I en oransje sky av glovarm gass letter raketten fra avfyringsrampen. Motoren dundrer som torden mens raketten meter for meter overvinner tyngdekraften og stiger til værs. Snart vil den ha sendt enda en satellitt i bane rundt jorda, men det vil skje uten at det blir flere utrangerte raketter i den voksende mengden romskrot som også roterer rundt planeten.
Etter hvert som raketten reiser ut i rommet, blir den stadig mindre – den fortærer seg selv slik at bare motor og last er igjen når målet er nådd.
Slik vil en romreise komme forløpe for den nye rakettypen: autofag. Forskere fra Oles Honchar Dnipro-universitetet i Ukraina og University of Glasgow offentliggjorde i 2018 resultatene av laboratorieforsøk der de har testet prinsippet bak den selvfortærende raketten – og vist at konseptet fungerer.
I laboratoriet har forskere bygget et forsøk med en såkalt autofagrakett og utført flere vellykkede forsøk.
Når autofagrakettene er klare til bruk, kan de løse noen av romfartens største utfordringer: enormt høye kostnader ved oppskyting og store mengder etterlatt avfall i verdensrommet.
Det er vanskelig å forlate jorda
Tradisjonelle romraketter er en lite effektiv transportform. Nyttelasten utgjør mindre enn fem prosent av rakettens fulle vekt og ofte ned til én prosent, mens drivstoff utgjør over 85 prosent. Et passasjerfly har til sammenligning en nyttelast på omkring 50 prosent i form av passasjerer og bagasje.
Den dårlige økonomien skyldes romfartens største problem: Jordas tyngdekraft er en vanskelig nøtt å knekke. Hvis en satellitt skal holde seg i bane rundt jorda, krever det at den beveger seg med minst 40 000 km/t. Er hastigheten lavere, blir satellitten overmannet av tyngdekraften og faller til overflaten.
Hvis en satellit skal holde sig i kredsløb om Jorden, kræver det, at den bevæger sig med mindst 40.000 km/t.
Å lette fra jordas overflate krever enda større kraft – hvor mye er blant annet avhengig av vekten – og framdriften må senere holdes ved like. Derfor må raketten ta med seg enorme tanker fylt med drivstoff og oksygenforsyning til forbrenningen av drivstoffet. Dessuten må oksygenet og drivstoffet være nedkjølt for å holdes flytende, noe som krever et kjølesystem. Og for å forhindre at væskene skvulper rundt i tankene og slår raketten ut av kurs, må tankene også ha et stabiliseringssystem.
Alle disse systemene tilfører en god del ekstra vekt, og det gjør at det blir enda dyrere. Selv med den mest effektive raketten koster det omkring 65 000 kroner å sende en halv liter vann fra jorda til Den internasjonale romstasjonen, ISS.
Forskernes nye autofagrakett bytter ut det flytende drivstoffet med fast drivstoff kan bygges inn som en del av raketten. En rakettmotor drevet av fast drivstoff trenger ikke kjølesystem, drivstoffpumper og stabiliseringssystemer. Det gjør den enklere å bygge og billigere å sende opp.
Drivstoff er en del av rakettens kropp
1. Fast drivstoff blir til støv i motoren
Et stempel presser fast drivstoff med oksideringsmiddel i midten inn i rakettens forstøvingstrakt. Ved start varmes trakten opp av et elektrisk element, men deretter får den i stedet varme fra rakettens forbrenningskammer, som omslutter trakten. Varmen lager støv av drivstoff og oksideringsmiddel.
2. Gasser ledes til forbrenningskammer
Drivstoffet og oksideringsmiddelet ledes ut i et system av kanaler som ligger mellom trakten og forbrenningskammeret. De to bestanddelene holdes atskilt slik at drivstoffet ikke antenner for tidlig på grunn av den høye varmen. Gjennom 16 små enveisåpninger passerer støvet inn i forbrenningskammeret.
3. Gasser driver raketten framover
I forbrenningskammeret skaper kombinasjonen av drivstoff, oksideringsmiddel og høy varme en forbrenning som utvikler gasser som nitrogen, vanndamp, kullos og hydrogen. Det får trykket i kammeret til å stige, slik at gassene blir presset ut av en dyse i bunnen og driver raketten framover.
