Ungeduldig? Ein Raumschiff könnte mit einem direkten Fusionsantrieb in nur 2 Jahren zum Titan gelangen
Fusionskraft ist die Technologie, die dreißig Jahre entfernt ist und immer bleiben wird – zumindest laut Skeptikern. Trotz ihres schwierigen Übergangs zu einer zuverlässigen Energiequelle haben die Kernreaktionen, die die Sonne antreiben, eine Vielzahl von Anwendungen in anderen Bereichen. Das offensichtlichste ist bei Waffen, wo Wasserstoffbomben sind bis heute die stärksten Waffen, die wir je hergestellt haben. Aber es gibt noch einen anderen Anwendungsfall, der viel weniger destruktiv ist und sich als viel interessanter erweisen könnte – Weltraumantriebe.
Der Begriff Fusionsantrieb, genannt direkter Fusionsantrieb (oder DFD ) befindet sich in der Entwicklung am Princeton Plasma Physics Laboratory ( PPPL ). Wissenschaftler und Ingenieure dort, angeführt von Dr. Samuel Cohen , arbeiten derzeit an der zweiten Iteration davon, bekannt als Princeton Field Reverse Configuration-2 ( PFRC-2 ). Schließlich hoffen die Entwickler des Systems, es zu Testzwecken in den Weltraum zu bringen und schließlich das primäre Antriebssystem von Raumfahrzeugen zu werden, die durch unser Sonnensystem reisen. Es gibt bereits ein besonders interessantes Ziel im äußeren Sonnensystem, das der Erde in vielerlei Hinsicht ähnelt – Titan . Seine Flüssigkeitskreisläufe und sein Potenzial, Leben zu beherbergen, haben Wissenschaftler fasziniert, seit sie damit begonnen haben, Daten darüber zu sammeln. Und wenn wir das DFD richtig nutzten, könnten wir in etwas weniger als zwei Jahren eine Sonde dorthin schicken, so die Forschung eines Teams von Luft- und Raumfahrtingenieuren des Physik-Departments der New York City Hochschule der Technologie , geleitet von Professor Roman Kezeraschwili und gesellten sich zwei Stipendiaten aus dem Polytechnikum Turin in Italien - Paolo Aime und Marco Gajeri.
Das Team, das an der Ableitung der optimalen DFD-Trajektorien beteiligt war. Von links nach rechts: Marco Gajeri, Dr. Samuel Cohen, Paolo Aime, Prof. Roman Kezerashvili, bei PPPL.
Bildnachweis: Prof. Roman Kezerashvili
Obwohl sich der Motor noch in der Entwicklung befindet, nutzt er viele der Vorteile der aneutronischen Fusion, vor allem ein extrem hohes Leistungsgewicht. Der Kraftstoff für einen DFD-Antrieb kann in der Masse leicht variieren und enthält Deuterium und ein Helium-3 Isotop. Selbst mit relativ kleinen Mengen extrem leistungsstarken Kraftstoffs kann der DFD die heute üblichen chemischen oder elektrischen Antriebsmethoden übertreffen. Die spezifischer Impuls des Systems, das ein Maß dafür ist, wie effektiv ein Motor Kraftstoff nutzt, wird als vergleichbar mit Elektromotoren angesehen, den effizientesten derzeit verfügbaren Motoren. Darüber hinaus würde der DFD-Motor 4-5 N von . bereitstellen Schub im Low-Power-Modus nur geringfügig weniger als das, was eine chemische Rakete über lange Zeiträume ausgeben würde. Im Wesentlichen nimmt das DFD den hervorragenden spezifischen Impuls elektrischer Antriebssysteme und kombiniert ihn mit dem hervorragenden Schub chemischer Raketen zu einer Kombination, die das Beste beider Flugsysteme vereint.
Video von Princeton Satellite Systems, das den technischen Betrieb des DFD beschreibt.
