Der er blevet foreslået flere teknologier, som både sparer brændstof og giver betydeligt hurtigere rejser end den traditionelle metode med Hohmann-overførsler. Nogle er stadig kun teoretiske, men med tiden er flere af de teoretiske tilgange blevet afprøvet på rumflyvningsmissioner. F.eks. var Deep Space 1-missionen en vellykket afprøvning af et ion-drev. Disse forbedrede teknologier fokuserer typisk på et eller flere af følgende områder:

• Rumfremdriftssystemer med langt bedre brændstoføkonomi. Sådanne systemer ville gøre det muligt at rejse meget hurtigere og samtidig holde brændstofomkostningerne inden for acceptable grænser.
• Anvendelse af solenergi og udnyttelse af ressourcer på stedet for at undgå eller minimere den dyre opgave med at transportere komponenter og brændstof op fra jordens overflade mod jordens tyngdekraft (se “Anvendelse af ikke-jordiske ressourcer” nedenfor).
• Nye metoder til udnyttelse af energi på forskellige steder eller på forskellige måder, der kan forkorte transporttiden eller reducere omkostningerne pr. masseenhed for rumtransport

Ud over at gøre rejserne hurtigere eller billigere kan sådanne forbedringer også give mulighed for større “sikkerhedsmargener” i forbindelse med konstruktionen ved at mindske nødvendigheden af at gøre rumfartøjer lettere.

Forbedrede raketkoncepterRediger

Alle raketkoncepter er begrænset af raketligningen, som fastsætter den karakteristiske hastighed, der er til rådighed som en funktion af udstødningshastighed og masseforholdet, af initial (M0, inklusive brændstof) til endelig (M1, brændstof tømt) masse. Hovedkonsekvensen er, at missionshastigheder på mere end et par gange raketmotorens udstødningshastighed (i forhold til køretøjet) hurtigt bliver upraktisk.

Kernevarme- og solvarmeraketterRediger

I en kernevarmeraket eller solvarmeraket opvarmes en arbejdsvæske, normalt brint, til en høj temperatur og udvider sig derefter gennem en raketdyse for at skabe fremdrift. Energien erstatter den kemiske energi fra de reaktive kemikalier i en traditionel raketmotor. På grund af brints lave molekylmasse og dermed høje termiske hastighed er disse motorer mindst dobbelt så brændstofeffektive som kemiske motorer, selv efter at reaktorens vægt er medregnet.

Den amerikanske atomenergikommission og NASA afprøvede et par konstruktioner fra 1959 til 1968. NASA’s konstruktioner var tænkt som erstatning for de øverste trin i Saturn V-løfteraketten, men afprøvningerne afslørede pålidelighedsproblemer, hovedsagelig forårsaget af de vibrationer og den opvarmning, der var forbundet med at drive motorerne med så høj trykkraft. Politiske og miljømæssige overvejelser gør det usandsynligt, at en sådan motor vil blive anvendt inden for en overskuelig fremtid, da termiske atomraketter ville være mest nyttige ved eller nær Jordens overflade, og konsekvenserne af en fejlfunktion kunne være katastrofale. Koncepter med spaltningsbaserede termiske raketter giver lavere udstødningshastigheder end de elektriske og plasmakoncepter, der er beskrevet nedenfor, og er derfor mindre attraktive løsninger. For anvendelser, der kræver et højt forhold mellem tryk og vægt, som f.eks. planetarisk flugt, er termisk kernekraft potentielt mere attraktiv.

Elektrisk fremdriftRediger

Elektriske fremdriftssystemer anvender en ekstern kilde som f.eks. en atomreaktor eller solceller til at generere elektricitet, som derefter bruges til at accelerere et kemisk inert drivmiddel til hastigheder, der er langt højere end dem, der opnås i en kemisk raket. Sådanne drev producerer en svag fremdrift og er derfor uegnede til hurtige manøvrer eller til opsendelse fra en planets overflade. Men de er så økonomiske i deres brug af reaktionsmasse, at de kan blive ved med at affyre uafbrudt i dage eller uger, mens kemiske raketter opbruger reaktionsmassen så hurtigt, at de kun kan affyre i sekunder eller minutter. Selv en tur til Månen er lang nok til, at et elektrisk fremdriftssystem kan overhale en kemisk raket – Apollo-missionerne tog 3 dage i hver retning.

