Det är delvis samma problem som lanseringsproblemet. Om du sätter mer bränsle i raketernas bränsletankar ökar du massan. Sedan för att lyfta det bränslet måste du lägga till lite mer bränsle för att lyfta det bränslet, och så vidare och så vidare.

Ett liknande problem finns med det nuvarande framdrivningssystemet på sonder men innan jag går in på det ska (mycket kort) förklara resor i rymden så att vi kan förstå problemet.

Resa i rymden (förutsatt att vi reser i rak linje)

Resor i rymden är inte detsamma som att resa på land. Att resa på land kräver konstant bränning av bränsle för att kunna ersätta den hastighet som går förlorad till friktion, luftmotstånd etc.

Att resa i rymden fungerar inte på samma sätt, det kräver inte en konstant brinner, det kräver att du bränner tillräckligt med bränsle för att driva massan till den initiala hastigheten, sedan tillräckligt för att bränna i omvänd ordning för att sakta ner sig själv vid sin destination.

(Vilket inte är halvt och halvt, det kräver mer bränt bränsle för att påskynda än att sakta ner, eftersom avmattningsdelen har mindre massa eftersom vi kan rabattera det förlorade bränslet som bränns för att accelerera under det första plats.)

Tillbaka till problemet

Okej så vi kunde bara lägga till mer bränsle i sonderna, men då stöta på samma utgåva som lanseringsutgåvan, lägga till extra bränsle lägger till extra massa som kräver extra bränsle för att bränna för att driva den ökade massan till samma hastigheter som vi ville.

Så egentligen vad vi vill ha är en annan metod för framdrivning än den existerande flytande och fasta processen.

Som du kan se här har NASA redan några alternativa idéer som de vill testa för framdrivning, Jag kommer kort att täcka dem nedan om länken dör.

Kärnvärme framdrivning

Kärnvärme framdrift - värmer en vätska, vanligtvis väte, i en hög temperatur kärnkraft reaktor som skapar dragkraft för att flytta raketen i rymden

NASA förväntar sig att denna typ av framdrivningssystem blir mycket lättare och en effektivare metod för att driva fartyg i rymden.

Men varje silverfoder har ett moln och detta är inget undantag. Det som för närvarande står i vägen för oss att använda detta system är den extrema svårigheten att hålla väte i flytande form.

Som du kan se här måste väte hållas vid 20 Kelvin för att förbli i flytande form. Detta föreslår många tekniska utmaningar, först för att sänka temperaturen till en sådan nivå, sedan igen när man försöker stoppa det flytande bränslet från att värmas upp från avgasens höga temperaturer!

Och var inte fel, de tekniska problemen med att använda flytande väte är inte på grund av försök. faktiskt har idén att använda flytande väte som bränsle funnits sedan åtminstone 1950-talet!

Plasmabaserad framdrift stark >

NASA undersöker också ett plasmabaserat framdrivningssystem som heter projektet VASIMR.

Tanken är att använda en kärnreaktor (igen) och väte (igen) för att jonisera vätet och spränga det genom ett magnetiskt munstycke.

Detta är uppenbarligen mycket tekniskt utmanande men det finns också frågan om att plasma måste vara magnetiskt avskärmad från fartygets hårdvara eller orsakar elektroderosion i själva motorerna.

(Ursäkta min brist på kunskap om fysiken kring hur denna bit faktiskt fungerar.)

För att inte tala om att du också skulle behöva energi för att driva kärnreaktorerna i varje design.

Slutsats

Så egentligen använder vi kemiska baserade framdrivningssystem eftersom alternativen är tekniskt dyra och svåra. Vi kommer att kämpa för att få fram de kemiska framdrivningssystemen mer på grund av den ökande bränslefrågan (om vi inte hittar mer effektiva bränslen). Men egentligen är det största problemet inte så mycket framdrivning, det är avståndet!

