Reis naar Mars in 45 dagen met nieuwe turbomotoren
Willen we Mars koloniseren en het hele zonnestelsel verkennen, dan hebben we veel krachtigere raketten nodig dan nu. Maar NASA maakt nieuwe motoren die de reistijden in de ruimte minimaliseren met kernenergie en lasers.
Een raket stijgt op.
Het lijkt op een lancering die we al eerder hebben gezien, maar zodra het ruimtevaartuig in de neus van de raket loskomt, gebeurt er iets revolutionairs: een kernreactor splitst atomen en de energieontlading versnelt het ruimtevaartuig richting Mars.
Vroeger duurde het 210 dagen om de rode planeet te bereiken, maar nu is de reis in slechts 100 dagen gepiept.
Dat is het plan voor de eerste vlucht van een nieuw kernruimtevaartuig, die in 2027 zal plaatsvinden.
En dat is nog maar het begin.
Als het aan NASA ligt, kunnen we de reistijden in het zonnestelsel nog verder verkorten.
Daarom investeert de organisatie in drie motoren die ruimtevaartuigen tot ongekende snelheden kunnen opjagen.
Zo kunnen we in slechts 45 dagen naar Mars. Terwijl de sonde Voyager 1 er 35 jaar over deed om als eerste vaartuig de rand van het zonnestelsel te bereiken, kost het de nieuwe motoren maar een paar jaar.
Kortom, we krijgen voldoende motorvermogen om het hele zonnestelsel te veroveren. We hoeven alleen atomen te splijten – met een precieze laser.
De reistijd is te lang
Een ruimteschip kan maar zo hard als zijn brandstof toelaat. De vloeibare brandstof van nu is zwaar om mee te nemen op een missie en kan een ruimteschip maar even versnellen – daarna is het al op.
Daardoor is een reis naar Mars alleen om de circa 26 maanden te doen, wanneer de banen van de twee planeten het dichtst bij elkaar liggen.
Als je ook de snelste route naar huis wilt nemen, moet je 496 dagen op de rode planeet verblijven.
En dat is nog maar onze buurplaneet. Om verder het zonnestelsel in te komen, hebben we tientallen jaren nodig.
Kortom, we zoeken motoren die ons ruimteschip meer snelheid kunnen geven.
Schildpad haalt de haas in
Een traditionele raket vuurt in één keer een grote dosis brandstof af en moet de motor na een paar minuten uitschakelen.
Een kernraket versnelt langzamer, maar kan deze versnelling veel langer volhouden en hogere snelheden bereiken.
Samen met de ontwikkelingsafdeling van het Amerikaanse leger ontwikkelt NASA de raket DRACO, die Mars bereikt met behulp van kernenergie – in 100 dagen, waar dat nu 210 dagen duurt.
De twee bekende kerntechnologieën voor ruimtevaartuigen werken op basis van waterstof en ionen.
In een door kernenergie aangedreven waterstofmotor wordt de energie van de atoomsplijting gebruikt om waterstofgas te verhitten, dat uit een straalpijp wordt geblazen om voortstuwing te creëren.
In een ionenmotor wekt de reactor van de raket elektriciteit op, die gebruikt wordt om elektronen los te rukken van de atomen in xenongas. De positief geladen atoomkernen vliegen weg door de uitlaat.
NASA werkt nu aan de DRACO-raket, die de twee motortypen combineert, en volgens berekeningen zal deze raket Mars in 100 dagen kunnen bereiken – wat ruim twee keer zo snel is als nu.
5 keer zo snel kunnen we naar Mars met een nieuwe raketmotor die NASA net heeft bekostigd.
Maar de ambities gaan nog verder met twee gloednieuwe nucleaire motoren.
Gespleten atomen veroveren het zonnestelsel
Het NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts Program) selecteert de ruimtevaarttechnologieën die ons het grootste potentieel voor de toekomst laten zien.
In de laatste selectieronde zijn drie nieuwe ruimtemotoren gefinancierd.
De eerste is ontworpen door Ryan Gosse van de universiteit van Florida. De kernmotor combineert – net als DRACO –de waterstof- en ionentechnologie.
Maar Gosse rustte het waterstofdeel van de motor uit met een zogeheten golfrotor. Deze rotor wordt aangedreven door de druk van het waterstofgas dat de motor binnenkomt, en het koppel wordt gebruikt om het gas dat uit de uitlaat komt, nog verder te versnellen.
Volgens Gosse kan een vaartuig met zijn rotorontwerp in 45 dagen op Mars zijn: vijf keer zo snel als nu.
De tweede kernmotor waar NASA geld in steekt, slaat een stap over, vergeleken met waterstof- en ionenmotoren.
Wanneer een groot atoom in de kernreactor van de motor zich splitst in twee kleinere atomen, worden de twee kleinere atoomkernen direct door de uitlaat van de raket uitgestoten – de energie wordt dus niet gebruikt om een gas te verhitten of ionen uit atomen los te rukken.
De uitdaging bij dit type motor is om de kernbrandstof, zoals plutonium-239, op te slaan. De bedenker hiervan, Ryan Weed, sloeg de brandstof op in zogeheten aerogel, die voor 99 procent uit leegte bestaat en daarom een groot opslagvolume heeft in verhouding tot zijn omvang.
Nieuwe motoren verkorten reistijden
Tegenwoordig zijn we jaren kwijt met een ruimtereis. Maar nu kunnen drie nieuwe motortypen een ruimtevaartuig veel meer snelheid geven en ons binnen afzienbare tijd naar de rand van het zonnestelsel brengen.