Bildnachweis: Princeton Satellite Systems Youtube Channel
All diese verbesserten Spezifikationen sind großartig, aber um nützlich zu sein, müssen sie tatsächlich irgendwo ein Raumfahrzeug bekommen. Die Autoren des Papiers haben sich für Titan entschieden, hauptsächlich weil es relativ weit weg ist, aber auch aufgrund seiner äußerst interessant Flüssigkeitskreisläufe und reichlich organische Moleküle . Um die beste Route zum größten Saturnmond abzubilden, arbeitete das italienische Team mit den Entwicklern des DFD bei PPPL zusammen und erhielt Zugriff auf Leistungsdaten des Testmotors. Dann holten sie einige zusätzliche Daten zu planetaren Ausrichtungen und begannen mit der Arbeit an einigen Orbitalmechaniken. Daraus ergaben sich zwei verschiedene potenzielle Pfade, einen, bei dem nur zu Beginn und am Ende der Fahrt konstanter Schub ausgeübt wurde (sogenannter Schub-Küsten-Schub – TCT – Profil) und einer, bei dem der Schub für die Dauer der Fahrt konstant war Reise.
UT erklärt, warum es wichtig ist, Titan zu erkunden.
Bei beiden Reisen wurde die Schubrichtung geändert, um die Raumsonde zu verlangsamen, um in das Saturn-System einzudringen. Bei konstantem Schub würde die Reisezeit etwas weniger als 2 Jahre betragen, während das TCT-Profil für ein Raumfahrzeug, das viel größer als ist, eine Gesamtreisedauer von 2,6 Jahren ergeben würde Cassini . Beide Wege würden keine Schwerkraftunterstützung erfordern, von der Raumschiffe, die zu den äußeren Planeten reisen, regelmäßig profitiert haben. Cassini, die letzte berühmte Mission zum Besuch des Saturn-Systems, nutzte eine Reihe von Gravitationshilfen zwischen Venus und Erde, um ihr Ziel zu erreichen, eine Reise, die fast 7 Jahre dauerte. Eine wichtige Sache, die man beachten sollte, sagt Marco Gajeri, der korrespondierende Autor des Artikels, ist, dass sich das Zeitfenster, das diese kurzen Reisedauern am effizientesten macht, um 2046 öffnet. Obwohl es nicht ganz 30 Jahre entfernt ist, gibt es dem Team von PPPL viel mehr Zeit, um ihr aktuelles Design zu verbessern.
Andere Herausforderungen treten jedoch auf, sobald eine DFD-fähige Sonde dieses Saturn-System erreicht. Die Umlaufbahn um den zweitgrößten Planeten des Sonnensystems ist relativ einfach. Die Übertragung von Umlaufbahnen auf seinen größten Mond ist viel schwieriger. Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie die Drei-Körper-Problem , ein notorisch schwieriges Problem der Orbitalmechanik, bei dem die Bahnen von drei verschiedenen Orbitalkörpern (dh der Raumsonde Saturn und Titan) gelöst werden müssen.
Bild des PFRC-2 DFD-Laufwerks bei der Arbeit.
Quelle: Wikipedia-Benutzer Cswancmu / PPPL
Nachdem die gesamte Orbitalmechanik aus dem Weg geräumt ist und das Raumfahrzeug sicher in der Umlaufbahn von Titan ist, kann es einen weiteren Vorteil des DFD nutzen – es kann die Systeme des Raumfahrzeugs mit direktem Strom versorgen. Die meisten Missionen des äußeren Sonnensystems beruhen auf Radioisotopen-Thermogeneratoren ( RTGs ) für ihre Stromquelle. Aber ein DFD ist in der Tat eine Kraftquelle zusätzlich zu einer Schubquelle. Bei richtiger Konstruktion könnte es die gesamte Energie liefern, die ein Standraumfahrzeug für eine verlängerte Missionslebensdauer benötigt.
Diese verlängerte Missionslebensdauer bedeutet, dass das DFD in einer Vielzahl von Missionen nützlich sein könnte. Die Autoren, die die Mission zum Titan untersuchten, untersuchten auch das Potenzial für eine Mission zu den transneptuischen Objekten, die bisher nur von New Horizons besucht wurden, die 9 Jahre brauchten, um Pluto zu erreichen. Unnötig zu erwähnen, dass ein DFD die für diese Reise erforderliche Zeit drastisch verkürzen würde. Und wenn es in den nächsten 30 Jahren einsatzbereit ist, kann es als treibende Kraft für alle Arten neuer Erkundungsmissionen dienen.
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arXiv: Eine Titan-Mission mit dem Direct Fusion Drive
Marco Gajeri - Masterarbeit - Flugbahndesign für eine Titan-Mission mit dem Direct Fusion Drive
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Feature Image Credit: Künstlerische Konzeption des Direct Fusion Drive. Bildnachweis: Princeton Satellite Systems