NASA’s Deep Space One var en meget vellykket test af en prototype af et ion-drev, som affyrede i i alt 678 dage og gjorde det muligt for sonden at køre ned til kometen Borrelly, hvilket ville have været umuligt for en kemisk raket. Dawn, den første operationelle NASA-mission (dvs. uden teknologidemonstration), der anvender et ion-drev til sin primære fremdrift, har med succes sat sig i kredsløb om de store hovedbælte-asteroider 1 Ceres og 4 Vesta. En mere ambitiøs, atomdrevet version var beregnet til en Jupiter-mission uden menneskelig besætning, Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), som oprindeligt var planlagt til opsendelse engang i det næste årti. På grund af et skift i NASA’s prioriteringer, der favoriserede rummissioner med bemandede rumfartøjer, mistede projektet sin finansiering i 2005. En lignende mission er i øjeblikket under drøftelse som den amerikanske del af et fælles NASA/ESA-program til udforskning af Europa og Ganymedes.

Et NASA-team til vurdering af teknologianvendelser, der er sammensat af flere centre og ledes af Johnson Spaceflight Center, har i januar 2011 beskrevet “Nautilus-X”, en konceptundersøgelse af et rumudforskningsfartøj med flere missioner, der kan anvendes til missioner uden for lavt kredsløb om Jorden (LEO) af op til 24 måneders varighed med en besætning på op til seks personer. Selv om Nautilus-X kan tilpasses til en række missionsspecifikke fremdriftsenheder med forskellige konstruktioner med lavt tryk og høj specifik impuls (Isp), er atom-elektrisk ion-drift vist til illustrative formål. Den er beregnet til integration og kontrol på den internationale rumstation (ISS) og vil være velegnet til missioner i det dybe rum fra ISS til og ud over Månen, herunder Jorden/Måne L1, Solen/Jorden L2, asteroide asteroider i jordnær kredsløb og Mars-bane. Den indeholder en centrifuge med reduceret g-kraft, der giver besætningen kunstig tyngdekraft for at forbedre virkningerne af langvarig 0g-eksponering og evnen til at afbøde rumstrålingsmiljøet.

Fissionsdrevne raketterRediger

De missioner med elektrisk fremdrift, der allerede er fløjet, eller som i øjeblikket er planlagt, har anvendt elektrisk solenergi, hvilket begrænser deres evne til at operere langt fra solen og også begrænser deres maksimale acceleration på grund af den elektriske energikildes masse. Atom-elektriske motorer eller plasmamotorer, der fungerer i lange perioder med lavt tryk og drives af fissionsreaktorer, kan nå meget højere hastigheder end kemisk drevne fartøjer.

FusionsraketterRediger

Fusionsraketter, der drives af nukleare fusionsreaktioner, ville “brænde” sådanne lette grundstofbrændstoffer som deuterium, tritium eller 3He. Fordi fusion giver ca. 1 % af brændstoffets masse som frigivet energi, er det energimæssigt mere gunstigt end fission, som kun frigiver ca. 0,1 % af brændstoffets masseenergi. Imidlertid kan enten fissions- eller fusionsteknologier i princippet opnå hastigheder, der er langt højere end det, der er nødvendigt for udforskning af Solsystemet, og fusionsenergi afventer stadig praktisk demonstration på Jorden.

Et forslag, der anvender en fusionsraket, var Projekt Daedalus. Et andet ret detaljeret køretøjssystem, der er designet og optimeret til udforskning af Solsystemet med besætning, “Discovery II”, baseret på D3He-reaktionen, men med brint som reaktionsmasse, er blevet beskrevet af et hold fra NASA’s Glenn Research Center. Det opnår karakteristiske hastigheder på >300 km/s med en acceleration på ~1,7-10-3 g, med en skibets startmasse på ~1700 tons og en nyttelastfraktion på over 10%.

Eksotisk fremdriftRediger

Se artiklen om fremdrift af rumfartøjer for en diskussion af en række andre teknologier, der på mellemlang til lang sigt kunne danne grundlag for interplanetariske missioner. I modsætning til situationen med interstellare rejser involverer hindringerne for hurtige interplanetariske rejser teknik og økonomi snarere end nogen grundlæggende fysik.

