Als je in de ruimte gaat vliegen, heb je een soort voortstuwingssysteem nodig. Een nieuwe stuwingstechnologie genaamd de Helicon Double Layer Thruster zou nog efficiënter kunnen zijn met zijn brandstof. Dr. Christine Charles van de Australian National University in Canberra is de uitvinder.
Luister naar het interview: Plasma Thruster Prototype (5,5 MB)
Of abonneer u op de podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser: Kun je me wat achtergrondinformatie geven over de stuwkrachttechnologie die je hebt uitgevonden?
Dr. Christine Charles: Oké, deze boegschroef wordt de HDLT genoemd, wat staat voor Helicon Double Layer Thruster, en het is een nieuw type plasma thruster-toepassing in diepe ruimtevaart. En de achtergrond is onze expertise in plasmatechnologieën, ruimteplasma, plasmabewerking voor het behandelen van oppervlakken en tal van andere toepassingen.
Fraser: Dus de favoriete motor van de ruimte-verkenningsset tegenwoordig is de ionenmotor, die behoorlijk goede prestaties heeft getoond als een brandstofzuinige motor. Hoe verhoudt de motor waaraan je werkt zich tot een ionenmotor? Kun je mensen wat context geven?
Dr. Charles: Ja, er zijn enkele gemeenschappelijke aspecten en enkele heel verschillende aspecten. Dus eerst is de ionenmotor met succes ontwikkeld in het verleden - ik weet het niet - ongeveer 50 jaar. Het is nu behoorlijk goed ontwikkeld. Maar de HD-boegschroef heeft een aantal interessante voordelen. Ten eerste gebruikt het geen elektroden. Dus in de ionenmotor heb je een reeks roosters om het ion te versnellen. Onze boegschroef heeft dus geen elektroden, we hebben een nieuw type versnellingsmechanisme dat we de dubbellaag noemen. Daarom noemen we het HDLT: Helicon Double Layer Thruster. Het heeft geen elektroden, dus dat betekent dat het een lange levensduur heeft omdat je geen elektrode-erosie hebt. En een tweede, heel belangrijk aspect is dat als je naar apparaten zoals ionenmotoren kijkt, ze ionen uitzenden. Je hebt dus een externe elektronenbron nodig om deze ionen te neutraliseren, en dat wordt meestal gedaan door een tweede apparaat aan de zijkant van de boegschroef te hebben dat een hol kathodeapparaat wordt genoemd. In feite heb je twee apparaten op een ionenmotor. En vaak omdat ze bang zijn dat deze holle kathodeapparaten zouden falen, zetten ze er twee op om de levensduur te verlengen. Maar in de HDLT zenden we eigenlijk een plasma uit, dat op zichzelf een supersonische ionenbundel bevat. We hebben dus de supersonische ionenbundel, die de belangrijkste stuwbron is wanneer deze de boegschroef verlaat, maar we hebben ook het plasma dat net genoeg elektronen uitzendt om de bundel te neutraliseren. We hebben dit externe apparaat niet nodig, dat is de neutralisator. Dat is erg goed omdat het veiligheid en eenvoud kan bieden - er zijn geen bewegende delen - dus het maakt de HDLT behoorlijk aantrekkelijk voor zeer diepe ruimtevaart; lange levensduur. En een ander voordeel is dat omdat we een tweede concept gebruiken, heliconplasma genaamd, het een zeer efficiënte manier is om elektriciteit over te dragen naar de geladen deeltjes in het plasma. Dat betekent dat we met veel ionen echt dichte plasma's kunnen krijgen en dat we kunnen opschalen in kracht. We kunnen dus waarschijnlijk oplopen tot 100 kilowatt. Dit is hier nog niet gedaan in een prototype, omdat ons eerste prototype slechts 1 kilowatt was. Maar andere experimenten hebben gesuggereerd dat we met ons type plasma echt kunnen opschalen in kracht, en om dat te doen met een ionenmotor, is het belangrijkste dat wanneer je boven een paar kilowatt gaat, je een cluster van stuwraketten.
Dus ik zou zeggen dat het echt een vroege dag is voor de HDLT, maar de belangrijkste voordelen zijn een langere levensduur, eenvoud, schaalbaarheid en veiligheid. En het is ook behoorlijk zuinig, wat erg goed is.
Fraser: In termen van prestaties kunnen ionenmotoren de stuwkracht van het gewicht van een stuk papier uitstoten, maar ze kunnen het jaren en jaren doen en stuwkracht opbouwen. Je zegt dat je meer stuwkracht zou kunnen geven?
Dr. Charles: Op dit moment zijn ionenmotoren absoluut de beste op het gebied van stuwkracht, voor kilowatt, op dit moment. En het HDLT-prototype, dat slechts een concept is en minder dan 1 kilowatt, komt niet overeen met de stuwkracht. Als u het voorbeeld van een ionenmotor neemt, heeft deze doorgaans 100 milli newton voor één kilowatt. We praten momenteel waarschijnlijk 3-5 keer minder, maar je moet zien dat we geen 20 jaar ontwikkeling hebben gehad. Het is nog vroeg en we kunnen de technologie zeker verbeteren.
