Rumskib, mars

Laserstråler kan få os til Mars på rekordtid

Canadiske forskere er på en utrolig mission. De vil sende rumfartøjer til Mars på 45 dage ved hjælp af kraftige laserstråler fra Jorden. Bliver teknologien til virkelighed, kan den hjælpe os med at udforske helt nye afkroge af universet.

Canadiske forskere er på en utrolig mission. De vil sende rumfartøjer til Mars på 45 dage ved hjælp af kraftige laserstråler fra Jorden. Bliver teknologien til virkelighed, kan den hjælpe os med at udforske helt nye afkroge af universet.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

En salve af kraftige laserstråler skyder op i himlen.

På vej gennem atmosfæren samles de til én kraftig stråle og sætter kurs mod et bemandet rumskib, der svæver 13.000 km over Jorden.

Laserstrålerne rammer et stort spejl, der dirigerer strålerne ind i et varmekammer i raketmotorerne. Her opvarmer de udstødningsgassen til 40.000 grader, hvilket resulterer i en utrolig acceleration på 50.000 km/t.

Hvor det tidligere tog et rumskib 200 døgn at komme til Mars, klarer astronauterne rejsen på sølle 45 dage takket være laserstrålernes skub.

I hvert fald hvis det står til en gruppe ingeniører fra McGill University i Canada, som forestiller sig, at fremtidens marsrejser ikke foregår med traditionelt brændstof.

Bliver drømmen om laserdrevet rumfart til virkelighed, får vi helt nye muligheder for at udforske nogle af Solsystemets fjerneste afkroge.

Teknologi har været 50 år undervejs

Idéen med at bruge lasere til at levere energi til et rumfartøj er ikke ny. Den har faktisk et halvt århundrede på bagen.

I 1972 beskrev den amerikanske fysiker og ingeniør Arthur Kantrowitz, hvordan det i princippet var muligt at sende en satellit op ved hjælp af laserstråler.

Dengang kunne idéen ikke realiseres. Laserne var for svage, og teknologien til at fokusere et stort bundt laserstråler til at ramme et mål langt væk eksisterede endnu ikke.

Arthur Kantrowitz’ videnskabelige arbejde blev dog ikke glemt, men fortsatte med at inspirere nye generationer af forskere, heriblandt altså de canadiske ingeniører fra McGill University.

Lasertermisk rumraket

Forskere forudser, at fremtidens rumfartøjer til Mars bliver drevet fremad af laserstråler, som fokuseres ind i raketmotorerne via et stort spejl uden på fartøjet.

© Emmanuel Duplay

Laserteknologien kan bruges til at sende rumsonder på langfart til Solsystemets yderste afkroge og transportere nye rumteleskoper langt væk fra vores klode, så vi kan kigge endnu længere ud i universet.

Men i første omgang er de canadiske ingeniører dog fokuseret på at udvikle den nye laserteknologi til at barbere rejsetiden til Mars gevaldigt ned.

En kortere og hurtigere rejse til Mars vil ikke blot nedbringe den kedelige ventetid for astronauterne, den vil også være bedre for deres helbred.

I den vægtløse tilstand undervejs mod den røde planet svækkes knogler og muskler, og langvarige ophold langt fra Jordens magnetfelt, der beskytter os mod sundhedsskadelig kosmisk stråling, øger risikoen for kræft.

Jo kortere tid astronauterne befinder sig i rummet, desto mindre er risikoen for at blive syg af strålingen.

Et marsfartøj kan opnå en fart på mere end 50.000 km/t, hvis raketbrændstoffet opvarmes med laserstråler i stedet for at blive brændt af. På den måde kan rejsen til Mars klares på 45 døgn.

Lasertermisk rumraket
©

1. Lasere fra Jorden rammer rumfartøjet

Et 100 kvadratmeter stort, computerstyret laseranlæg udsender et fokuseret bundt laserstråler uafbrudt i en time. Målet er rumfartøjet, der i forvejen er sendt i kredsløb om Jorden i en højde af cirka 13.000 km.

Lasertermisk rumraket
©

2. Stort spejl fokuserer strålerne

Laserstrålerne rammer en oppustelig, parabolformet reflektor, der er ti meter i diameter. Reflektoren dirigerer laserlyset ind i et varmekammer, som løbende bliver pumpet fuld af store mængder brintgas.

