Rumskib, mars

Laserstråler kan få oss til Mars på rekordtid

Kanadiske forskere er på et utrolig oppdrag. De vil sende romfartøy til Mars på 45 dager ved hjelp av kraftige laserstråler fra jorden. Blir teknologien til virkelighet, kan den hjelpe oss med å utforske helt nye avkroker av universet.

Kanadiske forskere er på et utrolig oppdrag. De vil sende romfartøy til Mars på 45 dager ved hjelp av kraftige laserstråler fra jorden. Blir teknologien til virkelighet, kan den hjelpe oss med å utforske helt nye avkroker av universet.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

En salve av kraftige laserstråler skyter opp mot himmelen.

På vei gjennom atmosfæren samles de til én kraftig stråle og setter kurs mot et bemannet romskip som befinner seg 13 000 kilometer over overflaten.

Laserstrålene treffer et stort speil som dirigerer strålene inn i et varmekammer i rakettmotorene. Her varmer de opp gass til 40 000 grader, noe som resulterer i en utrolig akselerasjon på 50 000 km/t.

Mens det tidligere tok et romskip 200 døgn å komme til Mars, klarer astronautene reisen på bare 45 dager takket være laserstrålene.

I hvert fall hvis det er opp til en gruppe ingeniører fra McGill University i Canada, som forestiller seg at framtidens Mars-reiser ikke foregår med tradisjonelt drivstoff.

Blir drømmen om laserdrevet romfart realisert, får vi helt nye muligheter til å utforske noen av solsystemets fjerneste avkroker.

Teknologi har vært på vei i 50 år

Ideen med å bruke lasere til å levere energi til et romfartøy er ikke ny. Den er faktisk et halvt århundre gammel.

I 1972 beskrev den amerikanske fysikeren og ingeniøren Arthur Kantrowitz hvordan det i prinsippet var mulig å sende opp en satellitt ved hjelp av laserstråler.

Den gangen kunne ideen ikke realiseres. Laserne var for svake, og teknologien til å fokusere en stor bunt laserstråler til å treffe et mål langt unna eksisterte fortsatt ikke.

Arbeidet til Arthur Kantrowitz ble imidlertid ikke glemt, men fortsatte å inspirere nye generasjoner av forskere, blant annet de kanadiske ingeniørene fra McGill University.

Lasertermisk romrakett

Forskere spår at framtidens romfartøy til Mars blir drevet framover av laserstråler som fokuseres inn i rakettmotorene via et stort speil utenpå fartøyet.

© Emmanuel Duplay

Laserteknologien kan brukes til å sende romsonder på langfart til solsystemets ytterste avkroker og transportere nye romteleskoper langt unna kloden vår slik at vi kan se enda lengre ut i universet.

Men i første omgang har de kanadiske ingeniørene imidlertid fokus på å utvikle den nye laserteknologien til å kutte reisetiden til Mars.

En raskere reise til Mars vil ikke bare redusere den kjedelige ventetiden for astronautene, den vil også være bedre for astronautenes kropper.

I den vektløse tilstanden underveis mot den røde planeten svekkes knokler og muskler, og langvarige opphold langt fra jordens magnetfelt, som beskytter oss mot helseskadelig kosmisk stråling, øker risikoen for kreft.

Jo kortere tid astronautene befinner seg i verdensrommet, desto mindre er risikoen for å bli syk av strålingen.

Et Mars-fartøy kan oppnå en fart på mer enn 50 000 km/t hvis rakettdrivstoffet varmes opp med laserstråler i stedet for å bli brent. Dermed kan reisen til Mars utføres på 45 døgn.

Lasertermisk rumraket
©

1. Lasere fra jorden treffer romfartøyet

Et 100 kvadratmeter stort datastyrt laseranlegg sender ut en fokusert bunt laserstråler uavbrutt i en time. Målet er romfartøyet, som er sendt i bane rundt jorden i en høyde på om lag 13 000 kilometer.

Lasertermisk rumraket
©

2. Stort speil fokuserer strålene

Laserstrålene treffer en oppblåsbar, parabolformet reflektor som er ti meter i diameter. Reflektoren dirigerer laserlyset inn i et varmekammer der det blir pumpet inn store mengder hydrogengass.

