Bodengestützte Laser könnten Raumschiffe zu anderen Sternen beschleunigen

Die Zukunft der Weltraumforschung beinhaltet einige ziemlich ehrgeizige Pläne, Missionen weiter von der Erde wegzuschicken als je zuvor. Neben den aktuellen Vorschlägen für den Aufbau einer Infrastruktur im cis-lunaren Raum und die Entsendung regelmäßiger bemannter Missionen zum Mond und zum Mars gibt es auch Pläne, Robotermissionen in das äußere Sonnensystem, in die Brennweite der Gravitationslinse unserer Sonne und sogar dorthin zu schicken die nächstgelegenen Sterne zur Erforschung von Exoplaneten. Um diese Ziele zu erreichen, sind Antriebe der nächsten Generation erforderlich, die einen hohen Schub und eine gleichmäßige Beschleunigung ermöglichen.

Fokussierte Anordnungen von Lasern – oder gerichteter Energie (DE) – und Lichtsegel sind ein Mittel, das ausführlich untersucht wird – wie etwa Breakthrough Starshot und Swarming Proxima Centauri. Über diese Vorschläge hinaus hat ein Team der McGill University in Montreal einen neuen Typ eines gerichteten Energieantriebssystems zur Erforschung des Sonnensystems vorgeschlagen. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel teilte das Team die ersten Ergebnisse seiner LTP-Triebwerksanlage (Laser-Thermal Propulsion) mit, die darauf hindeuten, dass die Technologie das Potenzial hat, sowohl hohen Schub als auch spezifische Impulse für interstellare Missionen bereitzustellen.

Das Forschungsteam wurde von Gabriel R. Dube, einem Undergraduate Research Trainee bei der McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG), und Associate Professor Andrew Higgins, dem Hauptforscher der IFERG, geleitet. Zu ihnen gesellten sich Emmanuel Duplay, ein Doktorand der Technischen Universität Delft (TU Delft); Siera Riel, Sommer-Forschungsassistentin am IFERG; und Jason Loiseau, außerordentlicher Professor am Royal Military College of Canada.

Das Team präsentierte seine Ergebnisse auf dem AIAA Science and Technology Forum and Exposition 2024 und in ein Papier das erschien in der AIAA SCITECH 2024 Forum.

Higgins und seine Kollegen schlugen dieses Konzept ursprünglich in einem vor Papier 2022 das erschien in Acta Astronautica mit dem Titel „Design einer schnellen Transit-zum-Mars-Mission mit laserthermischem Antrieb“.

Wie Universe Today damals berichtete, wurde das LTP von interstellaren Konzepten wie Starshot und Project Dragonfly inspiriert. Higgins und seine Mitarbeiter von McGill waren jedoch daran interessiert, wie dieselbe Technologie schnelle Transitmissionen zum Mars in nur 45 Tagen und im gesamten Sonnensystem ermöglichen könnte. Sie argumentierten, dass diese Methode auch die beteiligten Technologien validieren und als Sprungbrett für interstellare Missionen dienen könnte.

Wie Higgins Universe Today per E-Mail mitteilte, kam ihnen die Idee während der Pandemie, als sie nicht in ihr Labor gelangen konnten:

„[M]Die Studenten führten eine detaillierte konzeptionelle Studie darüber durch, wie wir die Art von großen Laserarrays, die für den Breakthrough Starshot vorgesehen sind, für eine kurzfristigere Mission im Sonnensystem nutzen könnten. Anstatt auf den für Breakthrough Starshot vorgesehenen 100-GW-Laser mit 10 km Durchmesser zu setzen, beschränkten wir uns auf einen 100-MW-Laser mit 10 m Durchmesser und zeigten, dass er in der Lage wäre, ein Raumschiff über nahezu eine Entfernung mit Strom zu versorgen des Mondes. Durch Erhitzen des Wasserstofftreibstoffs auf 10.000 K ermöglicht der Laser den „heiligen Gral“ mit hohem Schub und hohem spezifischen Impuls.“

Das Konzept ähnelt dem nuklear-thermischen Antrieb (NTP), den NASA und DARPA derzeit für Schnelltransitmissionen zum Mars entwickeln. In einem NTP-System erzeugt ein Kernreaktor Wärme, die dazu führt, dass sich Wasserstoff- oder Deuterium-Treibstoff ausdehnt, der dann durch Düsen fokussiert wird, um Schub zu erzeugen.

In diesem Fall werden Phased-Array-Laser in eine Wasserstoff-Heizkammer fokussiert, die dann durch eine Düse entlüftet wird, um spezifische Impulse von 3.000 Sekunden zu erzeugen. Seit Higgins und seine Studenten ins Labor zurückgekehrt seien, versuchten sie, ihre Idee experimentell zu überprüfen:

„Natürlich haben wir bei McGill keinen 100-MW-Laser, aber wir haben jetzt einen 3-Kilowatt-Laseraufbau im Labor (was beängstigend genug ist) und untersuchen, wie der Laser seine Energie an ein Treibmittel koppeln würde ( schließlich Wasserstoff, aber vorerst Argon, nur weil es leichter zu ionisieren ist. Das AIAA-Papier berichtet über das Design, den Bau und den „Shake-Down“ unserer 3-kW-Laseranlage.“

Higgins und sein Team konstruierten aus ihren Tests einen Apparat, der 5 bis 20 Bar statisches Argongas enthielt. Während das endgültige Konzept Wasserstoffgas als Treibmittel verwenden wird, verwendeten sie für den Test Argongas, da es leichter zu ionisieren ist. Anschließend feuerten sie den 3-kW-Laser in Impulsen mit einer Frequenz von 1.070 Nanometern (entspricht der Wellenlänge im nahen Infrarot) ab, um die für Laser-Sustained Plasma (LSP) erforderliche Schwellenleistung zu bestimmen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass rund 80 % der Laserenergie im Plasma deponiert wurden, was mit früheren Studien übereinstimmt.

Die von ihnen erfassten Druck- und Spektraldaten zeigten auch die maximale LSP-Temperatur des Arbeitsgases, sie betonen jedoch, dass für schlüssige Ergebnisse weitere Untersuchungen erforderlich sind. Sie betonten außerdem, dass für die Durchführung von Zwangsströmungs- und anderen LSP-Tests ein spezielles Gerät erforderlich sei. Schließlich plant das Team, später in diesem Jahr Schubmessungen durchzuführen, um zu ermitteln, wie viel Beschleunigung (Delta-V) und spezifischer Impuls (Isp) ein laserthermisches Antriebssystem für zukünftige Missionen zum Mars und anderen Planeten im Sonnensystem liefern kann.

Wenn die Technologie dieser Aufgabe gewachsen ist, könnten wir ein System in Betracht ziehen, das in der Lage ist, Astronauten in Wochen statt in Monaten zum Mars zu bringen. Zu den weiteren Konzepten, die in diesem Jahr für das NIAC ausgewählt wurden, gehören Tests zur Bewertung von Winterschlafsystemen für Langzeitmissionen in der Schwerelosigkeit. Allein oder in Kombination könnten diese Technologien schnelle Transitmissionen ermöglichen, die weniger Fracht und Vorräte erfordern und die Belastung der Astronauten durch Schwerelosigkeit und Strahlung minimieren.