Men den blir også litt lite fleksibel. En vanlig faststoffrakett er bygget som en nyttårsrakett uten forbrenningskammer. Det gir en jevn og kraftig forbrenning av det tettpakkede drivstoffet. Til forskjell fra en tradisjonell rakett, der drivstoffet kontinuerlig sprøytes inn i forbrenningskammeret fra en separat drivstofftank, kan faststoffraketter derfor ikke justere farten eller stoppe.
Fast drivstoff ble for eksempel brukt i løfteraketter på Nasas romferger, som ble drevet av aluminiumspulver og ammoniumperklorat. Mange interkontinentale raketter bruker også fast drivstoff, men rakettypen kan ikke navigere så presist at de kan plassere en satellitt i bane eller koble et fartøy til ISS – foreløpig. Forskernes nye rakett skal kombinere det beste fra tradisjonelle raketter og faststoffraketter: Den skal bruke fast drivstoff, men ha stor fleksibilitet.
Brenner som et stearinlys
Den nye rakettens fleksibilitet oppstår ved at motoren fôres med det faste drivstoffet litt av gangen, som i en tradisjonell rakett. Drivstoffet er formet som en sylinder med en kjerne av oksideringsmiddel i pulverform og et skall av fast drivstoff. Sylinderen blir brent fra den ene enden, omtrent som et stearinlys, i stedet for innefra, som drivstoffet i en alminnelig faststoffrakett.
Selve motoren i raketten består av et stempel og en traktformet forstøver som er omsluttet av et forbrenningskammer.
Autofagrakettens faste drivstoff føres ind i en tragtformet motordel og forstøves inden forbrænding.
Motoren starter ved at forstøveren varmes opp. I forskernes forsøksrakett kommer varmen fra gass som antennes av en tennplugg, men den flygeferdige autofagraketten skal ha et elektrisk varmeelement.
Motorstemplet presser drivstoffsylinderen inn i den brede enden av forstøvertrakten, og varmen fra trakten får drivstoffet og oksideringsmiddel til å forstøve, slik at det kan antennes i forbrenningskammeret og utvikle gass som driver raketten.
Når raketten først er startet, utnyttes varmen fra forbrenningen til å varme opp trakten og fortsette forstøvningen av drivstoffet. Raketten kan justere farten ved at stempelmekanismen som skyver sylinderen ned i trakten, øker eller senker presset. Forbrenningen kan også stoppes helt hvis presset fra stemplet fjernes.
Små, firkantede CubeSats kan i fremtiden opsendes billigt med en nedskaleret version af forskernes nye autofagraket.
Mini-raketter skal sende små satellitter i bane
Den nye autofagraketten kan bygges i mye mindre skala enn tradisjonelle raketter, fordi det faste drivstoffet gjør plasskrevende systemer som drivstofftanker overflødige. Derfor er den ideell til å skyte opp såkalte CubeSats – små, firkantede satellitter. I dag er nesten 900 CubeSats sendt i bane rundt jorda. De består av en eller flere moduler på om lag ti ganger ti centimeter. Satellittene ble funnet opp for å gi for eksempel universiteter muligheter for å sende opp sine egne, billige forskningssatellitter, men senere har romfartsindustrien også fått øynene opp for de små satellittene, som blant annet brukes til katastrofeovervåking og klimaforskning. Senest er to moduler blitt sendt til Mars med Nasas InSight Lander-ferd.
Dermed har forskerne skapt en rakett som er fleksibel, men er like enkel som en vanlig faststoffrakett. Nå skal de utføre flere forsøk, blant annet for å finne fram til den perfekte drivstoffkombinasjonen, og utvikle en stempelmekanisme som kan presse drivstoffsylinderen inn i motoren med minst mulig kraft.
Forskerne har også innført en annen veldig viktig endring i forhold til tidligere faststoffraketter: Autofagrakettens drivstoff skal ikke oppbevares i en tank. I stedet er den faste drivstoffsylinderen en del av selve raketten. Fra oppskytingen begynner rakettmotoren å spise av sylinderen, og når målet er nådd, er bare selve motoren, stempelmekanismen og lasten igjen.
Resultatet er en rakett som er lettere, mindre komplisert å bygge og billigere å sende opp. Men det er også en siste stor fordel: Antallet satellittoppskytinger forventes å bli tredoblet i løpet av det kommende tiåret, og hvis jorda ikke skal risikere å bli innhyllet i romskrot, trenger romfartsindustrien virkelig en rakett som rydder seg selv av banen under reisen.