Ny teknik sänder rymdfarkoster på långfärd: till Mars på en tank vatten

Ingenjörerna bakom tekniken tänker sig en framtid där rymdsonder färdas genom solsystemet, endast drivna av vatten och energi från exempelvis solceller. Längs vägen kan rymdfarkosterna tankas med vatten från månen, Mars eller asteroider.

På så vis kan vi få farkoster som färdas kors och tvärs genom solsystemet utan att någonsin få slut på bränsle.

Vatten skapar framdrift

Det kan låta märkligt att tala om vatten som ett bränsle; vatten kan ju inte brinna. En raketmotor kräver emellertid inte att ett ämne bokstavligt talat brinner. Det enda som krävs är att något leds ut genom en dysa, vilket driver farkosten i motsatt riktning.

Det kan till exempel vara vatten.

En enkel raket kan tillverkas av en vattenflaska som man fyller till hälften med vatten och sedan pumpar in ordentligt med luft i. När flaskan öppnas pressar den komprimerade luften ut vattnet, så att raketen slungas iväg. År 2015 slog en grupp ingenjörsstudenter vid universitetet i Cape Town i Sydafrika höjdrekord med 830 meter för en raket driven av vatten och tryckluft.

En sådan raket är dock inte särskilt effektiv, eftersom vattnet inte slungas särskilt snabbt bakåt och dessutom snabbt tar slut. Då är det betydligt mer energieffektivt att värma vattnet tills det övergår till ånga och sedan leda ut ångan genom en dysa.

Vatten expanderar kraftigt när det övergår från flytande form till gasform. Ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig vattenmolekylerna när de leds ut och skapar framdrift.

Ångmotorer är billiga och kan göras så små att de får plats i satelliter stora som en skokartong eller mindre. Trots det kan de generera tillräckligt mycket kraft för att en satellit ska kunna hålla sig i sin bana runt jorden och vid behov byta bana, ifall den exempelvis riskerar att kollidera med en annan satellit.

En annan fördel är att medan många satelliter i dag har små raketmotorer som drivs av kemikalien hydrazin, som är både giftig och cancerframkallande, är vatten riskfritt att arbete med inför uppsändningen.

Utifrån den principen har ingenjörer vid universitetet i Tokyo grundat företaget Pale Blue, som utvecklar och säljer små ångmotorer till satelliter.

En sådan motor sitter i den lilla japanska satelliten Eye, som elektronikjätten Sony ligger bakom. Eye sändes upp i omloppsbana den 3 januari 2023 för att ta bilder av jorden från 500–600 kilometers höjd.

Två månader senare testades ångraketmotorn och visade att den klarar att hålla satelliten i rätt bana. Därmed förlänger ångmotorn Eyes livslängd med ungefär två och ett halvt år.

Sådana ångmotorer är dock inte tillräckligt kraftfulla för att kunna manövrera större satelliter, eller för den delen sända rymdfarkoster på långfärd ut i solsystemet. För det behövs mer kraft.

Mikrovågor krossar molekyler

Vattenmotorer till långa rymdresor kräver höga temperaturer. Ju varmare gasen som slungas ut är, desto högre blir accelerationen. I kemiska raketmotorer, där bränslet förbränns, når temperaturen upp till drygt 3 000 grader. Men vatten kan faktiskt bli ännu varmare.

När vatten blir tusentals grader varmt börjar molekylerna lösas upp. Vattnet förångas då inte bara, utan övergår till nästa aggregationstillstånd och blir ett så kallat plasma, en ultravarm soppa av atomkärnor och elektroner som far runt mellan varandra.

Så höga temperaturer kan uppnås om man bombarderar vattnet med mikrovågor, som omvandlar vattnet till plasma. Detta har varit känt sedan 1960-talet, och i grund och botten är tekniken den samma som den som används i en mikrovågsugn, där el omvandlas till mikrovågor i en så kallad magnetron. I de första försöken med plasmamotorer använde forskarna faktiskt delar från mikrovågsugnar för att producera mikrovågorna.

Sedan dess har ingenjörerna arbetat vidare med konceptet. Den stora utmaningen har dock alltid varit att kontrollera det varma plasmat. Plasmat måste hållas i mitten av motorn tills det leds ut genom en dysa och det får inte komma i kontakt med andra delar av motorn, eftersom de riskerar att smälta av de enormt höga temperaturerna.

Den utmaningen har företaget Momentus löst genom att skydda motorn med ett yttre lager av sval vattenånga, som omger det varmaste plasmat i mitten.

I framtiden vill Momentus använda vattendrivna raketmotorer i ett stort antal satelliter, som ska fungera som bogserbåtar i rymden och flyga mindre satelliter på plats i rätt omloppsbana runt jorden.

Företaget har erbjudit sig att förlänga Hubbleteleskopet livslängd genom att se till att det kommer högre upp i sin bana. Utan ett lyft kommer nämligen det berömda rymdteleskopet att börja sjunka under de närmaste 15 åren.

Momentus är dock inte ensamt. Ett annat nystartat företag, Argo Space, har ännu större ambitioner i rymden.

Farkoster tankar automatiskt

Argo Space grundades av bröderna Robert, Ryan och Kirby Carlisle, som alla har en bakgrund i det framgångsrika rymdtransportföretaget SpaceX. Argo Space har mycket ambitiösa planer på en helt ny rymdinfrastruktur, baserad på vatten.

Tanken är att rymdfarkoster ska tankas med vatten från månen. Längst ner i kratrar vid månens poler finns hundratals miljoner ton vatten i form av is, och det finns även en del vatten bundet i dammet på månens yta.

Om vi kan utvinna vatten på månen, rena det och lasta det ombord på tankfarkoster, så skulle satelliter och rymdsonder kunna stanna till vid kretsande vattenstationer och tanka.

Det kan låta helt galet att utvinna vatten på månen när vi har massor av vatten här på jorden. Men saken är den att det är mycket enklare och billigare att få ut vattnet i rymden från månen än från jorden, eftersom gravitationen är så mycket svagare på månen.

Is finns i många andra delar av solsystemet, till exempel på Mars, på asteroider och på månar som kretsar runt de yttre planeterna. Med rätt teknik kan rymdsonder på långfärd mellanlanda och fylla tanken med vatten.

Forskare vid Lunar and Planetary Institute, som stöttas av Nasa, har föreslagit att man ska tillverka en farkost med namnet [Spider], uppkallad efter sina åtta ben, som alla är försedda med borrar som kan utvinna is på asteroider.

Om Nasa eller någon annan lyckas konstruera farkoster som själva kan tanka vatten öppnas utforskningen av solsystemet verkligen upp, för då kommer farkosterna i princip aldrig att få slut på bränsle.

Vatten finns nämligen inte bara på månen och Mars, utan överallt på avlägsna planeter och asteroider i solsystemet.