkan en dag ta oss langt utover vårt eget solsystem.