De National Aeronautics and Space Administration (NASA) heeft onlangs aangekondigd dat een nieuwe door lithium gevoede experimentele ionenmotor Magneto-Plasma Power (MPD) met succes heeft gefunctioneerd in een belangrijke test en wordt beschouwd als een belangrijke doorbraak in de voortstuwingstechnologie voor toekomstige bemande Mars-missies.De eerste astronauten op Mars zullen te maken krijgen met een extreem barre omgeving. Elke extra dag in de diepe ruimte brengt extra blootstelling aan dodelijke kosmische straling met zich mee. Langdurige isolatie zal de geestelijke gezondheid aantasten, en microzwaartekracht zal de spieren en botten blijven verzwakken. Daarom investeert NASA veel energie in de ontwikkeling van nieuwe voortstuwingssystemen die de vliegtijden aanzienlijk kunnen verkorten, in de hoop de reis naar Mars in de nabije toekomst tot enkele maanden te kunnen comprimeren.

Deze onlangs onthulde MPD-ionenmotor gebruikt lithium als werkvloeistof, met een piekvermogen van 120 kilowatt en een stuwvermogen dat 25 keer groter is dan dat van de sterkste elektrische voortstuwingsmotor die momenteel in dienst is bij NASA-missies. Het wordt beschouwd als een belangrijke stap op weg naar een snellere en efficiëntere vlucht in de ruimte. De huidige vertegenwoordiger is de Psyche-sonde, die naar een metalen asteroïde vliegt. Het maakt gebruik van een zonnepaneel om een ​​xenon-ionenmotor aan te drijven. In een omgeving zonder atmosferische weerstand kan hij geleidelijk accelereren tot ongeveer 200.000 kilometer per uur, maar het duurt ruim twee en een half jaar om deze snelheid te bereiken.

Met de huidige chemische rakettechnologie van NASA zou het ongeveer zeven maanden duren om van de aarde naar Mars te vliegen. Aan de oppervlakte lijkt ionenvoortstuwing, die afhankelijk is van een lage stuwkracht en aanhoudende versnelling gedurende lange perioden, niet ideaal voor het verkorten van de vliegtijden, omdat het langzaam begint en het maanden duurt om extreem hoge snelheden te bereiken. NASA probeert deze traditionele indruk echter te keren door de combinatie van krachtbron en voortstuwingsmethode te veranderen.

In tegenstelling tot Mind, dat afhankelijk is van zonnepanelen om xenon-ionenmotoren aan te drijven, wordt deze nieuwe MPD-boegschroef voorgesteld als onderdeel van een nucleair elektrisch voortstuwingssysteem dat krachtige elektrische energie uit een kernreactor zal leveren, waardoor het ruimtevaartuig een stuwkrachtniveau kan handhaven dat veel hoger is dan de bestaande elektrische voortstuwing gedurende lange perioden in de diepe ruimte. NASA is van mening dat deze combinatie van "kernenergie + MPD" naar verwachting de snelheid aanzienlijk zal verhogen bij dezelfde of een lagere stuwmassa, waardoor de reis van de bemande Mars-missie wordt verkort.

Het MPD-voortstuwingsconcept dateert uit de jaren zestig, maar moet nog op de markt worden gebracht in de ruimte, met als belangrijkste obstakel de enorme energiebehoefte, die de vermogenscapaciteiten van zonnepanelen ver overtreft. Dit is technologisch complementair aan NASA’s onlangs aangekondigde nucleaire voortstuwingsproject ‘Space Reactor-1 Freedom’: dit project is van plan een traditionele ionenmotor met xenon-werkvloeistof te gebruiken in een andere missie, en MPD vertegenwoordigt de volgende stap naar meer vermogen en grotere stuwkracht.

Traditionele ionenmotoren vertrouwen meestal op elektrostatische velden om afzonderlijke geladen deeltjes (meestal xenon-ionen) te versnellen en ze uit het mondstuk te ontladen om reactiekracht te verkrijgen. De MPD-motor werkt samen met hoge stroom en magnetisch veld om het plasma elektromagnetisch te versnellen. Dit model maakt specifiek gebruik van lithiummetaaldamp, die in de motor wordt geïoniseerd tot lithiumplasma en vervolgens wordt uitgeworpen om stuwkracht te bereiken.

