Már több olyan technológiát is javasoltak, amelyek üzemanyagot takarítanak meg és jelentősen gyorsabb utazást tesznek lehetővé, mint a Hohmann-transzferek hagyományos módszere. Némelyik még csak elméleti, de idővel több elméleti megközelítést is kipróbáltak űrrepülési küldetéseken. A Deep Space 1 küldetés például az ionhajtás sikeres tesztje volt. Ezek a továbbfejlesztett technológiák jellemzően a következők egyikére vagy közülük többre összpontosítanak:

• Sokkal jobb üzemanyag-takarékosságú űrhajtóművek. Az ilyen rendszerek lehetővé tennék a sokkal gyorsabb utazást, miközben az üzemanyagköltséget elfogadható keretek között tartanák.
• A napenergia és a helyszíni erőforrás-hasznosítás felhasználása, hogy elkerüljék vagy minimalizálják az alkatrészek és az üzemanyag Föld felszínéről történő, a Föld gravitációja ellenében történő felszállításának költséges feladatát (lásd alább a “Nem földi erőforrások felhasználása” című részt).
• Az energia különböző helyeken vagy különböző módon történő felhasználásának újszerű módszerei, amelyek lerövidíthetik a szállítási időt vagy csökkenthetik az űrszállítás egységnyi tömegre vetített költségét

Az utazás gyorsabbá vagy olcsóbbá tétele mellett az ilyen fejlesztések nagyobb tervezési “biztonsági tartalékokat” is lehetővé tehetnek, csökkentve az űrhajók könnyebbé tételének kényszerét.

Továbbfejlesztett rakétakoncepciókSzerkesztés

Minden rakétakoncepciót korlátoz a rakétaegyenlet, amely a rendelkezésre álló jellemző sebességet a kipufogógázsebesség és a tömegarány, a kezdeti (M0, üzemanyaggal együtt) és a végső (M1, üzemanyaggal megfogyatkozott) tömeg függvényében határozza meg. Ennek fő következménye, hogy a rakétamotor kipufogógázának (a járműhöz viszonyított) sebességének néhányszorosánál nagyobb missziós sebességek gyorsan kivitelezhetetlenné válnak.

Nukleáris termikus és naphőrakétákSzerkesztés

A nukleáris termikus rakétában vagy naphőrakétában egy munkafolyadékot, általában hidrogént, magas hőmérsékletre melegítenek, majd egy rakétafúvókán keresztül tolóerő létrehozása céljából kitágul. Az energia a hagyományos rakétahajtóművekben a reaktív vegyi anyagok kémiai energiáját helyettesíti. A hidrogén kis molekulatömege és ezáltal nagy hősebessége miatt ezek a hajtóművek legalább kétszer olyan hatékony üzemanyag-felhasználásúak, mint a kémiai hajtóművek, még a reaktor súlyának figyelembevétele után is.

Az Egyesült Államok Atomenergia Bizottsága és a NASA 1959 és 1968 között tesztelt néhány tervet. A NASA terveit a Saturn V hordozórakéta felső fokozatainak helyettesítőjeként tervezték, de a tesztek során megbízhatósági problémák merültek fel, amelyeket elsősorban a motorok ilyen nagy tolóerővel való működtetésével járó rezgés és felmelegedés okozott. Politikai és környezetvédelmi megfontolások miatt nem valószínű, hogy belátható időn belül ilyen hajtóművet használnának, mivel a nukleáris termikus rakéták leginkább a Föld felszínén vagy annak közelében lennének hasznosak, és egy meghibásodás következményei katasztrofálisak lennének. A maghasadáson alapuló termikus rakétakoncepciók kisebb kilövési sebességet produkálnak, mint az alább ismertetett elektromos és plazma koncepciók, ezért kevésbé vonzó megoldások. A nagy tolóerő-tömeg arányt igénylő alkalmazásokhoz, mint például a bolygóról való menekülés, a nukleáris hőhajtás potenciálisan vonzóbb.

Elektromos meghajtásSzerkesztés

A villamos meghajtású rendszerek külső forrást, például atomreaktort vagy napelemeket használnak villamos energia előállítására, amelyet azután egy kémiailag inert hajtóanyagnak a kémiai rakétáknál sokkal nagyobb sebességre történő felgyorsítására használnak. Az ilyen hajtóművek gyenge tolóerőt produkálnak, ezért nem alkalmasak gyors manőverekre vagy bolygók felszínéről történő indításra. De olyan gazdaságosan használják fel a reakciótömeget, hogy napokig vagy hetekig képesek folyamatosan tüzelni, míg a kémiai rakéták olyan gyorsan elhasználják a reakciótömeget, hogy csak másodpercekig vagy percekig képesek tüzelni. Még a Holdra való utazás is elég hosszú ahhoz, hogy egy elektromos meghajtórendszer megelőzzön egy kémiai rakétát – az Apollo-küldetések mindkét irányba 3 napig tartottak.

