Flera tekniker har föreslagits som både sparar bränsle och ger betydligt snabbare resor än den traditionella metoden med Hohmannöverföringar. Vissa är fortfarande bara teoretiska, men med tiden har flera av de teoretiska tillvägagångssätten testats på rymdflygningsuppdrag. Uppdraget Deep Space 1 var till exempel ett framgångsrikt test av en jondrift. Dessa förbättrade tekniker är vanligtvis inriktade på ett eller flera av följande:

• Rymdframdrivningssystem med mycket bättre bränsleekonomi. Sådana system skulle göra det möjligt att resa mycket snabbare och samtidigt hålla bränslekostnaden inom acceptabla gränser.
• Användning av solenergi och utnyttjande av resurser på plats för att undvika eller minimera den kostsamma uppgiften att frakta komponenter och bränsle upp från jordens yta, mot jordens gravitation (se ”Användning av icke-jordiska resurser”, nedan).
• Nya metoder för att använda energi på olika platser eller på olika sätt som kan förkorta transporttiden eller minska kostnaden per masseenhet för rymdtransporter

Förutom att göra resorna snabbare eller mindre kostsamma kan sådana förbättringar också möjliggöra större konstruktions-”säkerhetsmarginaler” genom att minska kravet på att göra rymdfarkoster lättare.

Förbättrade raketkonceptRedigera

Alla raketkoncept begränsas av raketekvationen, som fastställer den karakteristiska hastigheten som är tillgänglig som en funktion av utloppshastigheten och massförhållandet mellan initial (M0, inklusive bränsle) och slutlig (M1, bränslet är tömt på bränsle) massa. Den viktigaste konsekvensen är att uppdragshastigheter på mer än några gånger raketmotorns avgashastighet (i förhållande till fordonet) snabbt blir ogenomförbara.

Kärnvärmeraket och solvärmeraketRedigera

I en kärnvärmeraket eller solvärmeraket värms en arbetsvätska, vanligen vätgas, upp till en hög temperatur och expanderar sedan genom ett raketmunstycke för att skapa dragkraft. Energin ersätter den kemiska energin från de reaktiva kemikalierna i en traditionell raketmotor. På grund av vätgasens låga molekylmassa och därmed höga termiska hastighet är dessa motorer minst dubbelt så bränslesnåla som kemiska motorer, även om man räknar in reaktorns vikt.

USA:s atomenergikommission och NASA testade några konstruktioner mellan 1959 och 1968. NASA:s konstruktioner var tänkta att ersätta de övre stegen i bärraketen Saturn V, men testerna avslöjade tillförlitlighetsproblem, främst orsakade av de vibrationer och den uppvärmning som är förknippade med driften av motorerna vid så hög dragkraft. Politiska och miljömässiga överväganden gör det osannolikt att en sådan motor kommer att användas inom en överskådlig framtid, eftersom termiska kärnvapenraketer skulle vara mest användbara vid eller nära jordytan och konsekvenserna av ett fel skulle kunna bli katastrofala. Klyvningsbaserade termiska raketkoncept ger lägre utloppshastigheter än de el- och plasmakoncept som beskrivs nedan, och är därför mindre attraktiva lösningar. För tillämpningar som kräver ett högt förhållande mellan dragkraft och vikt, t.ex. planetflykt, är termisk kärnkraft potentiellt mer attraktiv.

Elektrisk framdrivningRedigera

Elektriska framdrivningssystem använder en extern källa, t.ex. en kärnreaktor eller solceller, för att generera elektricitet, som sedan används för att accelerera ett kemiskt inert drivmedel till hastigheter som är mycket högre än vad som uppnås i en kemisk raket. Sådana drivsystem ger svag dragkraft och är därför olämpliga för snabba manövrar eller för uppskjutning från en planets yta. Men de är så sparsamma i sin användning av reaktionsmassan att de kan fortsätta att avfyras kontinuerligt i dagar eller veckor, medan kemiska raketer förbrukar reaktionsmassan så snabbt att de bara kan avfyras i sekunder eller minuter. Till och med en resa till månen är tillräckligt lång för att ett elektriskt framdrivningssystem ska hinna före en kemisk raket – Apollo-uppdragen tog tre dagar i vardera riktningen.

