NASA heeft onlangs met succes een experimentele plasma-thruster getest die wordt aangedreven door lithium, wat een belangrijke stap voorwaarts betekent voor menselijke Mars-missies. Ingenieurs van het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA in Zuid-Californië hebben de elektromagnetische motor opgestart, waardoor deze een vermogen kan bereiken dat nooit door dit type voortstuwingssysteem in de Verenigde Staten wordt bereikt.

De test werd op 24 februari uitgevoerd in de vacuümkamer van JPL, gewijd aan onderzoek naar krachtige elektrische voortstuwing. Tijdens het testen werkte de prototypemotor met meer vermogen dan welke elektrische boegschroef dan ook op welk NASA-vliegend ruimtevaartuig dan ook. De onderzoekers zeggen dat de resultaten richtlijnen zullen bieden voor de volgende fase van ontwikkeling en testen.

NASA-beheerder Jared Isaacman zei: "Bij NASA doen we veel dingen tegelijk, maar we zijn Mars nooit uit het oog verloren. De succesvolle prestaties van onze boegschroef in deze test demonstreren de substantiële vooruitgang die is geboekt bij het sturen van Amerikaanse astronauten naar de Rode Planeet. Dit is de eerste keer dat de Verenigde Staten een elektrisch voortstuwingssysteem hebben dat op zo'n hoog vermogensniveau werkt en een vermogen van 120 kilowatt bereikt. We zullen strategische investeringen blijven doen om de volgende grote sprong te bevorderen."

De motor maakt gebruik van lithiummetaaldamp en behoort tot de categorie Magneto-Plasma Dynamics (MPD) boegschroeftechnologie. Dergelijke systemen genereren stuwkracht door elektrische stromen en magnetische velden te gebruiken om plasma met extreem hoge snelheden te versnellen. Tijdens vijf afzonderlijke vuurtests gloeiden de wolfraamelektroden van de boegschroef helderwit en de temperatuur steeg tot meer dan 5.000 graden Fahrenheit (2.800 graden Celsius). De tests werden uitgevoerd in het Electric Propulsion Laboratory van JPL, dat over een unieke faciliteit beschikt die elektrische stuwraketten veilig kan evalueren die afhankelijk zijn van metallische dampstuwgassen met een vermogen in het megawattbereik.

De brandstofefficiëntie van elektrische voortstuwingssystemen is veel hoger dan die van traditionele chemische raketten, en het gebruik van drijfgas kan tot 90% worden verminderd. In plaats van gedurende korte perioden een sterke stuwkracht te leveren, bieden ze een zachte maar aanhoudende stuwkracht die het ruimtevaartuig gedurende lange perioden gestaag versnelt. NASA maakt al gebruik van elektrische voortstuwingstechnologie voor missies zoals Psyche, die momenteel de krachtigste elektrische stuwraketten van het agentschap bestuurt. Na verloop van tijd kan het voortstuwingssysteem van Psyche het ruimtevaartuig versnellen tot 200.000 kilometer per uur.

Deze nieuwe, door lithium aangedreven MPD-boegschroef zou uiteindelijk aanzienlijk meer stuwkracht kunnen leveren dan bestaande systemen. Hoewel wetenschappers de MPD-voortstuwingstechnologie sinds de jaren zestig bestuderen, is de technologie nooit gebruikt in praktische toepassingen in de ruimte. Tijdens recente tests bij JPL bereikte de motor een vermogen van 120 kilowatt, wat meer dan 25 keer het vermogen is van de stuwraketten van de "Spirit Star".

"De afgelopen jaren van het ontwerpen en bouwen van deze stuwraketten zijn een langdurige voorbereiding op deze eerste test geweest", zegt James Polk, senior onderzoekswetenschapper bij JPL. "Dit is een belangrijk moment voor ons omdat we niet alleen het vermogen van de stuwraketten hebben aangetoond, maar ook onze beoogde vermogensniveaus hebben bereikt. We weten dat we een goed testplatform hebben om de uitdagingen van het opschalen op te lossen."

Polk observeerde het experiment door een klein kijkvenster in de 26 voet lange (8 meter lange) watergekoelde vacuümkamer. Wanneer de boegschroef wordt geactiveerd, gloeit de mondstukachtige buitenste elektrode intens, waardoor een helderrode plasmapluim ontstaat. Polk werkt al tientallen jaren op het gebied van elektrische voortstuwingstechnologie en heeft bijgedragen aan NASA's Dawn-missie en Deep Space One, het eerste ruimtevaartuig dat elektrische voortstuwingstechnologie buiten een baan om de aarde demonstreert.

De onderzoekers hopen uiteindelijk het vermogen van elke boegschroef te verhogen tot tussen de 500 kilowatt en 1 megawatt. Een van de grootste technische uitdagingen is ervoor zorgen dat de hardware bestand is tegen langdurig gebruik bij extreme temperaturen. Voor een bemande missie naar Mars kan in totaal 2 tot 4 megawatt aan vermogen nodig zijn, wat betekent dat verschillende MPD-stuwraketten mogelijk meer dan 23.000 uur onafgebroken moeten werken.

Wetenschappers zijn van mening dat lithiumaangedreven MPD-motoren een belangrijke rol kunnen spelen bij toekomstige verkenning van de diepe ruimte, omdat ze een sterke stuwkracht combineren met een efficiënt gebruik van drijfgas. In combinatie met kernenergiesystemen kunnen ze de lanceermassa verminderen terwijl ze de zware ladingen vervoeren die nodig zijn voor menselijke missies naar Mars.

Het MPD-thruster-project is de afgelopen tweeënhalf jaar in ontwikkeling geweest, een samenwerking tussen JPL, het Princeton Plasma Physics Laboratory in New Jersey en het Glenn Research Center van NASA in Cleveland. De financiering komt uit het Space Nuclear Propulsion Program van NASA, dat in 2020 begon ter ondersteuning van de ontwikkeling van nucleaire elektrische voortstuwingssystemen op megawattschaal voor toekomstige missies naar Mars. Het werk wordt beheerd door het Marshall Space Flight Center van NASA in Huntsville, Alabama, onder het directoraat Space Technology Mission van NASA.