A NASA Deep Space One nagyon sikeres tesztje volt egy ionhajtómű prototípusának, amely összesen 678 napig működött, és lehetővé tette, hogy a szonda lefusson a Borrelly üstökösön, ami egy kémiai rakéta számára lehetetlen lett volna. A Dawn, a NASA első olyan operatív (azaz nem technológiai demonstrációs) küldetése, amely elsődleges hajtóműként ionhajtóművet használt, sikeresen megkerülte az 1. Ceres és a 4. Vesta nagy aszteroidákat. Egy ambiciózusabb, nukleáris meghajtású változatot szántak egy emberes személyzet nélküli Jupiter-misszióra, a Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) számára, amelyet eredetileg valamikor a következő évtizedben terveztek indítani. A NASA prioritásainak eltolódása miatt, amely az emberes személyzetű űrmissziókat részesítette előnyben, a projekt 2005-ben elvesztette a finanszírozását. Jelenleg egy hasonló küldetésről folynak tárgyalások, amely az Europa és a Ganymedes felderítésére irányuló közös NASA/ESA program amerikai komponensét képezné.

A NASA több központból álló, a Johnson Spaceflight Center által vezetett Technology Applications Assessment Team 2011 januárjában ismertette a “Nautilus-X” koncepciótanulmányt, amely egy olyan többfeladatú űrkutatási járműről szól, amely az alacsony Föld körüli pályán (LEO) kívüli, legfeljebb 24 hónapos időtartamú, legfeljebb hatfős legénységgel végrehajtott küldetésekhez használható. Bár a Nautilus-X adaptálható számos küldetésspecifikus meghajtóegységhez, amelyek különböző kis tolóerővel és nagy fajlagos impulzussal (Isp) rendelkeznek, a szemléltetés érdekében nukleáris ion-elektromos meghajtás szerepel. Ezt az egységet a Nemzetközi Űrállomáson (ISS) történő integrálásra és ellenőrzésre szánják, és alkalmas lenne az ISS-ről a Holdra és azon túlra irányuló mélyűri küldetésekhez, beleértve a Föld/Hold L1, a Nap/Föld L2, a földközeli aszteroidák és a Mars körüli pályára állást. Tartalmaz egy csökkentett tömegű centrifugát, amely mesterséges gravitációt biztosít a legénység egészsége számára, hogy enyhítse a hosszú távú 0g expozíció hatásait, és képes az űrsugárzási környezet mérséklésére.

Hasadással működő rakétákSzerkesztés

A már repült vagy jelenleg tervezett elektromos meghajtású küldetések napenergiával működnek, ami korlátozza a Naptól távoli működésüket, és az elektromos áramforrás tömege miatt a csúcsgyorsulásukat is korlátozza. A hosszú ideig kis tolóerővel működő, maghasadási reaktorok által hajtott nukleáris elektromos vagy plazmahajtóművek sokkal nagyobb sebességet érhetnek el, mint a kémiai meghajtású járművek.

Fúziós rakétákSzerkesztés

A magfúziós reakciókkal hajtott fúziós rakéták olyan könnyűelemes üzemanyagokat “égetnének el”, mint a deutérium, trícium vagy 3He. Mivel a fúzió a nukleáris üzemanyag tömegének kb. 1%-át adja felszabaduló energiaként, energetikailag kedvezőbb, mint a maghasadás, amely az üzemanyag tömegenergiájának csak kb. 0,1%-át szabadítja fel. Azonban akár a hasadási, akár a fúziós technológiák elvileg sokkal nagyobb sebességet érhetnek el, mint amire a Naprendszer felfedezéséhez szükség van, és a fúziós energia még mindig gyakorlati demonstrációra vár a Földön.

A fúziós rakétát használó egyik javaslat a Daedalus projekt volt. Egy másik, meglehetősen részletes, a Naprendszer legénységgel történő felfedezésére tervezett és optimalizált járműrendszert, a “Discovery II”-t, amely a D3He reakción alapul, de hidrogént használ reakciótömegként, a NASA Glenn Kutatóközpontjának egy csapata írta le. Ez >300 km/s jellemző sebességet ér el ~1,7-10-3 g gyorsulással, ~1700 tonnás kezdeti hajótömeggel és 10% feletti hasznos teherhányaddal.