NASA:s Deep Space One var ett mycket lyckat test av en prototyp av en jondrift, som avfyrades i sammanlagt 678 dagar och gjorde det möjligt för sonden att köra ner kometen Borrelly, en bedrift som skulle ha varit omöjlig för en kemisk raket. Dawn, det första operativa NASA-uppdraget (dvs. utan teknikdemonstration) som använde en jondrift för sin primära framdrivning, kretsade framgångsrikt runt de stora asteroiderna i huvudbältet 1 Ceres och 4 Vesta. En mer ambitiös, kärnkraftsdriven version var avsedd för ett Jupiteruppdrag utan mänsklig besättning, Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), som ursprungligen planerades för uppskjutning någon gång under nästa årtionde. På grund av en förändring av NASA:s prioriteringar som gynnade rymduppdrag med mänsklig besättning förlorade projektet sin finansiering 2005. Ett liknande uppdrag diskuteras för närvarande som den amerikanska komponenten i ett gemensamt NASA/ESA-program för utforskning av Europa och Ganymedes.

En grupp för bedömning av tekniktillämpningar från flera centra inom NASA, som leds av Johnson Spaceflight Center, har i januari 2011 beskrivit ”Nautilus-X”, en konceptstudie för ett rymdutforskningsfordon med flera uppdrag som är användbart för uppdrag bortom låg omloppsbana runt jorden (LEO), med en varaktighet på upp till 24 månader och med en besättning på upp till sex personer. Även om Nautilus-X kan anpassas till en mängd olika uppdragsspecifika framdrivningsenheter av olika konstruktioner med låg dragkraft och hög specifik impuls (Isp), visas kärnjonelektrisk drivning i illustrativt syfte. Den är avsedd att integreras och kontrolleras vid den internationella rymdstationen (ISS) och skulle vara lämplig för uppdrag i det djupa rymden från ISS till och bortom månen, inklusive jorden/månen L1, solen/jorden L2, jordnära asteroider och destinationer i omloppsbana runt Mars. Den innehåller en centrifug med reducerad g-kraft som ger artificiell gravitation för besättningens hälsa för att lindra effekterna av långvarig 0g-exponering och förmågan att mildra strålningsmiljön i rymden.

Fissionsdrivna raketerRedigera

De uppdrag med elektrisk framdrivning som redan har flugits, eller som för närvarande planeras, har använt sig av elektrisk solenergi, vilket begränsar deras förmåga att arbeta långt från solen och begränsar deras toppacceleration på grund av massan av den elektriska kraftkällan. Kärnelektriska motorer eller plasmamotorer, som arbetar under långa perioder med låg dragkraft och drivs av fissionsreaktorer, kan nå mycket högre hastigheter än kemiskt drivna fordon.

FusionsraketerRedigera

Fusionsraketer, som drivs av kärnfusionsreaktioner, skulle ”bränna” bränslen av lätta grundämnen som deuterium, tritium eller 3He. Eftersom fusion ger ungefär 1 % av kärnbränslets massa som frigjord energi är den energimässigt gynnsammare än fission, som endast frigör ungefär 0,1 % av bränslets massa-energi. Emellertid kan antingen fissions- eller fusionsteknik i princip uppnå hastigheter som är mycket högre än vad som behövs för utforskning av solsystemet, och fusionsenergin väntar fortfarande på praktisk demonstration på jorden.

Ett förslag där man använde en fusionsraket var Project Daedalus. Ett annat ganska detaljerat fordonssystem, utformat och optimerat för utforskning av solsystemet med besättning, ”Discovery II”, baserat på D3He-reaktionen men med väte som reaktionsmassa, har beskrivits av en grupp från NASA:s Glenn Research Center. Det uppnår karakteristiska hastigheter på >300 km/s med en acceleration på ~1,7-10-3 g, med en initial massa på ~1700 ton och en nyttolastfraktion på över 10 %.

