Operation rädda Spirit

Spirits dödskamp


Spirit den lilla rovern på mars håller på att dö. Efter att ha varit på mars i ca 2000 dagar av 90, så kanske de är dags att ta hem honom (eller henne?).

2000-talets rymd fart
Jag kommer här att presentera något som jag kallar 2000-talets rymdfart. Raketer och ballast känns så 1900-tal. På 2000-talet är elektricitet och ballistiska banor vägen fram. Eller de är iaf vad jag tycker.

Nackdelen med konventionell rymdfärd är att toppfarten begränsas av hur mycket bränsle man kan ha med sig. Vid en viss mängd bränsle blir barlasten så tung att om man ökar mängden bränsle blir effekten kontraproduktiv.

När man reser genom rymden har man de dubbla problemet, man måste både accelerera och bromsa. Om man ska åka till mars behöver man följaktligen ha bränsle för att accelera dit, för att bromsa när man är där, för att accelerera på vägen hem och även bromsa på vägen hem. Moderfarkosten kan man naturligtvis lägga i omloppsbana för att spara energi, men detta påverkar hastigheten bara marginellt.

Historien är ett hypotetiskt framtidsscenario i en framtid då resa till mars blivit rutin med hjälp av tekniken som även beskrivs i artikeln.


Avstånden och storleken är inte till skala

Del 1 Jorden till rymden
Resan börjar på en vanlig större flygplats på jorden. Nya Boeing 7000 och Airbus 3000 serien har precis börjat flyga med sin rymdkapacitet. I praktiken skiljer de inte mycket från dessa plan och tidigare scramjet plan som drevs med extern energi källa förutom att dessa har utökad kapacitet att flyga i rymden.

Planet lyfter från flygplatsen, T=0. Flygplanet lyfter ungefär lika fort som dagens flygplan, vilket är betydligt långsammare än rymdfärjor. Medan de endast tar ett par minuter att nå atmosfärens kant med en rymdfärja tar de över en timme med dessa flygplan. Vid T=30 minuter stiger fortfarande flygplanet stadigt, börjar nu närma sig stratosfären. Framdriften ändras från jet till scram och både höjden och hastigheten stiger stadigt och fort. Runt T=60minuter är atmosfären så tunn att raketer behöver slås på. Eftersom motorerna får energi från en extern kraftkälla så begränsas inte den specifika impulsen av kemin, vilket är fallet för de raketer som idag använder. I praktiken betyder det att de enorma bränsletankarna som finns på vanliga rymdraketer helt enkelt inte behövs. Mängden bränsle behöver inte vara mycket större än för ett vanligt kommersiellt flygplan.

Del 2: GTO

Efter några timmar i rymden dockar rymdplanet på GTO omloppsbana. Farkosten har nu bränt motsvarande knappa 12km/s hastighet, motsvarande 42 500km/h. De första 10 000km/h nåddes med hjälp av scram-jet och de övriga ca 32 000km/h nåddes med hjälp av hög specifik impuls raket motor med extern drivning, uppskattningsvis 1500s vilket gör att behovet av bränsle blir ungefär lika med övriga massan, vilket är snarlikt för ett kommersiellt långdistans flygplan.

Här i omloppsbana är allt viktlöst. Rymdstationen är en enorm station som primärt agerar barlast för Mars slungan. Mars slungan är ett järnvägs spår som pekar mot Mars, men de går naturligvis inte hela vägen fram. Spåret är av maglev typ och kan accelerera många ton till många tiotals km/s. Varje aktion har en likvärdig och motvänd kontra reaktion. Rymdstationen behöver därför vara mycket tung för att inte rubba sin bana allt för mycket. Men den har även ett stort kluster med jonmotorer för att synkronisera upp banan om banan kommer allt för långt ut. Rymdstationen är byggd i bitar på månen där den skjuts upp med en likande anordning.

Rymdstationen har även enorma batteribanker för att försörja slungan med energi under den korta period som accelererar. På rymdstationen byter man till en interplanetär farkost.