Egzotikus meghajtásSzerkesztés

Az űrhajók meghajtásáról szóló cikk számos más olyan technológiát tárgyal, amelyek közép- és hosszabb távon a bolygóközi küldetések alapját képezhetik. A csillagközi utazások helyzetétől eltérően a gyors bolygóközi utazások akadályai inkább mérnöki és gazdasági jellegűek, mintsem alapvető fizika.

NapvitorlákSzerkesztés

A napvitorlák azon a tényen alapulnak, hogy a felületről visszaverődő fény nyomást gyakorol a felületre. A sugárzási nyomás kicsi, és a Naptól való távolság négyzetével csökken, de a rakétákkal ellentétben a napvitorláknak nincs szükségük üzemanyagra. Bár a tolóerő kicsi, de addig tart, amíg a Nap süt, és a vitorla ki van hajtva.

Az eredeti koncepció csak a Nap sugárzására támaszkodott – például Arthur C. Clarke 1965-ös “Sunjammer” című novellájában. Újabb könnyűvitorla-tervek a tolóerő növelését javasolják földi lézerek vagy maszerek vitorlára irányításával. A földi lézerek vagy maszerek a fényvitorlás űrhajó lassulását is segíthetik: a vitorla külső és belső részre válik szét, a külső részt előre tolják, és mechanikusan megváltoztatják az alakját, hogy a visszavert sugárzást a belső részre fókuszálják, a belső részre fókuszált sugárzás pedig fékként hat.

Bár a fényvitorlákról szóló cikkek többsége a csillagközi utazásra összpontosít, több javaslat is született a Naprendszeren belüli használatukra.

Pillanatnyilag az egyetlen űreszköz, amely napvitorlát használ fő meghajtási módszerként, a JAXA által 2010. május 21-én indított IKAROS. Azóta sikeresen bevetették, és bebizonyosodott, hogy a várt gyorsulást produkálja. Számos közönséges űreszköz és műhold is használ napkollektorokat, hőmérséklet-szabályozó paneleket és napárnyékolókat fényvitorlaként, hogy üzemanyag felhasználása nélkül végezzenek kisebb korrekciókat a helyzetükben és a pályájukban. Néhányan még kis, kifejezetten erre a célra épített napvitorlákkal is rendelkeztek (például az EADS Astrium által épített Eurostar E3000 geostacionárius távközlési műholdak).

CiklákSzerkesztés

Szabad olyan állomásokat vagy űrhajókat olyan pályára állítani, amelyek különböző bolygók között ciklikusan keringenek, például egy Mars-cikláló szinkronban ciklizne a Mars és a Föld között, nagyon kevés hajtóanyag felhasználásával a pálya fenntartásához. A cikkerek koncepcionálisan jó ötlet, mert a masszív sugárzási pajzsokat, a létfenntartó és egyéb berendezéseket csak egyszer kell a cikker pályájára állítani. A cikláregység több szerepet is betölthetne: élőhely (például pöröghetne, hogy “mesterséges gravitációs” hatást keltsen); anyahajó (életfenntartást biztosítana a kisebb űrhajók legénységének, amelyek rajta szállnak fel). A ciklerezők esetleg kiváló teherhajók lehetnek egy kolónia utánpótlására is.

ŰrliftSzerkesztés

Az űrlift egy olyan elméleti szerkezet, amely anyagot szállítana egy bolygó felszínéről a Föld körüli pályára. Az elképzelés szerint, ha a lift megépítésének költséges munkálatai befejeződnek, minimális költséggel korlátlan számú rakományt lehetne a Föld körüli pályára szállítani. Még a legegyszerűbb konstrukciókkal is elkerülhető a felszínről indított rakéták ördögi köre, ahol a pályára való feljutás utolsó 10%-ának megtételéhez szükséges üzemanyagot egészen a felszínről kell felemelni, ami még több üzemanyagot igényel, és így tovább. A kifinomultabb űrlift-konstrukciók ellensúlyok alkalmazásával csökkentik az egy útra jutó energiaköltséget, a legambiciózusabb tervek pedig a fel- és lefelé tartó terhek kiegyenlítését célozzák, és így az energiaköltséget közel nullára csökkentik. Az űrlifteket néha “paszulyoknak”, “űrhidaknak”, “űrlifteknek”, “űrlétráknak” és “orbitális tornyoknak” is nevezik.

Egy földi űrlift meghaladja jelenlegi technológiánkat, bár egy holdi űrlift elméletileg megépíthető lenne a meglévő anyagok felhasználásával.

