Propulsi laser dapat memenuhi kebutuhan kecepatan pesawat ruang angkasa kami

Ada banyak tempat indah di alam semesta yang ingin kita kunjungi dan mungkin tak terhitung lagi yang belum pernah kita lihat atau dengar. Sayangnya … mereka semua sangat jauh. Perjalanan ke Mars paling lama memakan waktu sekitar enam bulan dengan teknologi saat ini, sedangkan jika Anda ingin mengunjungi Alpha Centauri jaraknya empat tahun cahaya!

Ketika datang untuk menjembatani jarak yang jauh, teknologi roket kimia tradisional tidak cocok untuk Anda. Namun, ternyata, laser bisa menjadi kunci untuk mengurangi waktu perjalanan di luar angkasa!

45 hari dengan laser ke Mars

Konsep yang relatif sederhana, propulsi laser termal dapat mendorong pesawat ruang angkasa kita melalui lingkungan selestial kita lebih cepat daripada sebelumnya. Sinar laser kuat yang ditembakkan dari Bumi menargetkan penukar panas besar di atas kendaraan tempat propelan dipompa. Saat propelan yang dipanaskan mengembang, ia akhirnya dikeluarkan dari nosel, seperti roket konvensional. Ini juga mirip dengan konsep propulsi termal nuklir, tetapi alih-alih menggunakan panas dari reaksi nuklir, ia bergantung pada energi laser yang dipasok dari luar.

Sebuah makalah saat ini menunjukkan bahwa sistem propulsi seperti itu dapat berjalan pada kecepatan a impuls spesifik sekitar 3000 detik. Ini pada dasarnya adalah ukuran seberapa besar daya dorong yang dikembangkan mesin per massa bahan bakar. Pada 3000 detik, sistem propulsi laser termal dapat dikatakan setidaknya 12 kali lebih hemat bahan bakar dalam hal daya dorong daripada Space Shuttle Solid Rocket Boosters (SRB).

Hal ini memungkinkan mesin laser termal untuk mencapai perubahan kecepatan yang jauh lebih besar dengan bahan bakar yang lebih sedikit, memberikan misi ruang angkasa kemampuan untuk mengirim muatan lebih jauh dan lebih cepat. Perhitungan menunjukkan bahwa dengan rencana misi yang ideal, muatan sekitar 1000 kg dapat dikirim ke Mars hanya dalam 45 hari, jauh lebih cepat dari biasanya 6-7 bulan untuk misi bahan bakar kimia biasa.

Seperti yang diharapkan, teknologi yang digunakan kompleks. Misi akan membutuhkan array laser besar dengan urutan 100 MW. Pesawat ruang angkasa itu sendiri akan diluncurkan dari atmosfer dengan roket kimia konvensional, setelah itu akan terpisah dan memperlihatkan reflektor parabola tiup besar. Laser berbasis darat kemudian akan menyala hingga satu jam, menggunakan optik adaptif untuk melawan efek atmosfer bumi pada sinar. Reflektor parabola pada pesawat ruang angkasa kemudian akan memfokuskan energi ke ruang untuk memanaskan bahan bakar hidrogen, yang akan dikeluarkan dari nosel dengan kecepatan tinggi, memberikan daya dorong.

Jika diinginkan, pesawat ruang angkasa dapat dirancang untuk melepaskan pod muatan dalam perjalanannya ke Mars, dengan unit propulsi termal laser melepaskan dan kembali ke orbit Bumi yang stabil untuk pengisian bahan bakar. Ini memiliki keuntungan bahwa sistem propulsi itu sendiri dapat digunakan beberapa kali secara berurutan untuk mengangkut muatan jauh di luar Bumi.

Sistem seperti itu memiliki satu kelemahan utama yang menonjol. Sementara laser digunakan di Bumi untuk mempercepat pesawat ruang angkasa dengan kecepatan tinggi, tidak ada array laser setara di Mars yang dapat memperlambat pesawat ruang angkasa pada saat kedatangan. Juga, menggunakan propulsi kimia bukanlah cara yang praktis untuk memperlambat, karena akan memakan terlalu banyak muatan berguna kendaraan. Sebaliknya, para peneliti telah menemukan bahwa manuver pengereman yang sangat lembut di atmosfer Mars dapat digunakan untuk memperlambat kendaraan yang melaju. Namun, ini adalah operasi rumit yang perlu dijalankan dengan sempurna untuk memastikan kesuksesan.