1. Marsbasis komt dichterbij
Met een nieuwe raketmotor op basis van kernenergie en een zogeheten golfrotor kunnen we de reistijd naar Mars terugbrengen van 210 naar 45 dagen. De motor kan de vestiging van een basis op Mars flink versnellen.
2. Kernmotor maakt zonnetelescoop mogelijk
De zwaartekracht van de zon kan het licht van exoplaneten focussen als een lens, maar om het licht op te vangen moet een ruimtetelescoop 82 miljard km vliegen. Dit zou 100 jaar duren, maar een kernmotor brengt de reistijd terug tot 15 jaar.
3. Voertuig naar andere zonnestelsels gepusht
Een vaartuig dat wordt voortgestuwd door atoomklompjes kan tien keer zo ver komen als de Voyagersondes – binnen een paar decennia. Daar kan het vaartuig gegevens verzamelen en een missie voorbereiden naar de buurster Proxima Centauri.
Weeds kernraket kan mogelijk wel 200 keer zo snel vliegen als raketten van nu.
Daarom kan hij Neptunus bereiken in slechts één jaar (een reis die momenteel tientallen jaren duurt), waardoor het hele zonnestelsel toegankelijk wordt voor de bemande ruimtevaart.
Telescoop kan verre planeten vinden
Als de revolutionaire motoren realiteit worden, kunnen ze een van de grootste wensen van astronomen verwezenlijken: de ultieme ruimtetelescoop, die de zon als lens gebruikt om detailbeelden van verre exoplaneten te maken.
De ruimtetelescoop werkt als een vergrootglas, waarbij een bolle lens het licht buigt en het beeld vergroot.
Zo’n telescoop maakt gebruik van het feit dat de enorme massa van de zon de ruimte rond de ster kromt, zodat het licht van een buurplaneet rond de zon trekt en er een ring van licht omheen vormt. De telescoop zet de lichtring dan om in een beeld dat bergen, rivieren en oceanen laat zien op planeten tot 100 lichtjaar afstand.
Een telescoop buiten het zonnestelsel kan de zon als lens gebruiken, omdat haar massa de ruimte kromt en versterkt licht doorlaat van exoplaneten die op de aarde kunnen lijken.
De telescoop moet het zonnestelsel helemaal verlaten – tot minstens 550 keer de afstand tussen de aarde en de zon – om de lichtring te kunnen zien.
Met huidige raketten zou de reis zeker een eeuw duren. Maar met de kernmotor, die de gespleten atomen met aerogel uit de uitlaat stoot, zou de reis in slechts 15 jaar voltooid kunnen worden.
Lasers sturen ons naar andere stelsels
Kernmotoren zijn er al, maar NASA heeft ook geïnvesteerd in de ontwikkeling van iets heel nieuws: voortstuwing die niet afkomstig is van het ruimteschip zelf.
Artur Davoyan van de universiteit van Californië heeft een concept ontwikkeld waarbij een ruimtevaartuig gelanceerd wordt en een doelschijf erachteraan gaat. Dan worden er vanaf de aarde sterke laserpulsen op de schijf afgevuurd.
200 keer zo veel als een gewone raketmotor – zo sterk kan een nieuwe kernmotor een ruimteschip versnellen.
Elke puls rukt kleine klompjes atomen van het oppervlak van de schijf los. Deze klompjes van deeltjes schieten weg in dezelfde richting als de laserpulsen en raken de achterkant van het ruimteschip.
Al die duwtjes versnellen het zo sterk, dat het ruimteschip in 15 jaar de positie van een zonnetelescoop kan bereiken, net als de kernraket van Ryan Weed.
Maar de laservoortstuwing heeft het potentieel voor nog langere missies: naar de rand van het zonnestelsel en verder.
Drie motoren kunnen de ruimtevaart omgooien
1. Kernraket met rotor verhoogt snelheid
Een kernreactor produceert energie die een stroom van ionen en waterstof creëert. De waterstof passeert een golfrotor, die het gas via de uitlaat verder versnelt. Daarmee gaat de raket vier keer zo snel als met een traditionele raketmotor.
2. Kernsplijting creëert versnelling
Kernbrandstof als plutonium-239 wordt opgeslagen in aerogel, dat bijna volledig uit holtes bestaat. De atomen worden gesplitst en door een supergeleidende magneet via een straalpijp uitgestoten. De versnelling is 200 keer zo groot als met een gewone raket.
3. Laser raakt schip met kogels
Laserstralen vanaf de aarde raken een schijf in de ruimte. Atoomklompjes komen van de schijf los en beuken tegen de achterkant van een ruimteschip, dat versnelt tot 500.000 km/h. De Apollo 11-bemanning vloog met ‘slechts’ ongeveer 40.000 km/h.
Davoyan zelf denkt aan een zogeheten interstellaire precursormissie, die de ruimte aan de rand van het zonnestelsel – en daarbuiten – in kaart moet brengen.
Zo’n missie is een voorbereiding op missies die bijvoorbeeld helemaal naar onze buurster Proxima Centauri gaan, en tekenen van leven moeten zoeken op de planeten van de ster.
De drie nieuwe technologieën staan nog in de kinderschoenen, maar als ze straks in ruimteschepen geïnstalleerd worden, kunnen we niet alleen Mars en het hele zonnestelsel veroveren, maar ook dromen van andere zonnestelsels.