De ruimte in op kunstmatige zonnevlammen

Gieljan de Vries

2021-01-31 11:00:00

raketaandrijving

Geïnspireerd door uitbarstingen in haar fusiereactor denkt deze natuurkundige dat een magnetische raketaandrijving razendsnel naar andere planeten kan.

Theoretisch fysicus Fatima Ebrahimi van het Amerikaanse Princeton Plasma Physics Lab ziet het helemaal zitten: naar Mars en verder in een raket die bellen heet, geladen gas uitspuugt. Zo’n magnetische ruimteaandrijving zou weleens efficiënter en sneller kunnen zijn dan bestaande raketten.

Lees ook:

Magnetische raketaandrijving

Bij ruimtemissies telt elke gram, inclusief de brandstof. Daarom zoeken wetenschappers naar een betere ruimteaandrijving dan chemische raketten; die leveren wel veel stuwkracht, maar hebben daar een hoop massa voor nodig. Wat telt, is de snelheid waarmee de uitstoot van achteren uit de raket spuit; 4 kilometer/seconde voor een chemische raket, tientallen km/s voor kleine efficiënte ionenversnellers zoals de Hall-effect thruster. Zo’n ionenversneller levert te weinig kracht voor een lancering van het aardoppervlak, maar is ideaal voor manoeuvrerende satellieten.

In het vakblad Journal of Plasma Physics beschrijft de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Fatima Ebrahimi nu een magnetische raketaandrijving die een uitstootsnelheid van wel honderden km/s kan halen, én meer kracht zet dan een elektrische versneller. Ebrahimi is in het dagelijks leven kernfusieonderzoeker bij het Amerikaanse onderzoekslab PPPL. Ze kreeg haar ingeving toen ze nadacht over wat er gebeurt als het magneetveld in haar fusiereactor NSTX in de knoop raakt.

“Als we plasma (heet, geladen gas) maken in onze tokamak (donutvormige fusiereactor – red.), schieten er soms magnetische plasmoïdes weg met wel 20 km/s”, vertelt de onderzoekster in een persbericht. “Dat deed me denken: kun je dat mechanisme gebruiken als raketaandrijving? Dan zou je in maanden in plaats van jaren naar planeten voorbij Mars kunnen.”

magnetische raketaandrijving
Foto van rondrazende plasmoïdes (de ronde bellen links en rechts van de centrale pilaar) in het Amerikaanse kernfusie-experiment NSTX. © Ebrahimi en Raman, Physical Review Letters

Rookringen van gloeiend gas

Een hoop modelleerwerk later – het gedrag van elektrische geladen gasmassa’s in een magneetveld is notoir lastig – lijkt het antwoord: misschien. Ebrahimi draaide simulaties van een vrij simpele aandrijving met plasma van tienduizend graden Celsius (vrij lauw in fusietermen), verstrikt in een magneetveld. De sleutel tot haar aandrijving is magnetische reconnectie, waarbij stromend plasma magnetische veldlijnen meesleept tot die onder zoveel spanning staan dat ze knappen en zich herschikken. Daarbij wordt een deel van het plasma weggeschoten in de vorm van een magnetische, gloeiende rookring.

Ebrahimi’s ontwerp zou elke paar miljoenste seconde zo’n plasmoïde kunnen lanceren, voor een gestage stuwkracht van maximaal 100 Newton. Dat is genoeg om een gewicht van 10 kg op te tillen. Het vraagt dan wel 10 megawatt aan elektrisch vermogen – meer dan een satelliet op kan wekken via zonnepanelen; een kleine kernreactor zou de klus moeten klaren.

De uitstroomsnelheid en stuwkracht zijn instelbaar door de magneetkracht aan te passen, en in principe kun je als stuwstof elk geïoniseerd gas gebruiken dat je maar wil – bijtanken rond Saturnus zou dus moeten kunnen. Zou, want voorlopig zitten de enige voortrazende plasmoïdes nog gevangen in de tokamak NSTX en in Ebrahimi’s computermodel. Experimenten moeten nu uitwijzen of haar ruimteaandrijving ook werkt in de praktijk.

plasmoïde
Foto van rondrazende plasmoïdes (de ronde bellen links en rechts van de centrale pilaar) in het Amerikaanse kernfusieexperiment NSTX.

Bronnen: Journal of Plasma Physics, PPPL via EurekAlert!

Beeld: Elle Starkman (PPPL) / ITER

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

Nieuwste editie

Met onder andere: Vliegende auto's - Leven na corona - Naaldloze injecties