Secara keseluruhan, sistem seperti itu dapat dengan mudah dikembangkan dalam jangka pendek. Meskipun tidak ada seorang pun yang memiliki rangkaian laser 100MW yang tergeletak begitu saja, namun pencapaian seperti itu tidak mungkin terjadi berkat teknologi laser serat optik modern. Demikian pula, banyak pekerjaan akan diperlukan untuk membuat pesawat ruang angkasa laser termal yang andal dan sistem darat yang mampu meluncurkan muatan ke arah yang berguna di ruang angkasa tidak hanya dibatasi oleh posisi relatif pesawat ruang angkasa dan laser darat .

Arahkan laser ke bintang-bintang

Jika Anda ingin mencapai bintang terdekat kami, Alpha Centauri, Anda harus melakukan perjalanan lebih cepat. Bahkan dengan kecepatan cahaya, butuh empat tahun untuk sampai ke sana. Oleh karena itu, sebuah probe yang berniat untuk melakukan perjalanan sejauh itu harus sedekat mungkin dengan kecepatan itu agar bisa sampai di sana dalam waktu yang wajar.

layar laser hanya dapat berisi jawaban untuk masalah ini. Mereka mengandalkan konsep tekanan radiasi foton, di mana cahaya yang mengenai permukaan benar-benar menciptakan tekanan dan mendorongnya. Disebut layar karena konsepnya persis seperti kapal layar berabad-abad yang lalu. Namun, alih-alih kain dan angin, layar laser menggantikan bahan nano canggih dan sinar laser yang kuat.

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa layar laser skala meter dapat mendorong kendaraan berbobot gram dengan kecepatan hingga 0,2 kali kecepatan cahaya. Ini akan memungkinkan Alpha Centauri dicapai dalam waktu sekitar 20 tahun, daripada puluhan ribu tahun yang dibutuhkan dengan peroketan konvensional.

Konsep ini akan membutuhkan penggunaan layar yang terdiri dari lembaran bahan yang sangat tipis seperti alumina, silikon nitrida, dan molibdenum disulfida. Ribuan kali lebih tipis dari selembar kertas, layarnya harus cukup kuat untuk tidak robek dan juga mampu membuang panas agar tidak meleleh oleh kekuatan laser yang mendorongnya.

Penataan layar nano yang canggih akan menjadi kunci untuk mencapai tujuan ini. Idenya adalah membuat layar dengan reflektifitas tinggi untuk memaksimalkan akselerasi karena tekanan fotonik sambil mempertahankan emisivitas termal yang tinggi agar layar cukup dingin agar tidak meleleh. Dengan larik laser 100 GW Menembak di layar bukanlah hal kecil. Mirip dengan layar konvensional di kapal layar, materi akan mengembang di bawah tekanan cahaya yang datang. Ini sangat mengurangi kemungkinan air mata.

Layar paling-paling akan mampu membawa muatan kecil beberapa gram. Diharapkan metode manufaktur canggih dapat menciptakan mikroprosesor, kamera, dan perangkat keras komunikasi untuk probe, yang mampu berkomunikasi melalui jarak yang sangat jauh antara Alpha Centauri dan Bumi.

Ini adalah rencana berani yang memungkinkan eksplorasi ruang angkasa untuk menangani subjek yang lebih jauh daripada sebelumnya. Namun, tantangan terkait sangat besar. Kebutuhan akan susunan laser yang sangat kuat melebihi kemampuan kami saat ini, dan masalah material belum teratasi. Selain itu, setiap pesan yang dikirim dari probe di Alpha Centauri akan membutuhkan waktu empat tahun untuk kembali ke Bumi, jadi ada masalah komunikasi juga.

Terlepas dari itu, penelitian yang dilakukan oleh Breakthrough Initiatives hingga saat ini menunjukkan bahwa konsep layar laser tidak selalu menjadi masalah fiksi ilmiah. Dengan investasi dan pengembangan yang tepat, suatu hari mereka bisa menjadi metode propulsi yang berguna untuk kapal penelitian.

Kesimpulan

Tidak seperti teknologi fiksi ilmiah lainnya seperti pendorong ion, metode propulsi laser ini masih jauh dari digunakan dalam misi luar angkasa nyata. Ada tantangan besar yang harus diatasi, dan ada baiknya juga memikirkan burung atau hewan liar malang lainnya yang berada dalam sorotan laser kelas megawatt atau gigawatt.

Namun, jika kita ingin membuka langit, itu akan membutuhkan lebih dari yang dapat disediakan oleh teknologi kita yang ada. Jadi proyek ini, atau mungkin yang lain ide-ide baru yang mewahbisa suatu hari membawa kita jauh melampaui tata surya kita sendiri.