Målet: Att färdas snabbare än ljuset

För att citera den ryske raketforskaren Konstantin Tsiolkovskij: ”Jorden är mänsklighetens vagga, men människan kan inte leva i vaggan för alltid.” Det var Tsiolkovskij (1857-1935) som med hjälp av Keplers och Newtons grundläggande rörelselagar utvecklade teorin om raketframdrivning redan år 1903. Ovetande om varandras teorier kom ett par decennier senare också amerikanen Robert H. Goddard och tysken Hermann Oberth att utveckla principerna för raketframdrivning.

Tung last att lyfta i dag

Drömmen om att resa ut i rymden är inte något modernt påfund. Den franske författaren Jules Verne hade avancerade funderingar om rymdfart, vilket framgår av hans bok Från jorden till månen som utkom redan 1865. Själva raketkonceptet är troligen mycket gammalt och kan sägas ha sitt ursprung i kinesernas uppfinning av krutet. Men man kan föreställa sig att idén har testats långt tidigare i historien.

Rymdfart kräver effektiv och kraftfull framdrivning av raketmotorer i någon form. De två viktigaste egenskaperna hos framdrivningen är hastighet och bränsleförbrukning. Dessa återspeglas i de två egenskaperna stötkraft och specifik impuls, vilka anger prestanda hos en raketmotor. Stötkraften är den kraft som bildas när drivmedlet slungas ut genom raketens munstycke och därmed driver farkosten framåt enligt Newtons tredje lag om verkan och motverkan. Specifik impuls mäts i sekunder och återger motorns förmåga att alstra rörelseenergi, med andra ord motorns bränsleförbrukning (motsvarande liter bensin per mil för en bil).

När man utformar system för framdrivning ska man helst åstadkomma både hög stötkraft och hög specifik impuls. Bränsleförbrukningen bör minimeras för att inte öka rymdfarkostens massa i onödan.

Dagens konventionella raketer, till exempel den internationella rymdfärjans raketmotor, använder sig i huvudsak av kemiska framdrivningssystem. I dessa reagerar kemiska bränslen och bildar heta gaser som accelereras och skjuts ut med hög hastighet genom ett munstycke. Med denna typ av framdrivning åstadkommer man hög stötkraft och därmed rejäl acceleration, dock på bekostnad av hög bränsleanvändning och med låg specifik impuls.

För långsamt med bara elektricitet

Ett alternativ som redan har testats i rymden är elektrisk framdrivning. Det innebär att drivmedelsgaserna accelereras på elektrisk och magnetisk väg. Till skillnad från traditionell framdrivning, som begränsas av den lagrade kemiska energin i själva drivmedlet, kan en elektrisk raketmotor uppnå en mycket högre specifik impuls. Med rymdfärjans kemiska raketmotorer uppnår man som högst en specifik impuls på 450 sekunder. Det är mycket lågt i jämförelse med de 17 000 sekunder som har uppnåtts med elektriska raketmotorer i laboratorium.

Med en så hög specifik impuls kan ett rymdskepp med elektrisk framdrivning tillryggalägga stora avstånd med rimlig bränsleförbrukning. Men den elektriska framdrivningen ger bara svag stötkraft, eftersom massan som skjuts ut är relativt liten. Accelerationen blir alltså för låg, och därför kan denna teknik inte användas för att skjuta upp en farkost från jorden till rymden.

Ytterligare en skillnad gentemot kemisk framdrivning är att den elektriska kräver en yttre energikälla som alstrar den nödvändiga elektriciteten. Hittills har man använt solceller för att driva raketmotorer som bygger på elektricitet. Men solstrålarna räcker inte till för expeditioner långt ut i planetsystemet, och då krävs en alternativ energikälla.

Den amerikanska rymdstyrelsen Nasa driver därför projektet Prometheus som syftar till att utveckla kärnreaktorer för rymdfärder. Dessa ska producera elektriciteten både för elektriska raketmotorer och för drift av utrustningen ombord.

Elektrisk framdrivning utvecklades och började användas redan på 1960-talet. Metoden har utnyttjats flitigt av både USA och det forna Sovjetunionen för att alstra energi på satelliter och rymdsonder. Men för huvudsaklig framdrivning har metoden hittills begränsats till experimentella farkoster som amerikanska Deep Space 1, som besökte kometen Borrelly år 2001, och europeiska SMART-1, en svenskbyggd minisond som tog drygt ett år på sig för att navigera till månen. Av politiska skäl har kärnkraftsdrivna energikällor ännu inte slagit igenom som primär framdrivning.