Lasertermisk rumraket
©

3. Varm gas sendes bagud

Laserne opvarmer brintgassen til cirka 40.000 °C. De høje temperaturer får gassen til at udvide sig, indtil den presses ud igennem en raketdyse med høj fart. Når gassen farer bagud, accelererer rumfartøjet med op mod 50.000 km/t.

Forskerne vil dog ikke bruge laserlys til at opsende satellitter. I stedet vil de sætte fuld fart på rumfartøjer, der i forvejen er bragt i kredsløb om Jorden ved hjælp af traditionelle rumraketter.

Planen er at rette en ekstremt kraftig laserstråle direkte mod et spejl – også kaldet en reflektor – uden på marsfartøjet.

Spejlet fokuserer laserlyset ind i et kammer, som forsynes med en konstant strøm af brintgas.

Når gassen varmes op, udvider den sig og farer med høj fart ud af en raketdyse, så rumfartøjet bevæger sig fremad med stadig større hastighed.

Laserstrålen skal blot ramme rumfartøjet i en times tid for at øge farten med utrolige 50.000 km/t.

Metoden kaldes lasertermisk fremdrift, og forskerne spår, at de laserdrevne raketmotorer kan blive fremtiden for rumfarten.

Yuri Milner Stephen Hawking

I 2016 annoncerede rigmanden Yuri Milner og astrofysikeren Stephen Hawking en plan om at sende små rumsonder ud til stjernen Alfa Centauri vha. et laserdrevet rumsejl.

© Jemal Countess/Getty Images

Fysikken bag rumraketters fremdrift er defineret i den tredje lov for bevægelse, som fysikeren sir Isaac Newton formulerede for knap 350 år siden.

Loven lyder, at der for hver aktion er en lige så stor og modsatrettet reaktion.

Når motorerne i en rumraket skyder udstødningsgasser bagud gennem en såkaldt raketdyse, bevæger raketten sig i den modsatte retning af gasserne med en lige så stor kraft – altså fremad.

Accelerationen af rumraketten afhænger særligt af, hvor høje temperaturer udstødningsgasserne i motorernes brændkammer når op på.

Jo højere temperaturer gasserne opvarmes med, jo hurtigere sendes de bagud, og jo hurtigere accelererer fartøjet.

Sol og planeter
©

Laserdrevet rumfartøj skyder genvej

Hver 26. måned befinder Jorden og Mars sig i bestemte positioner i forhold til hinanden, der gør det muligt at vælge den bane, som kræver mindst brændstof.

Denne såkaldte hohmannbane udnytter den fart, de to planeter allerede har pga. deres kredsløb, til at “slynge” et rumfartøj afsted.

Når et fartøj følger en hohmannbane, skal det kun affyre motorerne én gang ved rejsens begyndelse og endnu én, når fartøjet skal bremse og ramme ind i Mars’ kredsløbsbane.

Ved at “cruise” gennem rummet på den måde bliver rejsetiden til Mars op til syv måneder lang (stiplet linje).

Et rumfartøj med en lasertermisk motor (blå linje) har mulighed for at accelerere til en meget højere fart ved opsendelse og bremse meget hårdere op ved ankomst.

Det betyder, at rejsen til Mars kan overstås på sølle 45 dage.

I traditionelle rumraketter når forbrændingstemperaturen i motorerne typisk op på omkring 3200 grader.

Fordi de fokuserede laserstråler er langt mere effektive til at opvarme udstødningsgasserne i motorerne, kan forbrændingstemperaturen i de lasertermiske motorer ifølge forskerne nå op på utrolige 40.000 grader.

Det betyder, at rejsetiden enten kan forkortes drastisk, eller at det laserdrevne rumfartøj kan medbringe en ti gange større last pr. kg brændstof.

Laseranlæg leverer energien

Det er først og fremmest en ny, lovende laserteknologi, som tillader mange små lasere at fungere som én stor, der skal muliggøre visionen om hurtige marsrejser.

På University of California i USA og på Australiens National University forsøger fysikere at udvikle laseranlæg bestående af store bundter af billige og præcise lasere, hvor infrarødt laserlys dannes og forstærkes i optiske fibre.

Fysikerne satser på, at tusindvis eller millioner af lasere kan fungere som én enorm laser, der kan styres elektronisk, så laserstrålen altid er fokuseret mod rumfartøjet.