Lasertermisk rumraket
©

3. Varm gass sendes bakover

Laserne varmer opp hydrogengassen til om lag 40 000 °C. De høye temperaturene får gassen til å utvide seg, helt til den presses ut gjennom en rakettdyse med høy fart. Når gassen farer bakover, akselererer romfartøyet med opp mot 50 000 km/t.

Forskerne vil imidlertid ikke bruke laserlys til å sende opp satellitter. I stedet vil de sette full fart på romfartøy som allerede er sendt i bane rundt jorden ved hjelp av tradisjonelle romraketter.

Planen er å rette en ekstremt kraftig laserstråle mot et speil – også kalt en reflektor – utenpå Mars-fartøyet.

Speilet fokuserer laserlyset inn i et kammer som forsynes med en kontinuerlig strøm av hydrogengass.

Når gassen varmes opp, utvider den seg og farer med høy fart ut av en rakettdyse, slik at romfartøyet beveger seg framover med stadig større hastighet.

Hvis laserstrålen treffer romfartøyet i en times tid, er det nok til å øke farten med utrolige 50 000 km/t.

Metoden kalles lasertermisk framdrift, og forskerne spår at de laserdrevne rakettmotorene kan bli framtiden for romfarten.

Yuri Milner Stephen Hawking

I 2016 annonserte milliardæren Yuri Milner og astrofysikeren Stephen Hawking en plan om å sende små romsonder ut til stjernen Alfa Centauri ved hjelp av et laserdrevet romseil.

© Jemal Countess/Getty Images

Fysikken bak romraketters framdrift er definert av den tredje loven for bevegelse, som fysikeren sir Isaac Newton formulerte for nesten 350 år siden.

Loven lyder at det for hver aksjon er en like stor og motsattrettet reaksjon.

Når motorene i en romrakett skyter gasser bakover gjennom en såkalt rakettdyse, beveger raketten seg i motsatt retning med en like stor kraft – altså framover.

Akselerasjonen av romraketten er avhengig av hvor høy temperaturen i gassen i motoren er.

Jo høyere temperaturer gassene varmes opp til, jo raskere sendes de bakover, og jo raskere akselererer fartøyet.

Sol og planeter
©

Laserdrevet romfartøy tar en snarvei

Hver 26. måned befinner jorden og Mars seg i bestemte posisjoner i forhold til hverandre som gjør det mulig å velge den banen som krever minst drivstoff.

Denne såkalte Hohmann-banen utnytter den farten de to planetene allerede har på grunn av sin bane til å «slynge» av sted et romfartøy.

Når et fartøy følger en Hohmann-bane, trenger det bare avfyre motorene én gang i begynnelsen av reisen, og en gang til når fartøyet skal bremse opp når det kommer fram.

Ved å «cruise» gjennom verdensrommet på den måten blir reisetiden til Mars rundt sju måneder lang (stiplet linje).

Et romfartøy med en lasertermisk motor (blå linje) har mulighet for å akselerere til en mye høyere fart ved oppskyting og bremse mye hardere opp ved ankomst.

Det betyr at reisen til Mars kan gjennomføres på bare 45 dager.

I tradisjonelle romraketter når forbrenningstemperaturen i motorene vanligvis opp til omkring 3200 grader.

Fordi de fokuserte laserstrålene er mye mer effektive til å varme opp gassene i motorene, kan temperaturen i de lasertermiske motorene ifølge forskerne nå opp på utrolige 40 000 grader.

Det betyr at reisetiden enten kan forkortes drastisk, eller at det laserdrevne romfartøyet kan ta med en ti ganger større last per kilo drivstoff.

Laseranlegg leverer energien

Det er først og fremst en ny, lovende laserteknologi som lar mange små lasere å fungere som én stor, som skal legge til rette for visjonen om raske Mars-reiser.

Ved University of California i USA og ved Australias National University forsøker fysikere å utvikle laseranlegg som består av store bunter av billige og presise lasere der infrarødt laserlys dannes og forsterkes i optiske fibre.

Fysikerne satser på at tusenvis eller millioner av lasere kan fungere som én enorm laser som kan styres elektronisk slik at laserstrålen alltid er fokusert mot romfartøyet.