SkyhookEdit

A skyhook a keringő kötélhajtás egy elméleti osztálya, amely a hasznos terhek nagy magasságba és sebességre való emelésére szolgál. A skyhookokra vonatkozó javaslatok között szerepelnek olyan tervek, amelyek hiperszonikus sebességgel forgó köteleket alkalmaznak nagy sebességű hasznos terhek vagy nagy magasságú repülőgépek befogására és pályára állítására. Emellett felvetették, hogy a forgó skyhook “mérnöki szempontból nem megvalósítható a jelenleg rendelkezésre álló anyagok felhasználásával”.

A hordozórakéta és az űrhajó újrafelhasználhatóságaSzerkesztés

A SpaceX Starshipet, amelynek első indítását legkorábban 2020-ra tervezik, teljesen és gyorsan újrafelhasználhatónak tervezték, felhasználva a SpaceX 2011-2018 között a Falcon 9 és Falcon Heavy hordozórakétákhoz kifejlesztett újrafelhasználható technológiáját.

A SpaceX vezérigazgatója, Elon Musk becslése szerint az újrafelhasználhatóság képessége önmagában, mind a hordozórakéta, mind a Starshiphez kapcsolódó űrhajó esetében legalább két nagyságrenddel csökkenti a Marsra szállított tonnánkénti teljes rendszer költségeit a NASA korábbi eredményeihez képest.

Létrehozott hajtóanyagokSzerkesztés

A bolygóközi szondák Föld felszínéről történő indításakor, amelyek a hosszú időtartamú küldetéshez szükséges összes energiát magukkal viszik, a hasznos teher mennyisége szükségszerűen rendkívül korlátozott, a rakétaegyenlet által elméletileg leírt alaptömegkorlátozások miatt. A bolygóközi pályákon a nagyobb tömeg szállítására az egyik alternatíva az, hogy a felső fokozat hajtóanyagát szinte teljesen elhasználják az indításkor, majd a Föld körüli pályán újratöltik a hajtóanyagokat, mielőtt a rakétát szökési sebességre lövik a heliocentrikus pályára. Ezeket a hajtóanyagokat a Föld körüli pályán egy hajtóanyagraktárban lehet tárolni, vagy egy hajtóanyagtankerrel lehet a Föld körüli pályára szállítani, hogy közvetlenül a bolygóközi űrhajóba kerüljenek. A Földre történő tömegvisszaszállításhoz kapcsolódó lehetőség a nyersanyagok bányászata egy naprendszerbeli égitestből, a reakciótermékek (hajtóanyag) finomítása, feldolgozása és tárolása a naprendszerbeli égitestben mindaddig, amíg egy járművet fel nem kell tölteni a kilövéshez.

Föld körüli pályán történő tanker transzferekSzerkesztés

A SpaceX 2019-től olyan rendszert fejleszt, amelyben egy újrafelhasználható első fokozatú űreszköz egy legénységgel ellátott bolygóközi űrhajót szállítana Föld körüli pályára, leválna, visszatérne a starthelyére, ahol egy tanker űrhajót szerelnének rá, majd mindkettőt megtankolnák, majd újra elindulnának, hogy találkozzanak a várakozó legénységgel ellátott űrhajóval. A tartályhajó ezután átadná az üzemanyagot az emberes űrhajónak, hogy az felhasználhassa azt a bolygóközi utazás során. A SpaceX Starship egy rozsdamentes acélszerkezetű űrhajó, amelyet hat, sűrített metán/oxigén hajtóanyaggal működő Raptor hajtómű hajt. Az űrhajó 55 méter hosszú, a legszélesebb pontján 9 méter átmérőjű, és akár 100 tonna rakomány és utasok szállítására is alkalmas a Marsra való utazás során, a pályán történő hajtóanyag-utántöltéssel az utazás bolygóközi része előtt.

Hajtóanyagüzem egy égitestenSzerkesztés

Egy jelenleg fejlesztés alatt álló, finanszírozott projekt példájaként a SpaceX által a Marsra tervezett, a bolygóközi célállomásokra irányuló űrrepülés költségeit radikálisan csökkentő rendszer kulcsfontosságú része egy olyan fizikai üzem elhelyezése és működtetése a Marson, amely a csillaghajók Földre való indításához és visszarepüléséhez szükséges hajtóanyag-összetevők gyártását és tárolását, vagy esetleg a külső Naprendszerbeli célállomásokra továbbszállítható tömeg növelését szolgálja.

A Marsra tartó első csillaghajó egy kis hajtóanyaggyárat fog szállítani a rakomány részeként. Az üzemet több szinóduson keresztül fogják bővíteni, ahogy több berendezés érkezik, telepítik, és nagyrészt autonóm termelésbe helyezik.