Kärnkraft en möjlighet ändå

Kärnreaktorer kan också alstra värmeenergi för att hetta upp ett drivmedel, exempelvis vätgas. Då drivs raketen framåt enligt samma princip som för kemisk framdrivning, dock utan kemisk reaktion.

Vilken roll kommer elektrisk framdrivning att spela i framtidens rymdfart?

– Jag tror inte att vi kommer att driva bemannade rymdfärder med elektricitet förrän om 30-40 år, säger Thomas Markusic. Han är raketforskare som efter att ha arbetat på Nasas Advanced Space Propulsion Program nu är chef för tekniska tester på det privata rymdföretaget SpaceX i Texas.

– Först kommer nog människan att ta sig till Mars, troligen med hjälp av en blandning av kärnkraft och värmeenergi, eftersom det är den mest tillförlitliga metoden.

Kärnkraft ska också kunna användas direkt för framdrivning. Men då tänker man sig att utnyttja fusion, reaktionen där två lättare atomkärnor slås samman till en tyngre samtidigt som en stor mängd energi frigörs, enligt Albert Einsteins berömda ekvation E=mc². Den specifika impuls som kan uppnås överstiger 100 000 sekunder och ger dessutom relativt hög stötkraft.

Denna typ av framdrivning skulle kunna erbjuda ett realistiskt alternativ för människan att utforska solsystemet. Haken är att få själva fusionsreaktionen att ske under rimliga förhållanden. Det krävs nämligen enorma mängder energi för att få två positivt laddade atomkärnor – som egentligen stöter bort varandra – att smälta samman. Hittills har man inte lyckats åstadkomma fusion med nettoöverskott av energi, utan det har tvärt om gått åt mer energi än det skapas vid reaktionen. Dock är detta fysikaliskt möjligt: solen, en naturlig fusionsreaktor, är det bästa beviset på det.

Med antimateria mot stjärnorna

Ett populärt drivmedel för rymdfart i science fiction-filmer och -böcker är antimateria. Antimateria är motsatsen till materia – en negativt laddad elektron i materia motsvaras av en positivt laddad positron i antimateria.

Trots att antimateria är långt ifrån att tillämpas i rymdfarten, produceras den redan i dag i partikellaboratorier som europeiska Cern i Genève och amerikanska Fermilaboratoriet utanför Chicago. Dock är produktionen begränsad till ett ynka tiotal nanogram (miljarddels gram) per år. För att antimateria ska vinna insteg på allvar inom rymdfart krävs alltså effektivare och billigare metoder för framställning av lämpliga mängder.

En raketmotor med antimateria som bränsle bygger på Newtons grundläggande lagar, precis som konventionella raketer. Skillnaden är den specifika impuls som kan åstadkommas – upp till 1 miljon sekunder jämfört med dagens 450 hos rymdfärjans raketmotorer.

Förklaringen till denna enorma skillnad ligger i den förintelsereaktion som sker när materia och antimateria kommer i kontakt med varandra. Denna reaktion frigör den största mängd energi per massenhet som vi känner till. Samtidigt som man kan uppnå höga hastigheter finns också fördelen att rymdfarkosten får en avsevärt lägre massa och blir därmed lättare att driva fram. Jämfört med flera ton kemiskt bränsle som krävs i dag skulle det räcka med några milligram antimateria för samma rymdexpedition.

Denna typ av framdrivning ställer höga krav på utformningen av bränsletankarna som ska lagra antimaterien så att den inte förintas i kontakt med vanlig materia. Därför fokuseras forskningen på att utveckla lämpliga förvaringssystem. En sådan antiprotonfälla testas för närvarande av Nasa. Den bygger på elektromagnetisk inneslutning och ska kunna förvara en biljon (10¹²) partiklar i upp till 18 dagar.

Tomrummets energi

Ett annat designkoncept som nu studeras är den så kallade Mars Reference Mission. I den utnyttjas energin från förintelsereaktionen mellan positroner och elektroner till att hetta upp drivmedlet. Precis som med kärnkraften ombord leder detta till något som liknar kemisk framdrivning.

