Πύραυλοι προωθούμενοι με λέιζερ. Supersonic Laser-Propelled Spacecraft Could Allow Astronauts to Explore the Universe

Η επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων συνεπάγεται ανάγκη χρήσης περισσότερου καυσίμου, το οποίο πρέπει πάντα να μεταφέρεται από το σκάφος. Researchers have described a new system that integrates a laser-ablation propulsion system with the gas blasting nozzles of a spacecraft which can increase the speed of the gas flow out of the system to supersonic speeds while reducing the amount of burned fuel. (Original image: solarseven via Shutterstock)

Έναν πρωτοποριακό τρόπο προώθησης πυραύλων, που παραπέμπει σε σελίδες επιστημονικής φαντασίας, προτείνουν ρώσοι ερευνητές.

Can you imagine flying through space with a laser-powered rocket? It seems like something more about of science fiction than reality, right? Yet a new method for improving the thrust generated by laser-propulsion systems could bring laser-powered rockets closer to reality. This artist's concept depicts NASA's Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) spacecraft near Mars. Missions like MAVEN could be improved upon if they were laser-powered. (Photo: NASA/GSFC)

Ειδικότερα οι φυσικοί Γιούρι Ρεζούνκοφ και Αλεξάντερ Σμιντ παρουσίασαν σε έρευνά τους που δημοσιεύτηκε στο journal Applied Optics της OSA (Τhe Optical Society) μέθοδο για τη βελτίωση της ώθησης που παρέχεται από ένα σύστημα προώθησης με λέιζερ- η οποία μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τέτοιων συστημάτων που θα ενδείκνυνται για πρακτική χρήση.

Αυτή τη στιγμή η μέγιστη ταχύτητα ενός διαστημοπλοίου περιορίζεται από την ποσότητα των στερεών ή υγρών καυσίμων που μπορεί να μεταφέρει. Η επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων συνεπάγεται ανάγκη χρήσης περισσότερου καυσίμου, το οποίο πρέπει πάντα να μεταφέρεται από το σκάφος. Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να λυθεί με τη χρήση ενός λέιζερ – ευρισκομένου σε απόσταση και όχι πάνω στο ίδιο το διαστημόπλοιο – για την παροχή επιπλέον προωθητικής ισχύος.

The effectiveness of current laser-propulsion techniques is limited by the instability of supersonic gas flow, caused by shock waves that "choke" the inlet of the nozzle, reducing thrust. Those effects can be reduced with the help of laser ablation, redirecting the plasma plume so that it flows close to the interior walls of a supersonic nozzle and significantly improving the overall thrust. Credit: Y.Rezunkov/IOIE

Για τη δημιουργία μιας προώθησης λέιζερ τέτοιου είδους έχει προταθεί μια σειρά συστημάτων. Ένα από τα πλέον υποσχόμενα συστήματα έχει να κάνει με μια διαδικασία που αποκαλείται κατάλυση/ εκτομή λέιζερ (laser ablation), κατά την οποία μία παλμική ακτίνα λέιζερ χτυπά μια επιφάνεια, την θερμαίνει και καίει υλικό για να δημιουργήσει αυτό που είναι γνωστό ως «λοφίο πλάσματος» (plasma plume), δηλαδή μία στήλη από φορτισμένα σωματίδια που ρέουν από την επιφάνεια. Η ροή αυτή έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή ώθησης για την κίνηση του σκάφους.

Στο paper τους στο Applied Optics, οι Ρεζούνκοφ και Σμιντ περιγράφουν ένα νέο σύστημα το οποίο ενσωματώνει σύστημα προώθησης laser ablation με τα συμβατικά/ «παραδοσιακά» ακροφύσια ενός διαστημοπλοίου. Ο συνδυασμός των δύο συστημάτων, σύμφωνα με τους ρώσους ερευνητές, μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα της ροής αερίων έξω από το σύστημα σε υπερηχητικές ταχύτητες, μειώνοντας παράλληλα την ποσότητα του καμένου καυσίμου.

A laser lasing. Image: Pixabay

Όπως επιδεικνύουν οι Ρεζούνκοφ και Σμιντ, η αποτελεσματικότητα των σημερινών τεχνικών προώθησης λέιζερ περιορίζεται από παράγοντες οι οποίοι περιλαμβάνουν την αστάθεια των υπερηχητικών αερίων καθώς διαχέονται έξω από το ακροφύσιο, καθώς και την παραγωγή ωστικών κυμάτων που έχουν αποτέλεσμα τη μείωση της ώθησης. Ωστόσο, αυτά μπορούν να μειωθούν με τη χρήση ενός «λοφίου πλάσματος» από laser ablation, που ανακατευθύνεται έτσι ώστε να ρέει κοντά στα εσωτερικά τοιχώματα του ακροφυσίου. Το τελικό αποτέλεσμα, όπως διαπιστώνουν οι δύο ερευνητές, βελτιώνει σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα, αυξάνοντας κατά πολύ την παραγόμενη ώθηση.

«Συνοψίζοντας τα δεδομένα που προέκυψαν, μπορούμε να προβλέψουμε την εφαρμογή τεχνικών υπερηχητικής προώθησης λέιζερ όχι μόνο για την εκτόξευση μικρών δορυφόρων σε τροχιές γύρω από τη Γη, αλλά επίσης για επιπρόσθετη επιτάχυνση σε υπερηχητικά αεροσκάφη ώστε να επιτυγχάνουν ταχύτητες των 10 Μαχ και άνω» σημειώνει σχετικά ο Ρεζούνκοφ.