SolsejlRediger

Solsejl bygger på det faktum, at lys, der reflekteres fra en overflade, udøver et tryk på overfladen. Strålingstrykket er lille og aftager med kvadratet på afstanden fra solen, men i modsætning til raketter kræver solsejl ikke noget brændstof. Selv om trykket er lille, fortsætter det, så længe Solen skinner, og sejlet er sat ud.

Det oprindelige koncept byggede kun på stråling fra Solen – f.eks. i Arthur C. Clarkes historie “Sunjammer” fra 1965. I nyere design af lette sejl foreslås det, at man øger drivkraften ved at rette jordbaserede lasere eller masere mod sejlet. Jordbaserede lasere eller masere kan også hjælpe et letsejlsrumfartøj med at bremse: sejlet deles op i en ydre og en indre sektion, den ydre sektion skubbes fremad, og dens form ændres mekanisk for at fokusere den reflekterede stråling på den indre sektion, og den stråling, der fokuseres på den indre sektion, virker som en bremse.

Selv om de fleste artikler om lyssejl fokuserer på interstellare rejser, har der været flere forslag om deres anvendelse inden for solsystemet.

På nuværende tidspunkt er det eneste rumfartøj, der anvender et solsejl som hovedfremdriftsmetode, IKAROS, der blev opsendt af JAXA den 21. maj 2010. Det er siden blevet opsat med succes og har vist sig at producere acceleration som forventet. Mange almindelige rumfartøjer og satellitter bruger også solfangere, temperaturkontrolpaneler og solskærme som lette sejl til at foretage mindre korrektioner af deres stilling og kredsløb uden brug af brændstof. Nogle få har endda haft små specialbyggede solsejl til dette formål (f.eks. Eurostar E3000 geostationære kommunikationssatellitter bygget af EADS Astrium).

CyklereRediger

Det er muligt at placere stationer eller rumfartøjer på baner, der cykler mellem forskellige planeter, f.eks. ville en Marscyklere cykle synkront mellem Mars og Jorden med et meget lille forbrug af drivmiddel til at opretholde banen. Cyklere er konceptuelt set en god idé, fordi massive strålingsskjolde, livsunderstøttelse og andet udstyr kun behøver at blive sat på cyklernes bane én gang. En cycler kan kombinere flere roller: levested (den kan f.eks. dreje rundt for at skabe en “kunstig tyngdekraft”-effekt), moderskib (som giver livshjælp til besætningerne på mindre rumfartøjer, der tager med på cykleren). Cyklere kunne muligvis også være fremragende fragtskibe til genforsyning af en koloni.

RumelevatorRediger

En rumelevator er en teoretisk struktur, som ville kunne transportere materiale fra en planets overflade til kredsløb. Ideen er, at når først det dyre arbejde med at bygge elevatoren er afsluttet, kan et ubestemt antal laster transporteres op i kredsløb til minimale omkostninger. Selv de enkleste konstruktioner undgår den onde cirkel med raketopsendelser fra overfladen, hvor det brændstof, der er nødvendigt for at tilbagelægge de sidste 10 % af afstanden til kredsløb, skal løftes hele vejen fra overfladen, hvilket kræver endnu mere brændstof, osv. Mere sofistikerede rumelevatorkonstruktioner reducerer energiomkostningerne pr. tur ved hjælp af modvægte, og de mest ambitiøse konstruktioner sigter mod at afbalancere belastningerne på vej op og ned og dermed gøre energiomkostningerne tæt på nul. Rumelevatorer er også nogle gange blevet omtalt som “bønnebanke”, “rumbroer”, “rumlifte”, “rumtrapper” og “orbitale tårne”.

En jordisk rumelevator er uden for vores nuværende teknologi, selv om en rumelevator på månen teoretisk set kunne bygges ved hjælp af eksisterende materialer.

SkyhookEdit

En skyhook er en teoretisk klasse af tetherfremdrift i kredsløb, der er beregnet til at løfte nyttelast til store højder og hastigheder. Forslag til skyhooks omfatter konstruktioner, der anvender tethers, der snurrer med hypersonisk hastighed for at fange nyttelaster med høj hastighed eller fly i stor højde og placere dem i kredsløb. Desuden er det blevet foreslået, at den roterende skyhook “ikke er teknisk gennemførlig med de materialer, der er til rådighed på nuværende tidspunkt”.