I tv-serier som Star Trek kan man resa kors och tvärs i universum under behagliga förhållanden. Att besöka avlägsna galaxer inom en människas livstid ställer givetvis stora, om inte omöjliga, krav på framdrivningssystemet. För det första måste det ha förmågan att uppnå hastigheter som överskrider ljusets, för det andra måste det drivas utan bränsle. Trots att denna typ av rymdfart ännu bara existerar i fantasin pågår både teoretisk och experimentell forskning inom det område som Nasa kallar Breakthrough Propulsion Physics.

Ett intressant fenomen som studeras är nollpunktsenergi. Det är den lägsta möjliga energi som finns i ett kvantmekaniskt system, så kallat kvantvakuum, och motsvarar den energi som är kvar efter det att man har tagit bort all energi i form av värme, strålning och materia från ett visst utrymme.

Det främsta beviset för att sådan energi faktiskt existerar är den så kallade Casimireffekten. Den utgörs av en attraherande kraft mellan två elektriskt neutrala metallplattor när de placeras i vakuum tillräckligt nära varandra. Denna svaga kraft, som uppstår till följd av nollpunktsenergins inverkan på det elektromagnetiska fältet, har blivit föremål för spekulationer om den teoretiska möjligheten att färdas snabbare än ljuset.

Idén ”fri energi ur vakuum” har även lett till en uppsjö av pseudovetenskapliga teorier och ogrundade påståenden om evighetsmaskiner och lösningar på världens energiproblem. Än så länge är dock framdrivning med nollpunktsenergi bara en spekulativ tanke.

AI nödvändigt för långa färder

– Men för att kunna utforska nya möjligheter får vi inte begränsa oss till vad vi redan vet och kan. Vi måste helt enkelt utvidga vår föreställningsförmåga, säger Michael George, professor vid University of Alabama, Huntsville i USA. Han gör försök att mäta repulsiva Casimirkrafter och deltar i Nasas program för utveckling av framtida drivmedel.

– Alltså bör vi ställa oss den paradoxala frågan: Hur ska vi uppnå hastigheter som överskrider ljusets?

De senaste åren har han också varit involverad i att framställa sensorer med hög känslighet för tillämpningar i rymden.

– Målet är att använda sensorer för att vidareutveckla artificiell intelligens (AI), vilket också kommer att spela en betydande roll i framtidens rymdfarkoster.

Trots att nya idéer och tekniker äntrar scenen betyder inte det att kemisk framdrivning kommer att förpassas till kulisserna.

– Men utvecklingen av mer effektiva kemiska framdrivningssystem begränsas av de nuvarande mätinstrumenten för raketer, anser Valentin Korman, forskare på Nasa som utvecklar sensorer för att mäta massflödet av kemiskt drivmedel. Kemisk framdrivning har påtagliga fördelar – den medför relativt små risker och det är en metod som redan är etablerad.

– Vi har helt enkelt stor kunskap om kemiska raketmotorer, säger Valentin Korman, som också påminner om att nya metoder för mätning av olika fenomen i historien ofta har gått hand i hand med omvälvande uppfinningar.

Rymden öppnas för alla

Några andra faktorer som kan ändra kartan för framtidens rymdfart är politik, privatisering av rymdindustrin och rymdturism. Precis som det kalla kriget sporrade människan att sätta sin fot på månen, kommer den globala konkurrensen från nykomlingar som Kina och Indien att sätta sin prägel på framtidens rymdfart.

Tillgången till rymden har hittills varit begränsad till nationella rymd- och militärorganisationer. Men nu öppnas marknaden för privata företag som det amerikanska SpaceX i Texas, vars mål är att skapa världens första kommersiella bemannade rymdprogram. Så rymdturism tillhör inte framtidens rymdfart – den är redan verklighet. Jakten på den ultimata upplevelsen att se jorden genom fönstret lagom till morgonkaffet utgör en stark drivkraft för utvecklingen av effektivare och billigare framdrivningstekniker. En ny rymdkapplöpning har sett dagens ljus.

Precis som vi i dag har flygplatser med internationella resmål kanske varje land i framtiden kommer att ha sin egen rymdflygplats med rymdfärjor som tar passagerarna till interplanetära destinationer. Frågan är bara vart vi ska åka.