Exotisk framdrivningRedigera

Se artikeln om framdrivning av rymdfarkoster för en diskussion av ett antal andra tekniker som på medellång till lång sikt skulle kunna utgöra grunden för interplanetära uppdrag. Till skillnad från vad som gäller för interstellära resor handlar hindren för snabba interplanetära resor snarare om teknik och ekonomi än om grundläggande fysik.

SolsegelRedigera

En skyhook är en teoretisk klass av orbiterande tetherframdrivning som är avsedd att lyfta nyttolaster till höga höjder och hastigheter. Förslagen till skyhooks omfattar konstruktioner där man använder tether som snurrar med överljudshastighet för att fånga upp nyttolaster med hög hastighet eller flygplan på hög höjd och placera dem i omloppsbana. Dessutom har det föreslagits att en roterande skyhook ”inte är tekniskt genomförbar med hjälp av för närvarande tillgängliga material”.

Återanvändning av bärraketer och rymdfarkosterRedigera

SpaceX Starship, vars första uppskjutning är planerad till tidigast 2020, är utformad för att kunna återanvändas helt och hållet och snabbt, genom att använda sig av SpaceX återanvändningsteknik som utvecklades under åren 2011-2018 för bärraketerna Falcon 9 och Falcon Heavy.

SpaceX vd Elon Musk uppskattar att enbart återanvändningskapaciteten, på både bärraketen och rymdfarkosterna i samband med Starship, kommer att minska de totala systemkostnaderna per ton som levereras till Mars med minst två storleksordningar jämfört med vad NASA tidigare har uppnått.

Förvaring av drivmedelRedigera

När interplanetära sonder skjuts upp från jordens yta med all energi som behövs för det långvariga uppdraget är nyttolastmängderna med nödvändighet ytterst begränsade på grund av de begränsningar av basmassan som beskrivs teoretiskt av raketekvationen. Ett alternativ för att transportera mer massa på interplanetära banor är att förbruka nästan hela drivmedlet i det övre steget vid uppskjutningen och sedan fylla på drivmedel i jordens omloppsbana innan raketen avfyras till flykthastighet för en heliocentrisk bana. Dessa drivmedel kan lagras i omloppsbana i en drivmedelsdepå eller transporteras till omloppsbana i en drivmedelstankbil för att direkt överföras till den interplanetära rymdfarkosten. För att återföra massa till jorden är ett närliggande alternativ att bryta råmaterial från en himlakropp i solsystemet, förädla, bearbeta och lagra reaktionsprodukterna (drivmedel) på solsystemkroppen till dess att ett fordon behöver lastas för uppskjutning.

Tankfartygsöverföringar i omloppsbanaRedigera

Från och med 2019 utvecklar SpaceX ett system där ett återanvändbart förstastegsfordon skulle transportera en bemannad interplanetär rymdfarkost till jordens omloppsbana, kopplas loss, återvända till sin uppskjutningsramp där en tankfarkost skulle monteras ovanpå, sedan båda tankas, och sedan skjutas upp igen för att möta den väntande bemannade rymdfarkosten. Tankfartyget skulle sedan överföra sitt bränsle till rymdfarkosten med mänsklig besättning för användning på dess interplanetära resa. SpaceX Starship är en rymdfarkost med rostfri stålkonstruktion som drivs av sex Raptor-motorer som drivs med förtätade metan/syre-drivmedel. Det är 55 meter långt och har en diameter på 9 meter på sin bredaste punkt och kan transportera upp till 100 ton last och passagerare per resa till Mars, med påfyllning av drivmedel i omloppsbana före den interplanetära delen av resan.

Drivmedelsanläggning på en himlakroppRedigera

Som exempel på ett finansierat projekt som för närvarande håller på att utvecklas är en viktig del av det system som SpaceX har utformat för Mars för att radikalt sänka kostnaderna för rymdfärder till interplanetära destinationer, att placera och driva en fysisk anläggning på Mars för att hantera produktion och lagring av de drivmedelskomponenter som behövs för att skjuta upp och flyga rymdskeppen tillbaka till jorden, eller kanske för att öka massan som kan transporteras vidare till destinationer i det yttre solsystemet.