Op 24 februari van dit jaar voerde NASA een kritische ontstekingstest uit op deze MPD-motor met behulp van een speciale vacuümkamer uitgerust met een waterkoelsysteem in het Electric Propulsion Laboratory van het Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Zuid-Californië. Tijdens de test hebben ingenieurs de motor vijf keer afgevuurd, waarbij ze de middelste wolfraamelektrode in de gaten hielden terwijl deze helder gloeide bij temperaturen boven de 2.800 graden Celsius (ongeveer 5.000 graden Fahrenheit). Uit gegevens blijkt dat deze nieuwe motor tijdens tests met succes een maximaal vermogensniveau van 120 kilowatt heeft bereikt, wat meer dan 25 keer de elektrische boegschroef is die door de "Psychic" wordt gebruikt.

NASA-beheerder Jared Isaacman zei in een verklaring dat het agentschap Mars nooit uit het oog heeft verloren terwijl het tegelijkertijd meerdere missies uitvoert. Hij benadrukte dat het succes van deze test een “substantiële stap” betekent in de richting van het sturen van Amerikaanse astronauten naar Mars. Het is ook de eerste keer dat de Verenigde Staten toestaan ​​dat het elektrische voortstuwingssysteem continu op het hoge vermogensniveau van 120 kilowatt werkt. NASA zal “strategische investeringen” blijven doen om een ​​solide technologische basis te leggen voor de volgende grote sprong van de mensheid.

NASA is van mening dat deze MPD-motor bij toekomstige tests naar verwachting het vermogensniveau van 1 MW zal halen. Volgens interne schattingen kan een typische bemande missie naar Mars een totaal vermogen van 2 tot 4 megawatt vereisen, wat betekent dat het uiteindelijke ruimtevaartuig waarschijnlijk meerdere MPD-motoren zal hebben die parallel werken. In dit proces zullen de belangrijkste uitdagingen die het technische team moet overwinnen, de betrouwbare werking van de hardware op de lange termijn in omgevingen met ultrahoge temperaturen garanderen en de erosie van de elektrode verminderen, een typisch probleem van MPD-technologie.

Op dit moment, na twee jaar ontwerpen en bouwen, is het R&D-team tevreden met de resultaten van de eerste testronde en is van mening dat het de eerste "grote drempel" op weg naar engineering heeft overschreden. James Polk, een senior onderzoekswetenschapper bij het Jet Propulsion Laboratory, zei dat de test niet alleen bewees dat de motor normaal kan werken, maar ook met succes het vooraf bepaalde vermogensdoel bereikte en een betrouwbare testplatformbasis legde voor daaropvolgende grootschalige tests.

Vanuit een breder perspectief ligt het voordeel van elektrische voortstuwingstechnologie in de extreem hoge benuttingsefficiëntie van het voortstuwingsmiddel, waardoor het verbruik van het voortstuwingsmiddel met ongeveer 90% kan worden verminderd in vergelijking met traditionele chemische raketten. Het combineren van krachtige MPD-voortstuwing met kernenergie zou theoretisch ruimtevaartuigen kunnen opleveren met een hogere gemiddelde stuwkracht en kortere vliegtijden zonder de totale massa aanzienlijk te vergroten. Dit zou een van de sleuteltechnologieën kunnen worden voor de eerste bemande reis van de mensheid naar Mars, waardoor astronauten kostbare tijd kunnen winnen om de gezondheidsrisico's veroorzaakt door straling en langdurige gewichtloosheid te verminderen.

NASA heeft nog geen tijdschema aangekondigd voor MPD-voortstuwing in specifieke bemande missies, maar deze krachtige grondtest wordt beschouwd als een belangrijke mijlpaal in "een stap dichter bij Mars." In de context van veel landen die concurreren om bemande Mars-plannen te plannen, wordt verwacht dat als deze nieuwe technologie met succes het laboratorium kan verlaten en daadwerkelijke missies kan uitvoeren, de tijdschaal van menselijke verkenning van de diepe ruimte zal veranderen.