Del 3: Power
Väl fastspänd i farkosten flyter den sakta fram på rälsen till start positionen. Inte bara måste rymdstationen vara i optimal bana, den behöver även sikta exakt för att kompensera för gravitationen för både Jorden, Solen, Månen och även Mars. När magnetacceleratern avfyras accelerar den farkosten med motsvarande 5G, eller runt 50m/s^2. För att komma till mars räcker det med futtiga 1,3km/s eller 4680km/h, men vi vill inte bara komma dit, vi vill komma dit fort.

Avståndet från Mars till Jorden relativt till solen varierar, men är i genomsnitt 75miljarder meter vid de tidpunkter då planeterna närmar sig varandra. Men vi sikta på 30km/s ut över de 1,3km/h som behövs för att komma över tröskeln och naturligtvis den hastighet som jorden redan har. Jorden och Mars snurrar i samma riktning, så den biten behöver man inte ta hänsyn till (annars skulle de bli svårt). Att nå den här hastigheten tar endast ca 10 minuter, men under de 10 minuterna färdas man 900mil, motsvarande Sverige till Thailand.

Reaktionen av boasten trycker stationen ur banan rejält, men detta är inget större problem, förutsatt att avvikelsen inte blir för stor.

Del 4: Resan
När resan väl fått fart så liknar de mer en resa med ett skepp under 1500-talet. Farkosten är principelit en passiv sådan, en ballistisk kula. Men den har även atomdrivna styrraketer för att kompensera för oförutsebara fel och även kalibrera upp banan. Motorn kan även bromsa farkosten tillräckligt för att göra en retur resa direkt till jorden om man skulle misslyckas med att möta rymdstationen på andra sidan.

Farkosten är i princip bara ett stort skal i övrigt innehållande luft och last, bland annat människor. Efterhand som basstationen på Mars blivit större och resan blivit mer rimlig än tidigare, åker allt fler personer dit. Från en resa tur och retur på 2 år till en resa på under 2 månader är förbättringen avsevärd. Komunikation med jorden finns hela tiden via internet, men glöm att fraga nån på jorden, redan efter den första timmen in på resan blir retentionstiderna för långa.

Del 5: Inbromsningen
Om du tyckte att del 3 var skräckinjagande så har du inte ännu upplevt inbromsningen. Farkosten har nu vänt 180grader och är nu med bakändan på väg in i en identisk rymdstation som den vid jorden. För att kompensera för den högre energinivån vid Mars ligger rymdstationen där på en lägre omloppsbana, men de finns ytterligare ett skäl till detta.

I 30km/s ska rymdfarkosten pricka rampen. Man har bara ett försök, om man missar så måste man sätta på raketerna på max för att inte krocka med rymdstationen. Att träffa rampen är dock inte så svårt som de låter, trots att man åker i en enormt hög hastighet. När man väl sitter fast på rampen så börjar inbromsningen. Om man inte bromsar tillräckligt hårt eller något fel skulle uppstå riskerar man att cracha med rymdstationen, som extra nödfunktion kan bromsningen avbrytas när som helst, men detta är inget bra alternativ då man riskerar att missa omloppsbanan.

Inbromsningen ger rymdstationen energi på två sätt. Dels lagrar den upp elektrisk energi för att användas vid retur resan, och dels ger den rymdstationen en extra knuff i omloppsbanan för att ge den rörelsemomentet som behövs för att göra nästa uppskjutning.

Del 6: Rymdstation nr 2
Den här stationen är mycket snarlik den första, principen är den samma, storleken är snarlik och även kraften. Solpanelerna behöver vara något större för att kompensera för den mindre solinstrålningen. Att bygga stationen var dock en annan femma. Stationen byggdes precis som den första på månen och sköts upp i bitar till GTO runt jorden till den första rymdstationen. Därifrån sköt man prick på omloppsbanan runt mars med bitarna. För att hålla behovet av inbromsning till ett minimum så sköts dessa ut betydlgit långsammare.

När första delen av stationen var färdig börja så hade man en tidig och kort ramp som medgav att man fångade de resterande bitarna av rampen i allt högre hastighet.