Genanvendelighed af løfteraketter og rumfartøjerRediger

SpaceX Starship, hvis første opsendelse er planlagt til tidligst 2020, er designet til at være fuldt og hurtigt genanvendeligt og gør brug af SpaceX’ genanvendelige teknologi, der blev udviklet i perioden 2011-2018 til Falcon 9- og Falcon Heavy-løfteraketterne.

SpaceX’ administrerende direktør Elon Musk anslår, at genanvendeligheden alene på både løfteraketten og rumfartøjet i forbindelse med Starship vil reducere de samlede systemomkostninger pr. ton leveret til Mars med mindst to størrelsesordener i forhold til det, som NASA tidligere har opnået.

Opstilling af drivmidlerRediger

Ved opsendelse af interplanetariske sonder fra jordens overflade med al den energi, der er nødvendig for den langvarige mission, er mængden af nyttelast nødvendigvis ekstremt begrænset på grund af de begrænsninger i basismassen, der beskrives teoretisk af raketligningen. Et alternativ til at transportere mere masse på interplanetariske baner er at opbruge næsten al drivmidlet i det øverste trin ved opsendelsen og derefter genopfylde drivmidlerne i kredsløb om Jorden, inden raketten affyres til flugthastighed for en heliocentrisk bane. Disse drivmidler kan opbevares i kredsløb i et drivmiddeldepot eller transporteres til kredsløb i en tankvogn, som overføres direkte til det interplanetariske rumfartøj. Med henblik på at returnere masse til Jorden er en beslægtet mulighed at udvinde råmaterialer fra et himmellegeme i solsystemet, raffinere, behandle og opbevare reaktionsprodukterne (drivmiddel) på solsystemet, indtil et fartøj skal lastes med henblik på opsendelse.

Tankeroverførsler i kredsløbRediger

Som i 2019 er SpaceX ved at udvikle et system, hvor et genanvendeligt første trinfartøj vil transportere et bemandet interplanetarisk rumfartøj til kredsløb om Jorden, løsne sig, vende tilbage til sin affyringsrampe, hvor et tankerrumfartøj vil blive monteret på toppen af det, derefter begge tankes op, og derefter opsendes igen for at mødes med det ventende bemandede rumfartøj. Tankfartøjet vil derefter overføre sit brændstof til rumfartøjet med menneskelig besætning til brug på dets interplanetariske rejse. SpaceX Starship er et rumfartøj med rustfri stålstruktur, der drives af seks Raptor-motorer, som arbejder med fortættet metan/ilt-drivmiddel. Det er 55 m (180 ft) langt, 9 m (30 ft) i diameter på det bredeste sted og kan transportere op til 100 tons fragt og passagerer pr. rejse til Mars, med genopfyldning af drivmiddel i kredsløb før den interplanetariske del af rejsen.

Drivmiddelfabrik på et himmellegemeNedér

Som et eksempel på et finansieret projekt, der er under udvikling, er en vigtig del af det system, som SpaceX har designet til Mars for radikalt at reducere omkostningerne ved rumflyvning til interplanetariske destinationer, placeringen og driften af en fysisk fabrik på Mars til at håndtere produktion og opbevaring af de drivmiddelkomponenter, der er nødvendige for at opsende og flyve rumskibene tilbage til Jorden, eller måske for at øge den masse, der kan transporteres videre til destinationer i det ydre solsystem.

Det første stjerneskib til Mars vil medbringe et lille drivmiddelanlæg som en del af sin last. Anlægget vil blive udvidet i løbet af flere synoder, efterhånden som mere udstyr ankommer, installeres og sættes i overvejende autonom produktion.

SpaceX’ drivmiddelanlæg vil drage fordel af de store kuldioxid- og vandressourcer på Mars ved at udvinde vandet (H2O) fra isen under overfladen og opsamle CO2 fra atmosfæren. Et kemisk anlæg vil behandle råmaterialerne ved hjælp af elektrolyse og Sabatier-processen for at producere ilt (O2) og metan (CH4) og derefter gøre det flydende for at lette langtidsopbevaring og endelig anvendelse.

Brug af extraterrestriske ressourcerRediger