Een nieuwe manier om raketten voort te stuwen kan mensen sneller naar Mars brengen. Het voortstuwingsmechanisme werkt volgens hetzelfde principe als zonnevlammen, waarbij magneetvelden aan het zonneoppervlak plasma de ruimte in slingeren.

Het apparaat – dat nu nog enkel op papier bestaat – werkt met plasma. In plasma zijn er elektronen van de aanwezige atomen of moleculen afgestript, waardoor er een gasachtig mengsel ontstaat van positief geladen atomen of moleculen en negatief geladen, vrije elektronen. Door plasmadeeltjes aan de achterkant uit een raket te schieten, creëer je voortstuwing.

Pittige voortstuwing

Er bestaan al plasma-motoren, maar deze gebruiken elektrische velden om plasma naar buiten te stuwen. Dit is efficiënt, maar niet erg krachtig. Het werkt voor kleine satellieten, maar als je een raket vol mensen en benodigdheden naar een andere planeet wilt sturen, heb je iets nodig met meer pit.

Waarom anders nadenken over tijd kan helpen de natuurkunde te verenigen
LEES OOK
Waarom anders nadenken over tijd kan helpen de natuurkunde te verenigen

Het nieuwe concept voldoet daaraan. Door geen elektrische, maar magnetische velden te creëren in het plasma, kan het plasmadeeltjes met honderden kilometers per seconde uit de achterkant van de raket drijven. Dat is tien keer sneller dan huidige voortstuwingstechnieken. En hoe sneller de ‘brandstof’ – in dit geval plasma, dat verbruikt wordt maar niet opbrandt – uitgestoten wordt, hoe krachtiger de voortstuwing.

‘Reizen over lange afstanden duurt maanden of jaren, omdat de impuls van de huidige chemische raketmotoren erg laag is. Daardoor duurt het even voordat het vaartuig op snelheid komt’, zegt Fatima Ebrahimi, van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Met het nieuwe mechanisme ‘kunnen we langeafstandsmissies in een kortere tijd voltooien.’

Ebrahimi is de auteur van het wetenschappelijke artikel over de nieuwe techniek. Ze voerde computersimulaties uit waarmee ze de haalbaarheid en hoge uitstootsnelheid aantoonde.

LEESTIP: op 23 maart 2021 verschijnt deze hardcover over de zon. Het boek is al te reserveren in onze webshop.

Zonnevlam- en tokamak-techniek

De nieuwe plasma-stuwraketten werken op basis van zogeheten magnetische herverbinding. Dat proces vindt ook plaats op de zon. Magnetische veldlijnen op het zonneoppervlak breken dan even los, waarna ze weer samenkomen. Hierbij komt veel energie vrij. Aan het zonneoppervlak veroorzaakt dit zonnevlammen.

Magnetische herverbinding komt ook voor in experimentele kernfusiereactoren, genaamd tokamaks. Dit zijn donutvormige machines waarin gloeiend heet plasma gevangen gehouden wordt met krachtige magneetvelden. Het doel is om in de toekomst energie op te wekken door in het plasma kernfusie te laten plaatsvinden.

De plasmaprocessen in tokamaks brachten Ebrahimi op het idee voor de nieuwe voortstuwingstechniek. Ebrahimi: ‘Als een tokamak aanstaat produceert hij magnetische bellen, plasmoïden genaamd. Die bewegen met een snelheid van ongeveer 20 kilometer per seconde. Dat deed mij denken aan stuwkracht.’

Plasmoïden zijn niet eerder onderzocht voor voortstuwing. Maar als ze gebruikt worden naast losse plasmadeeltjes, dan blijkt dat een raket een extra kick te geven. De snelheid kun je controleren door de sterkte van de magneetvelden aan te passen.

Een ander voordeel is dat je – in tegenstelling tot in elektrische plasmamotoren – zowel lichte als zware atomen kunt gebruiken. De elektrische voortstuwing werkt alleen met zware atomen, zoals xenon.

Tot nu toe heeft deze veelbelovende techniek zich alleen op een computerscherm bewezen. Ebrahimi: ‘De volgende stap is een een prototype bouwen.’

Fatima Ebrahimi voor een impressie van een fusieraket.
Bron: Elle Starkman (PPPL Office of Communications) en ITER