A SpaceX hajtóanyaggyára ki fogja használni a Mars nagy szén-dioxid- és vízkészleteit, a vizet (H2O) a felszín alatti jégből bányássza ki, a CO2-t pedig a légkörből gyűjti össze. A nyersanyagokat egy vegyi üzem elektrolízissel és a Sabatier-folyamat segítségével oxigén (O2) és metán (CH4) előállítására dolgozza fel, majd a hosszú távú tárolás és végső felhasználás megkönnyítése érdekében cseppfolyósítja.

Földön kívüli erőforrások felhasználásaSzerkesztés

A jelenlegi űrjárműveket úgy próbálják elindítani, hogy a fedélzetükön legyen az összes üzemanyag (hajtóanyag és energiakészlet), amelyre a teljes útjuk során szükségük lesz, és a jelenlegi űrszerkezeteket a Föld felszínéről emelik ki. A nem földi energia- és anyagforrások többnyire sokkal messzebb vannak, de a legtöbbjüket nem kellene kiemelni az erős gravitációs mezőből, ezért hosszú távon sokkal olcsóbb lenne az űrben felhasználni őket.

A legfontosabb nem földi erőforrás az energia, mert ezzel a nem földi anyagokat hasznos formákká lehet alakítani (amelyek egy része energiát is termelhet). Legalább két alapvető nem földi energiaforrást javasoltak: a napenergiával történő energiatermelést (amelyet nem akadályoznak a felhők), akár közvetlenül napelemek segítségével, akár közvetve a napsugárzás kazánokra fókuszálásával, amelyek gőzt termelnek a generátorok meghajtásához; és az elektrodinamikai kötegeket, amelyek egyes bolygók erős mágneses mezejéből termelnek áramot (a Jupiternek nagyon erős a mágneses mezeje).

A vízjég nagyon hasznos lenne, és széles körben elterjedt a Jupiter és a Szaturnusz holdjain:

• A holdak alacsony gravitációja olcsóbb vízforrássá tenné őket az űrállomások és bolygóbázisok számára, mintha a Föld felszínéről emelnénk fel.
• A nem földi energiaforrásokat fel lehetne használni a vízjég elektrolízisére oxigénné és hidrogénné, amit két hajtóanyagú rakétahajtóművekben lehetne felhasználni.
• Nukleáris termikus rakéták vagy naphőrakéták használhatnák reakciótömegként. A hidrogént is javasolták ezekben a hajtóművekben való felhasználásra, és sokkal nagyobb fajlagos impulzust (a reakciótömeg kilogrammjára jutó tolóerő) biztosítana, de azt állították, hogy a víz nagyságrendekkel alacsonyabb fajlagos impulzusa ellenére költség/teljesítmény szempontjából felülmúlja a hidrogént.

Az oxigén a Hold kérgének gyakori alkotóeleme, és valószínűleg a Naprendszer legtöbb más égitestjén is bőségesen megtalálható. A nem földi oxigén csak akkor lenne értékes vízjégforrásként, ha megfelelő hidrogénforrást találnánk. Lehetséges felhasználási területei:

• Az űrhajók, űrállomások és bolygóbázisok létfenntartó rendszereiben.
• Rakétahajtóművekben. Még akkor is, ha a többi hajtóanyagot a Földről kell felhozni, a nem földi oxigén felhasználásával a hajtóanyagindítás költségei szénhidrogén üzemanyag esetében akár 2/3-kal, hidrogén esetében 85%-kal csökkenthetők. A megtakarítás azért ilyen nagy, mert a legtöbb rakétahajtóanyag-kombinációban az oxigén teszi ki a tömeg nagy részét.

A hidrogén, valamint más illékony anyagok, mint a szén és a nitrogén, sajnos sokkal ritkábban fordulnak elő a belső Naprendszerben, mint az oxigén.

A tudósok szerint a külső Naprendszer néhány bolygóján, holdján és üstökösén szerves vegyületek széles skáláját találják, és a felhasználási lehetőségek köre még szélesebb. A metán például üzemanyagként (nem földi oxigénnel elégetve), vagy petrolkémiai folyamatok, például műanyaggyártás alapanyagaként használható. Az ammónia pedig értékes alapanyag lehet az orbitális és bolygóközi bázisok zöldségeskertjeiben felhasználható műtrágya előállításához, csökkentve ezzel az élelmiszerek Földről történő felszállításának szükségességét.

A feldolgozatlan kőzet is hasznos lehet rakétahajtóanyagként, ha tömeghajtóanyagot használnak.