Del 7: Nedstigning till Mars yta
Att landa på Mars är något knepigare än på jorden. Atmosfären är tunnare så aerodynamiska bromsar är mer eller mindre overksamma. Ett flygplan med mycket stora vingar kan flyga på Mars, så samma lösning som på jorden är i teorin möjlig.

Men den låga gravitationen och tunna atmosfären gör en annan möjlighet möjlig. En rymdkanon. Det krävs bara 4.1km/s eller 14 800km/h för att nå omloppsbana från Mars yta. Eftersom bergen och dalarna på Mars är större än på jorden sticker de högsta berget i princip fullständigt utanför atmosfären.

Åter igen så prickar man banan från rymden på vägen in för att ladda upp rampen. Den här gången finns de en rejäl fallskärm ifall man missar rampen, men här är de inte heller ofarligt. När man väl byggt slungorna kan man helt plötsligt relativt billigt skicka stora mängder gods från Jorden eller Månen till Mars. Mars kolonin tar fart, och växer fort.

Del 8: Vägen hem
Upp på ramen, åter igen 5G acceleration, men först bara 1½ acceleration och sedan ytterligare nån timme för att synka upp med rymdstationen. På rymdstationen skjuts man åter igen mot jorden, rymdstationen återvinner nu momentet som de fått vid ankomst. Resan är i övrigt lugn, händer just inte så mycket under månaden. Ankomsten är lika brutal den här gången som förra. Nu ger man GEO rymdstation sått moment åter. Hoppa på planet och cirkla ner till jorden för en normal landning.

Fördelen
Vad är då fördelen mot en raket kan man fråga. Jo fördelen är flera. Den mest uppenbara är att man kan återvinna både energi och moment. Energi är inte så svårt att få tag på i rymden, solen lyser konstant. Moment däremot är en annan femma. En annan fördel är att man drastiskt kan öka hastigheten. Ytterligare en fördel är att man kan ha mycket högre lastkapacitet. När man tidigare behövde bränsle för acceleration, inbromsning, acceleration och åter igen inbromsning, så behöver man ni bara nödbränsle för att lägga sig i omlopsbana.

När kommer tekniken?
Praktiskt taget finns den redan, vad som saknas är att kombinera den på rätt sätt, och resurserna att göra det. Maglev har nu funnits i många år. Kärnbränsle drivna raketer har funnits sedan 60-talet. Raketer som drivs via extern energi har ännu inte testats på en riktig raket, men väl labb. Jonraketer finns på existerande rymdfarkoster. I övrigt handlar de mest om att räkna ut de ballistiska banorna väl, vilket man kunnat göra ganska länge nu. I praktiken finns de inga konstigheter, i exempel utnyttjas helt enkelt tekniken vi redan har på ett extremt sätt. Detta kan jämföras med exempelvis rymdhiss som vi idag inte har teknik för att kunna bygga.
Vad som hindrar oss att bygga rymdstationer som dessa är att vi idag helt enkelt inte kan skicka upp saker i rymden tillräckligt effektivt. Att använda material från månen skulle lösa problemet eftersom man där kan slunga upp sakerna i rymden. Att skicka upp saker från jorden med en slunga är troligen inte praktiskt genomförbart eftersom vår atmosfär är för tjock, men om man skulle kunna göra de, skulle lösningen bli rimlig ganska fort.

Resa till andra solsystem?
Om man så enkelt kan resa till mars, kan man då inte resa till andra solsystem? Nja, de praktiska problemen blir rejält mycket större. Våra närmaste kompletterande solsystem ligger ett par ljusår bort. Med den här tekniken om man bygger det större kan man komma ganska närma ljusets hastighet och då skicka en sond till exempelvis Sirus eller Alpha Centauri och faktiskt få ett svar inom livstiden för de som skickat den. Men när man färdas så fort kan man inte stanna... eller för den delen svänga speciellt mycket.

Om man ska ha någon praktisk kommunikation med någon av våra närmsta stjärnor, så får man använda någon metod som är snabbare.

Hoppas de här eggar fantasin för någon att göra något bättre, snabbare och effektivare.