Als het gaat om de toekomst van ruimteverkenning, worden een aantal nieuwe technologieën onderzocht. De belangrijkste hiervan zijn nieuwe vormen van voortstuwing die brandstofefficiëntie en vermogen in evenwicht kunnen brengen. Niet alleen zouden motoren die in staat zijn om veel stuwkracht te bereiken met minder brandstof, kosteneffectief zijn, ze zullen ook astronauten in minder tijd naar bestemmingen zoals Mars en verder kunnen brengen.
Dit is waar motoren zoals de X3 Hall-effect boegschroef in het spel komen. Deze boegschroef, die wordt ontwikkeld door NASA's Glenn Research Center in samenwerking met de Amerikaanse luchtmacht en de Universiteit van Michigan, is een opgeschaald model van het soort boegschroeven dat wordt gebruikt door de Dageraad ruimtevaartuig. Tijdens een recente test verbrijzelde deze boegschroef het vorige record voor een Hall-effect boegschroef, met een hoger vermogen en superieure stuwkracht.
Hall-effect stuwraketten zijn de afgelopen jaren in de smaak gevallen bij missieplanners vanwege hun extreme efficiëntie. Ze werken door kleine hoeveelheden drijfgas (meestal inerte gassen zoals xenon) om te zetten in geladen plasma met elektrische velden, die vervolgens zeer snel worden versneld met behulp van een magnetisch veld. In vergelijking met chemische raketten kunnen ze met een fractie van hun brandstof topsnelheden halen.
Een grote uitdaging tot nu toe was echter het bouwen van een Hall-effect boegschroef die ook een hoge stuwkracht kan bereiken. Hoewel ze zuinig zijn, produceren conventionele ionenmotoren doorgaans slechts een fractie van de stuwkracht geproduceerd door raketten die afhankelijk zijn van vaste chemische drijfgassen. Daarom heeft NASA samen met haar partners het schaalmodel X3 boegschroef ontwikkeld.
De ontwikkeling van de boegschroef staat onder toezicht van Alec Gallimore, hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek en de Robert J. Vlasic Dean of Engineering van de University of Michigan. Zoals hij in een recent persbericht van Michigan News aangaf:
'Mars-missies liggen aan de horizon en we weten al dat Hall-stuwraketten goed werken in de ruimte. Ze kunnen worden geoptimaliseerd voor het vervoeren van apparatuur met minimale energie en drijfgas in de loop van een jaar of zo, of voor snelheid - waardoor de bemanning veel sneller naar Mars wordt vervoerd. ”
In recente tests verbrak de X3 het vorige stuwkrachtrecord van een Hall-boegschroef, met een kracht van 5,4 Newton in vergelijking met het oude record van 3,3 Newton. De X3 verdubbelde ook meer dan de bedrijfsstroom (250 ampère versus 112 ampère) en draaide op een iets hoger vermogen dan de vorige recordhouder (102 kilowatt versus 98 kilowatt). Dit was bemoedigend nieuws, omdat het betekent dat de motor een snellere acceleratie kan bieden, wat kortere reistijden betekent.
De test werd uitgevoerd door Scott Hall en Hani Kamhawi in het NASA Glenn Research Center in Cleveland. Terwijl Hall een doctoraatsstudent in ruimtevaarttechniek is aan UM, is Kamhawi NASA Glenn-onderzoekwetenschapper die nauw betrokken is geweest bij de ontwikkeling van de X3. Daarnaast is Kamhawi ook de NASA-mentor van Hall, als onderdeel van de NASA Space Technology Research Fellowship (NSTRF).
Deze test was het resultaat van meer dan vijf jaar onderzoek dat de huidige Hall-effectontwerpen probeerde te verbeteren. Om de test uit te voeren, vertrouwde het team op de vacuümkamer van NASA Glenn, die momenteel de enige kamer in de VS is die de X3-boegschroef aankan. Dit komt door de enorme hoeveelheid uitlaatgassen die de boegschroef produceert, wat ertoe kan leiden dat geïoniseerd xenon terugdrijft in de plasmapluim, waardoor de testresultaten scheef gaan.
De opstelling van NASA Glenn is de enige met een vacuümpomp die krachtig genoeg is om de omstandigheden te creëren die nodig zijn om de uitlaat schoon te houden. Hall en Kamhawi moesten ook een aangepaste stuwkrachtstandaard bouwen om het frame van de X3 van 227 kg (500 pond) te ondersteunen en de kracht die het genereerde te weerstaan, aangezien bestaande stands niet aan de taak voldeden. Na het veiligstellen van een testvenster heeft het team vier weken besteed aan het voorbereiden van de stand, de boegschroef en het opzetten van alle benodigde verbindingen.
Al die tijd stonden NASA-onderzoekers, ingenieurs en technici klaar om ondersteuning te bieden. Na 20 uur pompen om een ruimteachtig vacuüm in de kamer te bereiken, voerden Hall en Kamhawi een reeks tests uit waarbij de motor 12 uur lang zou worden gestookt. In 25 dagen tijd heeft het team de X3 op het record brekende vermogen, stroom en stuwkracht gebracht.
Vooruitblikkend, is het team van plan om meer tests uit te voeren in het laboratorium van Gallimore in U-M met behulp van een verbeterde vacuümkamer. Deze upgrades zullen volgens planning in januari 2018 worden voltooid en stellen het team in staat toekomstige tests intern uit te voeren. Deze upgrade werd mogelijk gemaakt dankzij een subsidie van $ 1 miljoen USD, gedeeltelijk bijgedragen door het Air Force Office of Scientific Research, met aanvullende ondersteuning door het Jet Propulsion Laboratory en U-M.
De voedingen van de X3 worden ook ontwikkeld door Aerojet Rocketdyne, de in Sacramento gevestigde fabrikant van raket- en raketvoortstuwingen die ook het voortouw neemt op de subsidie voor voortstuwingssystemen van NASA. In het voorjaar van 2018 wordt verwacht dat de motor in deze aandrijfsystemen wordt geïntegreerd; op dat moment een reeks van 100 uur durende tests die opnieuw zullen worden uitgevoerd in het Glenn Research Center.
De X3 is een van de drie prototypes die NASA onderzoekt voor toekomstige bemande missies naar Mars, die allemaal bedoeld zijn om de reistijden te verkorten en de hoeveelheid brandstof te verminderen. Naast het kosteneffectiever maken van dergelijke missies, zijn de kortere transittijden ook bedoeld om de hoeveelheid straling te verminderen waaraan astronauten worden blootgesteld tijdens hun reizen tussen de aarde en Mars.
Het project wordt gefinancierd door NASA's Next Space Technologies for Exploration Partnership (Next-STEP), dat niet alleen voortstuwingssystemen ondersteunt, maar ook habitatsystemen en productie in de ruimte.