Det första rymdskeppet till Mars kommer att bära en liten drivmedelsanläggning som en del av sin last. Anläggningen kommer att byggas ut under flera synoder allteftersom mer utrustning anländer, installeras och sätts i en mestadels autonom produktion.

SpaceX drivmedelsanläggning kommer att dra nytta av de stora tillgångarna av koldioxid och vattenresurser på Mars, genom att bryta vatten (H2O) från isen under markytan och samla in koldioxid från atmosfären. En kemisk anläggning kommer att bearbeta råvarorna med hjälp av elektrolys och Sabatierprocessen för att producera syre (O2) och metan (CH4) och sedan göra dem flytande för att underlätta långtidsförvaring och slutlig användning.

Användning av utomjordiska resurserRedigera

Hej nuvarande rymdfarkoster försöker att skjutas upp med allt bränsle (drivmedel och energiförsörjning) ombord som de kommer att behöva under hela resan, och nuvarande rymdkonstruktioner lyfts från jordens yta. Icke-jordiska energi- och materialkällor ligger oftast mycket längre bort, men de flesta skulle inte behöva lyftas ur ett starkt gravitationsfält och borde därför vara mycket billigare att använda i rymden på lång sikt.

Den viktigaste icke-jordiska resursen är energi, eftersom den kan användas för att omvandla icke-jordiska material till användbara former (varav en del också kan producera energi). Minst två grundläggande icke-jordiska energikällor har föreslagits: solkraftsbaserad energiproduktion (utan hinder av moln), antingen direkt genom solceller eller indirekt genom att fokusera solstrålningen på pannor som producerar ånga för att driva generatorer; och elektrodynamiska band som genererar elektricitet från de kraftfulla magnetfälten på vissa planeter (Jupiter har ett mycket kraftfullt magnetfält).

Vattenis skulle vara mycket användbar och är utbredd på Jupiters och Saturnus månar:

• Den låga gravitationen på dessa månar skulle göra dem till en billigare källa till vatten för rymdstationer och planetariska baser än att lyfta upp det från jordens yta.
• Non-terrestrial power supplies could be used to electrolyse water ice into oxygen and hydrogen for use in bipropellant rocket engines.
• Nuclear thermal rockets or Solar thermal rockets could use it as reaction mass. Vätgas har också föreslagits för användning i dessa motorer och skulle ge en mycket större specifik impuls (dragkraft per kilogram reaktionsmassa), men det har hävdats att vatten kommer att slå vätgas i fråga om kostnad/prestanda trots att den specifika impulsen är mycket lägre i storleksordningar.

Syre är en vanlig beståndsdel i månens skorpa, och är förmodligen rikligt förekommande i de flesta andra kroppar i solsystemet. Icke-jordiskt syre skulle vara värdefullt som källa till vattenis endast om en lämplig källa till väte kan hittas. Möjliga användningsområden är:

• I livsuppehållande system i rymdskepp, rymdstationer och planetariska baser.
• I raketmotorer. Även om det andra drivmedlet måste lyftas från jorden kan användningen av icke-jordiskt syre minska kostnaderna för uppskjutning av drivmedel med upp till 2/3 för kolvätebränsle eller 85 % för vätgas. Besparingarna är så stora eftersom syre står för majoriteten av massan i de flesta kombinationer av raketdrivmedel.

Olyckligtvis är väte, tillsammans med andra flyktiga ämnen som kol och kväve, mycket mindre rikligt förekommande än syre i det inre solsystemet.

Vetenskapsmännen förväntar sig att hitta ett stort utbud av organiska föreningar i några av planeterna, månarna och kometerna i det yttre solsystemet, och utbudet av möjliga användningsområden är ännu större. Metan kan till exempel användas som bränsle (som förbränns med icke-jordiskt syre) eller som råvara för petrokemiska processer, t.ex. för att tillverka plast. Och ammoniak skulle kunna vara en värdefull råvara för produktion av gödningsmedel som kan användas i grönsaksträdgårdarna på omloppsbaser och planetariska baser, vilket skulle minska behovet av att lyfta mat till dem från jorden.

Även obearbetad sten kan vara användbar som raketdriftmedel om man använder sig av massdrivare.