Budućnost istraživanja svemira obuhvaća iznimno ambiciozne planove za slanje misija dalje od Zemljine orbite više nego ikada prije. Pored aktualnih prijedloga za razvoj infrastrukture U lunarnom prostoru i redovitog slanja posade na Mjesec i Mars, postoje i planovi za slanje robotskih misija do vanjskih područja sunčevog sustava, do fokalne duljine gravitacijske leće Sunca, pa čak i do najbližih zvijezda radi istraživanja egzoplaneta. Ostvarivanje ovih ciljeva zahtijeva propulzijske tehnologije nove generacije koje mogu omogućiti visoki potisak i kontinuirano ubrzanje.
Fokusirani laseri—ili usmjerena energija (directed energy -DE)—i svjetlosna jedra predstavljaju metode koje se intenzivno istražuju—primjerice, kroz projekte poput Breakthrough Starshot i Swarming Proxima Centauri. Nadovezujući se na ove inicijative, tim sa Sveučilišta McGill u Montrealu predložio je novi tip sustava propulzije usmjerene energije za istraživanje sunčevog sustava. U nedavno objavljenom radu, tim je iznio rane rezultate svoje laboratorijske postavke za pogon na bazi Laser-Thermal Propulsion (LTP), sugerirajući da tehnologija ima potencijal osigurati visok potisak i specifični impuls potreban za međuzvjezdane misije.
Istraživački tim predvodili su Gabriel R. Dube, stipendist za istraživački rad na preddiplomskoj razini u sklopu McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG) i docent Andrew Higgins, glavni istraživač IFERG-a. U radu su sudjelovali i Emmanuel Duplay, diplomski istraživač sa Tehničkog sveučilišta Delft (TU Delft); Siera Riel, asistentica za ljetni istraživački rad u IFERG-u; te Jason Loiseau, docent na Royal Military College of Canada.
Koncept je već prije predstavljen
Rezultate su predstavili na AIAA Science and Technology Forumu i izložbi 2024. te u radu objavljenom na forumu AIAA SCITECH 2024. Higgins i njegovi kolege izvorno su predstavili ovaj koncept u radu objavljenom 2022. u časopisu Acta Astronautica.
Kako je izvijestio Universe Today, LTP je bio inspiriran konceptima za međuzvjezdane misije poput Starshot i Project Dragonfly. Međutim, Higgins i njegovi suradnici sa Sveučilišta McGill bili su zainteresirani za primjenu iste tehnologije u svrhu omogućavanja brzih misija do Marsa u svega 45 dana i istraživanja kroz cijeli sunčev sustav. Ova metoda, tvrdili su, mogla bi također poslužiti kao validacija uključenih tehnologija te kao korak prema međuzvjezdanim misijama.
Kako je Higgins izjavio za Universe Today putem emaila, ideja im je došla tijekom pandemije kada nisu mogli pristupiti svojem laboratoriju: “[M]oji studenti su proveli detaljnu konceptualnu studiju o tome kako bismo mogli iskoristiti vrste velikih laserskih polja zamišljenih za Breakthrough Starshot za misiju unutar sunčevog sustava na bliži rok. Umjesto na 10 km promjera, 100-GW laser predviđen za Breakthrough Starshot, ograničili smo se na 10 m promjera, 100-MW laser i pokazali da bi on mogao isporučiti energiju svemirskoj letjelici gotovo do udaljenosti Mjeseca. Zagrijavanjem vodikovog propelanta do 10,000 K, laser omogućava ‘sveti gral’ visokog potiska i visokog specifičnog impulsa.”
Slično nuklearno-termalnoj propulziji
Koncept je sličan nuklearno-termalnoj propulziji (NTP), koju trenutačno razvijaju NASA i DARPA za brze misije do Marsa. U NTP sustavu, nuklearni reaktor generira toplinu koja uzrokuje ekspanziju vodika ili deuterija, koji se zatim usmjerava kroz mlaznice za generiranje potiska.
U ovom slučaju, laseri s faznim nizom fokusiraju se u komoru za zagrijavanje vodika, koji se potom ispušta kroz mlaznicu, ostvarujući specifične impulse od 3,000 sekundi. Otkako su se Higgins i njegovi studenti vratili u laboratorij, nastoje eksperimentalno potvrditi svoju teoriju: “Naravno, na McGillu nemamo 100 MW laser, ali sada imamo laboratorijski postav s laserom od 3 kilovata (što je samo po sebi prilično impresivno) i istražujemo kako bi laser mogao prenijeti svoju energiju na propelant (na kraju na vodik, ali zasad koristimo argon jer je lakše ionizirati). Rad objavljen u AIAA izvještava o dizajnu, izgradnji i inicijalnim testiranjima našeg laboratorijskog postava s laserom od 3 kW.”
Koncept
Higgins i njegov tim izradili su uređaj koji sadržava između 5 i 20 bara statičnog argonskog plina za svoje testove. Iako će konačni koncept koristiti vodik kao propelant, za testiranje su upotrijebili argon jer je lakše ionizirati. Zatim su ispaljivali 3-kW laser u pulsima na frekvenciji od 1,070 nanometara (što odgovara bliskom infracrvenom području) kako bi odredili pragovnu snagu potrebnu za održavanje Laser-Sustained Plasma (LSP). Njihovi rezultati pokazali su da je oko 80% energije lasera apsorbirano u plazmi, što je u skladu s prethodnim istraživanjima.
Prikupljeni podaci o tlaku i spektru također su otkrili vrhunsku temperaturu LSP-a s radnim plinom, iako ističu da su potrebna dodatna istraživanja za konačne zaključke. Naglasili su i potrebu za posebno dizajniranim uređajem za provođenje testova prisilnog protoka i drugih LSP ispitivanja. Konačno, tim planira provesti mjerenja potiska kasnije ove godine kako bi procijenili koliko ubrzanja (delta-v) i specifičnog impulsa (Isp) sustav laser-termalne propulzije može pružiti za buduće misije do Marsa i drugih planeta u sunčevom sustavu.
Ako tehnologija ispuni očekivanja, mogli bismo se suočiti s mogućnošću slanja astronauta do Marsa u tjednima umjesto mjesecima. Među ostalim konceptima odabranim za NIAC ove godine su i testiranja sustava za hibernaciju namijenjenih dugotrajnim misijama u mikrogravitaciji. Bilo samostalno ili u kombinaciji, ove tehnologije bi mogle omogućiti brze misije s manjom potrebom za teretom i zalihama, uz minimiziranje izloženosti astronauta mikrogravitaciji i radijaciji.
