Raketopsendelse

Ny raket æder sin egen krop under rumrejsen

Nu er det snart slut med store, tunge brændstoftanke på rumraketter. En ny type raket skaber i stedet fremdrift ved at fortære sit eget skrog undervejs. Det betyder lavere vægt, billigere raketopsendelser og mindre rumskrot.

Nu er det snart slut med store, tunge brændstoftanke på rumraketter. En ny type raket skaber i stedet fremdrift ved at fortære sit eget skrog undervejs. Det betyder lavere vægt, billigere raketopsendelser og mindre rumskrot.

Shutterstock

I en orange sky af glohed gas slipper raketten affyringsrampen. Motoren buldrer som et tordenskrald, mens raketten meter for meter overvinder tyngdekraften og stiger til vejrs.

Snart vil den have sendt endnu en satellit i kredsløb om Jorden, men der vil ikke samtidig være føjet endnu en udtjent raket til den voksende mængde af rumskrot, der også roterer om planeten.

Efterhånden som raketten rejser ud i rummet, bliver den stadigt mindre – den fortærer sig selv, så kun motor og last er tilbage, når målet er nået.

Sådan vil en rumrejse komme til at forløbe for den nye rakettype: autofag.

Forskere fra Oles Honchar Dnipro-universitetet i Ukraine og University of Glasgow offentliggjorde i 2018 resultaterne af laboratorieforsøg, hvor de har testet princippet bag den selvfortærende raket – og vist, at konceptet fungerer.

Når autofagraketterne er klar til brug, kan de løse nogle af rumfartens største udfordringer: enormt høje omkostninger ved raketopsendelser og store mængder ­efterladt affald i rummet.

Jorden er svær at forlade

Traditionelle rumraketter er en ineffektiv transportform. Nyttelasten udgør mindre end fem procent af rakettens fulde vægt og ofte ned til én procent, mens brændstof udgør over 85 procent.

Et passagerfly har til sammenligning en nyttelast på omkring 50 procent i form af passagerer og bagage.

Den dårlige økonomi skyldes rumfartens største problem: Det er ekstremt svært at udslippe Jordens tyngdekraft.

Hvis en satellit skal holde sig i kredsløb om Jorden, kræver det, at den bevæger sig med mindst 40.000 km/t. Er hastigheden lavere, bliver satellitten overvundet af tyngdekraften og falder til Jorden.

Satellitter i kredsløb

Hvis en satellit skal holde sig i kredsløb om Jorden, kræver det, at den bevæger sig med mindst 40.000 km/t.

© NASA

At lette fra Jordens overflade kræver endnu større kraft – hvor meget afhænger blandt andet af vægten – og fremdriften skal efterfølgende holdes ved lige.

Derfor må raketten medbringe enorme tanke fyldt med brændstof og iltforsyning til forbrændingen af brændstoffet. Desuden skal ilten og brændstoffet være nedkølet for at holdes flydende, hvilket kræver et kølesystem. Og for at forhindre, at væskerne skvulper rundt i tankene og slår raketten ud af kurs, skal tankene også have et antiskvulpsystem.

Alt sammen ekstra vægt, som gør opsendelsen dyr.

Selv med den mest effektive raket koster det omkring 65.000 kroner at sende en halv liter vand fra Jorden til Den Internationale Rumstation, ISS.

Forskernes nye autofagraket skifter det flydende brændstof ud med fast, der kan bygges ind som en del af raketten. En raketmotor drevet af fast brændstof har ikke brug for kølesystem, brændstofpumper og antiskvulpsystemer. Det gør den simplere at bygge og billigere at opsende.

En ny raket dropper tanken med flydende brændstof til fordel for et fast brændstof, der bygges ind som en del af selve raketten, så den bliver stadigt mindre undervejs på rejsen.

Autofagraket
© Mikkel Juul Jensen

1. Fast brændstof forstøves i motoren

Et stempel presser en cylinder af fast brændstof med iltningsmiddel i midten ind i rakettens forstøvertragt. Ved start varmes tragten op af et elektrisk element, men bagefter får den i stedet varme fra rakettens forbrændingskammer, der omslutter tragten. Varmen forstøver brændstof og iltningsmiddel, der rører tragtens sider.

Autofagraket
© Mikkel Juul Jensen

2. Gasser ledes til forbrændingskammer

Det forstøvede brændstof og iltningsmiddel ledes ud i et system af kanaler, der ligger mellem tragten og forbrændingskammeret. De to bestanddele holdes adskilt, så brændstoffet ikke antænder for tidligt på grund af den høje varme. Gennem 16 små envejs­åbninger løber gasserne ind i forbrændingskammeret.