Forskerne gjør hele tiden framskritt, og rent teknologisk skulle det ikke være noe i veien for å nå målet i løpet av de neste årene.

Et laseranlegg på ti ganger ti meter – omtrent det samme som en halv tennisbane – burde ifølge forskerne være nok til å levere den energien som er nødvendig for å bringe mennesker raskt til Mars.

Laserstråler kan revolusjonere romfarten

I stedet for å brenne rakettdrivstoff, som i en tradisjonell rakettmotor, kan framtidens romfartøy få energi fra lasere som avfyres fra jorden. Det kan skje på tre ulike måter.

Lasertermisk rumraket
©

1: Laserlys varmer opp hydrogengass

Via et speil fokuseres en kraftig laserstråle inn i en rakettmotor der hydrogengass varmes opp til mange tusen grader. Når gassen varmes opp, utvider den seg raskt og farer ut gjennom en rakettdyse, slik at romfartøyet akselererer.

Rumskib
©

2: Solpanel driver elektrisk rakettmotor

En såkalt ionmotor drives av strømmen fra et solpanel som treffes av laserlys. I motoren når partikler med elektrisk ladninger opp til hastigheter på langt over 100 000 km/t. Når partiklene flyr bakover, sendes romfartøyet framover.

Rummet
©

3: Lyset skyver på et solseil

Som et vindkast som setter fart på et skip, skyver strålingstrykket fra laserlys til et romfartøy utstyrt med et stort solseil. Trykket er beskjedent, men over mange år kan et veldig lett romfartøy oppnå en ekstremt høy fart.

Ingeniørene har bare regnet på utturen, og turen hjem fra Mars må nok foregå på en langsommere metode, med kjemiske rakettmotorer.

I hvert fall helt til en egentlig Mars-base med en tilstrekkelig energiforsyning er etablert, og et laseranlegg også kan bygges på Mars. Da kan energien fra laserne nemlig både brukes til å bremse inngående og akselerere utgående romfartøy.

Lasersystemer kan sende romferger frem og tilbake mellom jorden og Mars i skytteltrafikk, men begrenset av at de to planetene må gå tett på hverandre i sine respektive bane rundt solen.

Både USA og Kina har planer om å sende mennesker til Mars i løpet av 2030-tallet, men det blir ikke lasere som bringer de første menneskene til den røde planeten.

60 minutter – så kort tid tar det laserstrålene fra jorden å øke romskipets fart med 50 000 km/t.

I første omgang vil profesjonelle astronauter ta den lange turen med vanlige romraketter. Først når Mars har blitt permanent bebodd, blir det virkelig behov for en mer effektiv transport.

Milliardæren Elon Musk, som står bak romfartsfirmaet SpaceX, har ambisiøse planer om å etablere en millionby på Mars før 2050.

Det får førsteamanuensis Andrew Higgins fra forskergruppen ved McGill University til å anslå at den raske lasertermiske transporten av mennesker kan bli en realitet rundt 2040.

Superteleskop skal fotografere eksoplaneter

Den nye formen for rakettmotor kan også brukes til vitenskapelige romsonder som skal utforske solsystemets fjerneste områder.

De to ytterste planetene, Uranus og Neptun, har ikke fått besøk siden 1980-årene, da den amerikanske romsonden Voyager 2 fløy forbi.

Den gangen tok det 12 år å komme fra jorden til Neptun, som er om lag 4,5 milliarder kilometer unna. En sonde skutt av sted av en lasertermisk motor kan klare turen på under fem år.

I dag er det Nasas Voyager 1 som har rekorden som det fjerneste romfartøyet, og det har tatt sonden 45 år å komme 23 milliarder kilometer av gårde. Et laserdrevet romfartøy med et romteleskop kan i teorien tilbakelegge en mye lengre tur på et par tiår.

I første omgang vil det imidlertid være Mars de laserdrevne rakettene vil sikte etter.

Og blir teknologien til virkelighet, vil langt flere mennesker sannsynligvis også være villige til å ta turen på 45 dager til vår nærmeste planet og dermed innvarsle en ny interplanetarisk tidsalder for menneskeheten.