Forskerne gør hele tiden fremskridt, og rent teknologisk skulle der ikke være noget i vejen for at nå målet inden for en overskuelig årrække.

Et laseranlæg på ti gange ti meter – omtrent det samme som en halv tennisbane – burde ifølge forskerne være tilstrækkeligt til at levere den energi, der er nødvendig for at bringe mennesker hurtigt til Mars.

Laserstråler kan revolutionere rumfarten

Frem for at afbrænde raketbrændstof, som det sker i en traditionel raketmotor, kan fremtidens rumfartøjer få energi fra lasere, der affyres fra Jorden. Det kan ske på tre forskellige måder.

Lasertermisk rumraket
©

1: Laserlys opvarmer brintgas

Via et spejl fokuseres en kraftig laserstråle ind i en raketmotor, hvor brintgas opvarmes til mange tusind grader. Når gassen opvarmes, udvider den sig hurtigt og farer ud gennem en raketdyse, så rumfartøjet accelererer.

Rumskib
©

2: Solpanel driver elektrisk raketmotor

En såkaldt ionmotor drives af strømmen fra et solpanel, der rammes af laserlys. I motoren når elektrisk ladede partikler op til hastigheder på langt over 100.000 km/t. Når partiklerne flyver bagud, sendes rumfartøjet fremad.

Rummet
©

3: Lyset skubber til et solsejl

Som et vindstød, der sætter fart på et skib, skubber strålingstrykket fra laserlys til et rumfartøj udstyret med et stort solsejl. Trykket er beskedent, men over mange år kan et meget let rumfartøj opnå en ekstremt høj fart.

Ingeniørerne har kun regnet på udturen, og turen hjem fra Mars må nok foregå på den gammeldags og noget langsommere måde med kemiske raketmotorer.

I hvert fald indtil en egentlig marsbase med en tilstrækkelig energiforsyning er etableret, og et laseranlæg også kan bygges på Mars. Så kan energien fra laserne nemlig både bruges til at bremse indgående og accelerere udgående rumfartøjer.

Lasersystemer kan skyde rumfærger frem og tilbage mellem Jorden og Mars i fast rutefart, dog begrænset af, at de to planeter skal være tæt på hinanden i deres respektive kredsløb om Solen.

Både USA og Kina har planer om at sende mennesker til Mars i løbet af 2030’erne, men det bliver ikke lasere, der bringer de første mennesker til den røde planet.

60 minutter – så kort tid tager det laserstrålerne fra Jorden at øge rumskibets fart med 50.000 km/t.

I første omgang vil professionelle astronauter tage den lange tur sendt afsted af almindelige, velafprøvede rumraketter. Først når Mars er blevet permanent beboet, bliver der for alvor behov for en mere effektiv transport.

Rigmanden Elon Musk, der står bag rumfartsfirmaet SpaceX, har ambitiøse planer om at etablere en millionby på Mars inden 2050.

Det får lektor Andrew Higgins fra forskerholdet på McGill University til at anslå, at den hurtige lasertermiske transport af mennesker kan blive en realitet omkring 2040.

Superteleskop skal fotografere exoplaneter

Den nye form for raketmotor kan også anvendes til videnskabelige rumsonder, der skal udforske Solsystemets fjerneste egne.

De to yderste planeter Uranus og Neptun er ikke blevet besøgt siden 1980’erne, hvor den amerikanske rumsonde Voyager 2 fløj forbi.

Dengang tog det 12 år at komme fra Jorden til Neptun, der er cirka 4,5 milliarder km væk. En sonde skudt afsted af en lasertermisk motor kan klare turen på under fem år.

I dag er det NASA’s Voyager 1, der har rekorden som det fjerneste rumfartøj, og det har taget sonden 45 år at komme 23 milliarder km væk. Et laserdrevet rumfartøj medbringende et rumteleskop kan i teorien tilbagelægge en meget længere tur på et par årtier.

I første omgang vil det dog være Mars, de laserdrevne raketter vil sigte efter.

Og bliver teknologien til virkelighed, vil langt flere mennesker sandsynligvis også være villige til at tage den 45 dage korte tur til vores nærmeste planet og dermed indvarsle en ny interplanetarisk æra for menneskeheden.