Till exempel kretsar rymdstationen för närvarande omkring 18 000 mil i timmen och kretsar runt jorden en gång var 90: e minut.

Rymdfarkosten Apollo som flög till månen reste snabbare än så, cirka 24 000 mil i timmen. Dessa typer av hastighet är otänkbara för resor på jorden, de är hundratals gånger snabbare än någon jet kan gå.

Så egentligen vilar mitt argument på dessa punkter, bränsleproblem, brist på enkla alternativ, bränslekostnad, ren distans.

Just nu är den primära gränsen att vi sitter fast med hjälp av reaktionsenheter, vilket innebär att du måste spendera drivmedelsmassa för att påskynda rymdfarkosten. Så, din totala AV (hastighetsförändring) begränsas av mängden drivmedel du kan bära och effektiviteten hos dina motorer enligt specifikationen i Tsiolkovsky-raketekvationen

$$ \ Delta V = 9.8 * I_ { SP} * ln (MR) $$

där MR är massförhållandet

$$ MR = {M_ {rymdfarkost} + M_ {drivmedel} \ över M_ {rymdfarkost}} $$

Det obemannade rymdfarkosten Dawn använder en jonmotor med en specifik impuls (I _sp ) på 3100 sekunder, vilket för närvarande är den mest effektiva motorn i bruk som jag känner till . Om rymdfarkosten bär sin egen massa i drivmedel ($ M_ {rymdfarkost} = M_ {drivmedel} $, för en MR på 2) betyder det att vi kan få en total AV på ~ 21057 m / s. Snabb, men inte interstellär resa snabbt. Om rymdfarkosten bär 9 gånger sin massa i drivmedel (MR = 10) kan vi få upp till ~ 69953 m / s. Bättre, men ändå inte tillräckligt bra för interstellär flygning. För att en gryningsliknande rymdfarkost ska nå 0,01 c (~ 3,000,000 m / s) behöver vi ett massförhållande i storleksordningen $ 5,0 * 10 ^ {41} $. ^{1 sup>}

Det finns en praktisk övre gräns för hur mycket massa vi kan skicka från jordens yta, vilket begränsar mängden drivmedel vi kan skicka med rymdfarkosten.

Det finns två sätt att komma runt problemet - det ena är att påskynda rymdfarkosten med EM-strålning mot ett segel. Det finns ett projekt som heter Breakthrough Starshot som vill använda en markbaserad bank av terawatt-lasrar för att påskynda en rymdskepp i gram till 0,2 c (59958491 m / s) i cirka 10 minuter. Det har också funnits många idéer om att använda ett segel med solvinden från solen.

Den andra är att skapa en verklig reaktionslös enhet (som Alcubierre-enheten eller EmDrive), som har ett antal problem (inte minst är hur du kommer runt bevarande av momentum och sådant).

Enkelt uttryckt: Bränsle- och frekvensomriktningseffektivitet.

Det finns en maximal mängd vektorförändringar möjliga baserat på bränslebelastningen ombord och frekvensomriktarens effektivitet för att omvandla det bränslet till en förändring av vektorn.

För att accelerera (vilket är en synonym för byte av vektor) under en given tid krävs en viss mängd bränsle. Allt det bränslet behöver vara ombord, och det finns inget sätt att tanka effektivt under flygningen.

Så, bränslet och driveffektiviteten kombineras för att skapa en maximal totalvektor.

Och totalvektorn är en synonym för hastighet.

Det begränsas av hur kraftfull och tät vi kan göra lasrar. Ett lasersegelkoncept leder till frågorna om drivmedel och raketekvationen, och erbjuder sålunda löftet om högsta möjliga hastigheter. Naturligtvis det skulle inte vara lätt.

Delta-V som ett rymdfordon kan uppnå beror på raketekvationen. Det kommer ner till andelen av den totala massan som är tillgänglig för att utvisas som drivmedel, och hastigheten för den utvisade massan. Hastigheten för den utdrivna massan beror på mängden lagrad energi som kan omvandlas till kinetisk energi.

