Yer tabanlı lazerler uzay aracını diğer yıldızlara hızlandırabilir

Uzay araştırmalarının geleceği, Dünya’dan her zamankinden daha uzağa misyonlar göndermek için oldukça iddialı bazı planlar içeriyor. Cis-ay uzayında altyapı inşa etmek ve aya ve Mars’a düzenli mürettebatlı görevler göndermek için mevcut önerilerin ötesinde, dış güneş sistemine, güneşimizin yerçekimsel merceğinin odak uzaklığına ve hatta uzaya robotik görevler gönderme planları da var. dış gezegenleri keşfetmek için en yakın yıldızlar. Bu hedeflere ulaşmak, yüksek itiş gücü ve tutarlı hızlanma sağlayabilecek yeni nesil itiş gücü gerektirir.

Odaklanmış lazer dizileri veya yönlendirilmiş enerji (DE) ve ışık yelkenleri, Breakthrough Starshot ve Swarming Proxima Centauri gibi kapsamlı bir şekilde araştırılan bir araçtır. Bu önerilerin ötesinde, Montreal’deki McGill Üniversitesi’nden bir ekip, güneş sistemini keşfetmek için yeni bir tür yönlendirilmiş enerji tahrik sistemi önerdi. Yakın tarihli bir makalede ekip, Lazer-Termal İtiş (LTP) itici tesisinin ilk sonuçlarını paylaştı; bu, teknolojinin yıldızlararası görevler için hem yüksek itme hem de özel itme sağlama potansiyeline sahip olduğunu öne sürüyor.

Araştırma ekibi, McGill Yıldızlararası Uçuş Deneysel Araştırma Grubu’nda (IFERG) Lisans Araştırma Stajyeri olan Gabriel R. Dube ve IFERG’nin Baş Araştırmacısı Doçent Andrew Higgins tarafından yönetildi. Onlara Technische Universiteit Delft’ten (TU Delft) lisansüstü araştırmacı Emmanuel Duplay katıldı; IFERG’de Yaz Araştırma Asistanı olan Siera Riel; ve Kanada Kraliyet Askeri Koleji’nde doçent olan Jason Loiseau.

Ekip sonuçlarını 2024 AIAA Bilim ve Teknoloji Forumu ve Sergisinde sundu. Kağıt şunda göründü AIAA SCITECH 2024 Forumu.

Higgins ve meslektaşları ilk olarak bu kavramı bir çalışmada önerdiler. 2022 makalesi bu ortaya çıktı Acta Astronautica “Lazer-termal itiş gücü kullanılarak Mars misyonuna hızlı bir geçişin tasarımı” başlıklı.

Universe Today’in o dönemde bildirdiği gibi LTP, Starshot ve Project Dragonfly gibi yıldızlararası konseptlerden ilham almıştı. Ancak Higgins ve McGill’deki ortakları, aynı teknolojinin Mars’a sadece 45 günde ve güneş sistemi boyunca hızlı geçiş görevlerini nasıl mümkün kılabileceğiyle ilgileniyorlardı. Bu yöntemin aynı zamanda ilgili teknolojileri de doğrulayabileceğini ve yıldızlararası görevlere doğru bir basamak görevi görebileceğini savundular.

Higgins’in Universe Today’e e-posta yoluyla söylediği gibi, konsept onlara pandemi sırasında laboratuvarlarına giremedikleri sırada geldi:

“[M]Öğrenciler, Breakthrough Starshot için öngörülen büyük lazer dizilerini güneş sistemindeki daha kısa vadeli bir görev için nasıl kullanabileceğimize dair ayrıntılı bir kavramsal çalışma yaptılar. Breakthrough Starshot için öngörülen 10 km çapında, 100 GW’lık lazer yerine, kendimizi 10 m çapında, 100 MW’lık bir lazerle sınırladık ve bunun neredeyse uzak bir mesafeye kadar bir uzay aracına güç sağlayabileceğini gösterdik. ayın. Lazer, hidrojen itici gazını 10.000 K’ye kadar ısıtarak, yüksek itme ve yüksek özgül itici gücün ‘kutsal kâsesini’ mümkün kılıyor.”

Konsept, NASA ve DARPA’nın şu anda Mars’a hızlı geçiş görevleri için geliştirmekte olduğu nükleer-termal itkiye (NTP) benzer. Bir NTP sisteminde, bir nükleer reaktör, hidrojen veya döteryum itici gazın genleşmesine neden olan ısı üretir ve bu daha sonra itme kuvveti oluşturmak için nozüller aracılığıyla odaklanır.

Bu durumda, faz dizili lazerler bir hidrojen ısıtma odasına odaklanır ve bu daha sonra 3.000 saniyelik spesifik darbeleri gerçekleştirmek için bir nozül aracılığıyla dışarı atılır. Higgins ve öğrencileri laboratuvara döndüklerinden beri fikirlerini deneysel olarak doğrulamaya çalıştıklarını söyledi:

“Açıkçası, McGill’de 100 MW’lık bir lazerimiz yok, ancak şu anda laboratuvarda 3 kilowatt’lık bir lazer kurulumumuz var (ki bu yeterince korkutucu) ve lazerin enerjisini itici gaza nasıl aktaracağını araştırıyoruz. sonunda hidrojen, ama şimdilik iyonlaşması daha kolay olduğu için argon.) AIAA makalesi, 3 kW’lık lazer tesisimizin tasarımı, inşası ve ‘çalkalanması’ hakkında rapor veriyor.”

Higgins ve ekibi, yaptıkları testlerden 5 ila 20 bar statik argon gazı içeren bir aparat inşa ettiler. Nihai konseptte itici gaz olarak hidrojen gazı kullanılacak olsa da, iyonlaşması daha kolay olduğu için testte argon gazı kullanıldı. Daha sonra Lazerle Sürekli Plazma (LSP) için gerekli eşik gücünü belirlemek amacıyla 3 kW’lık lazeri 1.070 nanometre frekansında (kızılötesine yakın dalga boyuna karşılık gelir) darbeler halinde ateşlediler. Sonuçları, lazer enerjisinin yaklaşık %80’inin plazmada biriktiğini gösterdi; bu da önceki çalışmalarla tutarlıdır.

Elde ettikleri basınç ve spektral veriler aynı zamanda çalışma gazıyla birlikte LSP’nin en yüksek sıcaklığını da ortaya çıkardı, ancak kesin sonuçlar için daha fazla araştırmaya ihtiyaç olduğunu vurguladılar. Ayrıca zorlamalı akış ve diğer LSP testlerini yürütmek için özel bir aparatın gerekli olduğunu da vurguladılar. Son olarak ekip, lazer-termal tahrik sisteminin Mars’a ve güneş sistemindeki diğer gezegenlere yapılacak gelecekteki görevler için ne kadar ivme (delta-v) ve spesifik dürtü (Isp) sağlayabileceğini ölçmek için bu yılın sonlarında itme ölçümleri yapmayı planlıyor.

Eğer teknoloji bu göreve uygunsa, astronotları aylar yerine haftalar içinde Mars’a ulaştırabilecek bir sisteme bakıyor olabiliriz. Bu yıl NIAC için seçilen diğer konseptler arasında yerçekimsiz ortamda uzun süreli görevler için hazırda bekletme sistemlerini değerlendirmeye yönelik testler yer alıyor. Bu teknolojiler tek başına veya bir arada, daha az kargo ve malzeme gerektiren hızlı geçiş görevlerini mümkün kılabilir ve astronotların mikro yerçekimine ve radyasyona maruz kalmasını en aza indirebilir.