Autofagraket
© Mikkel Juul Jensen

3. Udstødningsgasser driver raketten frem

I forbrændingskammeret skaber kombinationen af brændstof, iltningsmiddel og høj varme en forbrænding, der udvikler udstødningsgasser som kvælstof, vanddamp, kulilte og brint.
Det får trykket i kammeret til at stige, så gasserne bliver presset ud af en dyse i bunden og driver raketten fremad.

Men enkelheden gør den også ufleksibel. En almindelig faststofraket er bygget som en nytårsraket uden forbrændingskammer. Det giver en jævn og kraftig forbrænding af det tætpakkede brændstof.

Til forskel fra en traditionel raket, hvor brændstoffet kontinuerligt sprøjtes ind i forbrændingskammeret fra en separat brændstoftank, kan en faststofraket derfor ikke justere farten eller stoppe.

Fast brændstof blev fx brugt i løfteraketter på NASA’s hedengangne rumfærger, der blev drevet af aluminiumspulver og ammoniumperklorat. Mange missiler bruger også faststofraketter, men rakettypen kan ikke navigere med den præcision, det fx kræver at placere en satellit i kredsløb eller at koble et fartøj til ISS – endnu.

Forskernes nye raket skal kombinere det bedste fra traditionelle raketter og faststofraketter: Den skal bruge fast brændstof, men have stor fleksibilitet.

Brænder som et stearinlys

Den nye rakets fleksibilitet opstår, ved at motoren fodres med det faste brændstof lidt ad gangen som i en traditionel raket.

Brændstoffet er formet som en cylinder med en kerne af iltningsmiddel i pulverform og en skal af fast brændstof. Cylinderen bliver forbrændt fra den ene ende som et stearinlys i stedet for indefra som brændstoffet i en almindelig faststofraket.

Selve motoren i raketten består af et stempel og en tragtformet forstøver, der er omsluttet af et forbrændingskammer.

Autofagraket

Autofagrakettens faste brændstof føres ind i en tragtformet motordel og forstøves inden forbrænding.

© University of Glaasgow

Motoren starter, ved at forstøveren varmes op. I forskernes forsøgsraket kommer varmen fra gas, der antændes af et tændrør, men den flyvefærdige autofagraket skal have et elektrisk varmeelement.

Motorstemplet presser brændstofcylinderen ind i den brede ende af forstøvertragten, og varmen fra tragten får brændstoffet og iltningsmiddel til at forstøve, så det kan antændes i forbrændingskammeret og udvikle udstødningsgasser, der driver raketten.

Når raketten først er startet, udnyttes varmen fra forbrændingen til at varme tragten op og fortsætte forstøvningen af brændstoffet. Raketten kan justere farten, ved at den stempelmekanisme, der skubber cylinderen ned i tragten, øger eller slækker presset. Forbrændingen kan også stoppes helt, hvis presset fra stemplet fjernes.

CubeSat

Små, firkantede CubeSats kan i fremtiden opsendes billigt med en nedskaleret version af forskernes nye autofagraket.

© NASA

Miniraketter skal sende små ­satellitter i kredsløb

Den nye autofagraket kan bygges meget mindre end traditionelle raketter, fordi det faste brændstof gør pladskrævende systemer som brændstoftanke overflødige. Derfor er den ideel til opsendelse af såkaldte CubeSats – små, firkantede satellitter. I dag er knap 900 CubeSats sendt i kredsløb om Jorden. De består af et eller flere terningeformede moduler på ca. ti gange ti centimeter. Satellitterne blev opfundet for at give fx universiteter mulighed for at opsende deres egne, billige forskningssatellitter, men siden har rumfartsindustrien også fået øjnene op for de små satellitter, der bl.a. bruges til katastrofeovervågning og klimaforskning. Senest er to CubeSats blevet sendt til Mars med NASA’s InSight Lander-mission.

Dermed har forskerne skabt en raket, der er fleksibel, men har den samme enkelhed som en almindelig faststofraket. Nu skal de udføre flere forsøg, blandt andet for at finde frem til den perfekte brændstofkombination, og udvikle en stempelmekanisme, som kan presse brændstofcylinderen ind i motoren med mindst mulig kraft.

Forskerne har også lavet en anden meget vigtig ændring i forhold til tidligere faststofraketter: Autofagrakettens brændstof skal ikke opbevares i en tank. I stedet er den faste brændstofcylinder en del af selve rakettens konstruktion.

Fra opsendelsen begynder raketmotoren at æde cylinderen, og når målet er nået, er kun selve rakettens motor, stempelmekanisme og last tilbage.

Resultatet er en raket, som er lettere, mindre kompliceret at bygge og billigere at opsende.

Men der er også en sidste stor fordel ved autofagen: Antallet af satellitopsendelser forventes at blive tredoblet i løbet af det kommende årti, og hvis Jorden ikke skal risikere at blive indhyllet i rumskrot, har rumfartsindustrien hårdt brug for en raket, der rydder sig selv af vejen under rejsen.