Kemiska raketer har bara så mycket kemisk energi lagrad i reaktanterna (som också är drivmassan), som bestämmer den utdrivna drivmedlets begränsningshastighet, vilket sätter en övre gräns för fordonets uppnåbara delta-V. låta ett fordon uppnå mycket högre hastigheter. Naturligtvis förutsätter det tillgängligheten av en energikälla som kan lagra mycket mer användbar energi per enhet bränslemassa - som kärnkraft, och väcker frågan om hur man ska påskynda drivmedlet.

VASIMIR är ett exempel på en tryckteknik som sprider ut avgaserna med mycket högre hastighet än vad som kan uppnås med kemiska drivmedel. Det kanske inte är tekniken för att driva en interstellär sond (flera faktorer verkar begränsa delta-V som den kan gälla för en rymdfarkost), men någon annan teknik som syftar till att göra samma sak (avgas med mycket hög hastighet) kanske bara.

Till viss del handlar det om pengar - att finansiera forskning om och utveckling av ny framdrivningsteknik. Men det handlar också om grundläggande fysik.

Mycket generellt sett fungerar en reaktionsmotor genom att kasta energi ut bakåt för att få rörelse framåt. Enligt gymnasiefysiken är energin vi får för att kasta en massa massa (drivmedel, i vårt fall)

$$ Ke = {MV ^ 2 \ över 2} $$

Så ju snabbare vi slänger ut massan, desto mer energi får vi per enhet. I raket kallas detta avgashastighet ($ Ve $), med en härledd kvantitet som heter Specific Impulse ($ Isp $). Högre hastigheter motsvarar bättre effektivitet, upp till den absoluta maximala hastigheten på $ c $, vid vilken tidpunkt gymnasiet matematik bryts ner och ekvationen börjar se mer ut som $$ Ke = {MC ^ 2 \ över sqrt (1- (V / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Lägg märke till hur jag sa Energi istället för Mass. Fotoner rör sig med den absoluta maximala hastigheten universum tillåter och är därför det perfekta drivmedlet för en raket. Tekniskt sett är en enkel ficklampa den absoluta toppen av raketteknologin ... Med undantag för ett litet problem.

Medan fotoner packar maximalt möjlig kinetisk energi per massenhet utan att ha massa är bortom mig, men de gör det. Låt oss bara kalla det massa för enkelhet ), deras massa är oerhört liten. Din ficklampa kan vara den absoluta toppen av Effektivitet, men dess verkliga dragkraft är praktiskt taget ingenting. Det skulle ta år för dig att märka att din ficklampa hade flyttat alls, vilket leder oss till en annan fråga.

Även om det skulle ta år för din ficklampa att börja röra sig, tar det bara timmar för batterier att dö. För att ge vår fotonraket livslängd och kraft att göra någonting alls, skulle vi behöva använda ett litet kärnkraftverk för att driva det. Med all den extra massan krossas vår redan lilla acceleration av hundratals ton reaktor.

Teknik som Ion-drives och VASMIR möter liknande begränsningar. För att deponera tillräckligt med energi i deras reaktionsmassa för att vara effektiv måste de skära ner drivmedelsflödet till en liten sippra av vad det kan vara, vilket innebär att de har mycket, mycket låg dragkraft . Utöver det kräver de också stora mängder elektrisk ström, vilket innebär att de står inför samma problem som vår kärnkraftsdrivna ficklampraket.

Med tanke på allt detta skulle raketens heliga gral vara en hög dragkraft, högeffektiv motor. Det finns bara ett fåtal för närvarande teoretiska utmanare om titeln, till exempel Zurbin NSWR eller Project Orion. De flesta om inte alla har några ganska allvarliga nackdelar, och eftersom en av dem involverar Användning av kärnvapen för framdrivning är det osannolikt att det kommer att få finansiering snart.