Fraser: En zoals ik nu begrijp, heeft het Europees Ruimteagentschap de technologie opgepikt en voert het enkele interne tests uit. En hoe is dat voor hen gegaan?
Dr. Charles: Oké, ze hadden een paar projecten. Het eerste is dat we in Australië een beurs hadden van een financieringsinstantie, en dat was in de periode 2004-2005. En we hebben het eerste HDLT-prototype ontworpen en geproduceerd, dat we afgelopen april naar ESA hebben gebracht en dat we een maand hebben getest. We hadden beperkte financiering, dus we konden het niet langer dan een maand testen. En dit toonde aan dat alle aspecten van de boegschroef perfect werkten. Maar we hebben alle krachten getest die we konden, en we hadden verschillende gasdrukken, enz. We beschikten niet over de diagnostiek die we nodig hadden om de stuwkracht te meten, dus we wisten niet wat de werkelijke stuwkracht was. De stuwkracht die we hebben, is wat we kunnen meten met de ionenbundel in Australië - het moet nog gebeuren. En het is gebaseerd op dit zeer nieuwe concept van de dubbellaag, waar we mensen van moesten overtuigen. En ESA vond het echt interessant, dus besloten ze een onafhankelijke studie te laten uitvoeren om het dubbellaagse effect te valideren. Het is het basisconcept achter de boegschroef; het versnellingsmechanisme. Dus nu moeten we echt zien waar dit over gaat.
Wat is een dubbele laag? Je kunt het je gewoon voorstellen, het is als een rivier en plotseling valt de rivierbedding naar beneden zodat er een waterval ontstaat. Dan heb je deze ionen die van deze waterval vallen en versneld worden en dan met een grote uitlaatsnelheid met de raket worden verbonden. De dubbele laag is dus een potentiële daling van het plasma. Wat heel interessant is, is dat we in de HDLT geen elektroden hebben; het plasma besluit dit gewoon te doen door een bepaald magnetisch veld te gebruiken, een magnetische fles of mondstuk. En dat is alles. Dus het is alsof je de waterval hebt zonder het water er doorheen te pompen. Dit is dus het basisconcept.
ESA had dus deze onafhankelijke studie om het concept van de dubbele laag te valideren. Heeft u het laatste persbericht gezien?
Fraser: Ja, dat heb ik.
Dr. Charles: Dus er was deze laatste studie van Australië. We hebben het eerste prototype en we hebben enkele aspecten gedemonstreerd; hoewel de stuwkracht nog niet is gemeten in een ruimtesimulatiekamer. En ESA heeft ook het concept achter de boegschroef gevalideerd, dat is dit dubbellaagse concept. Dus dat is waar we op dit moment zijn.
Fraser: Dus voor wat voor soort missies denk je dat de HDLT-boegschroef beter zou zijn?
Dr. Charles: Het moeten voor echt lange termijn missies zijn waarbij je gedwongen wordt langzaam te gaan, maar voor een lange tijd. En het heeft ook dit leuke veiligheidsaspect. Het kan worden gebruikt voor bemande ruimtevluchten. Dus het is echt voor deep space-missies, of naar Mars gaan ... dat soort dingen.
Fraser: ik snap het. Ik denk dat een van de belangrijkste voordelen hier is dat het minder bewegende delen heeft - onderdelen die kapot kunnen gaan.
Dr. Charles: En het kan worden opgeschaald in kracht, wat ook belangrijk is. NASA heeft een simulatie gemaakt van het type stroom dat je nodig hebt om mensen naar Mars te sturen, en het ligt in het megawattbereik. Je zult dus de macht moeten hebben. Je moet ook je thrusters kunnen opschalen. Ze moeten met groot vermogen kunnen werken om de klus te klaren. Wat NASA deed, was laten zien dat als je een goede plasma-boegschroef of plasmaraket kon hebben, je de tijd om naar Mars te gaan zou kunnen verkorten, want als je plasmatechnologie gebruikt, kun je geodetische trajecten gebruiken. Als je chemische voortstuwing gebruikt, heb je meer een ballistisch traject. Zo kunt u bijvoorbeeld de tijdreizen naar Mars verkorten.
Fraser: Dus wat zijn de volgende stappen voor je onderzoek?
Dr. Charles: Nou, we doen verschillende dingen parallel. We werken nog steeds heel sterk aan de dubbellaag zelf, omdat dit een heel mooi soort natuurkunde is dat allerlei andere toepassingen heeft voor het noorderlicht, of zonnewindversnelling, enz. We hebben ook een nieuwe ruimtesimulatiekamer hier op de Australian National University. En we hebben het prototype, dat terug is van ESA, in die ruimtesimulatiekamer gemonteerd. En we gaan proberen de stuwkrachtbalans en andere manieren te meten, waarschijnlijk vanaf januari 2006. En er kan nog ander nieuws gebeuren, ik weet het niet. We zullen zien hoe het gaat. We zullen zeker veel aandacht besteden aan dit onderwerp. Het is heel fascinerend omdat veel mensen geïnteresseerd zijn in de uitkomst.
HDLT Thruster-informatie van ANU
