Om nya raketmotorer som utvecklas av European Space Agency (ESA) blir framgångsrika kan de revolutionera rakettekniken och förändra sättet vi kommer till rymden. Motorn, kallad Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE), är designad för att använda atmosfärisk luft i de tidiga flygstadierna, innan den växlar till konventionellt raketläge för den sista uppstigningen till rymden. Om allt går bra kan den här nya luftandande raketen vara redo för provskjutningar om cirka fyra år.
Konventionella raketer måste ha ett oxidationsmedel ombord som flytande syre, som kombineras med bränsle i raketens förbränningskammare. Detta innebär att raketer kan kräva mer än 250 ton flytande syre för att fungera. När detta syre förbrukats i de första stegen, kasseras dessa förbrukade steg, vilket skapar enormt avfall och kostnader. (Företag som SpaceX och Blue Origin utvecklar återanvändbara raketer för att hjälpa till att kringgå detta problem, men de är fortfarande konventionella raketer.)
Konventionella raketer bär sitt eget syre eftersom dess temperatur och tryck kan kontrolleras. Detta garanterar raketens prestanda, men kräver komplicerade system för att göra det. SABRE kommer att eliminera behovet av att bära mest syre ombord, men det är inte lätt att göra.
SABRE:s utmaning är att komprimera atmosfärens syre till cirka 140 atmosfärer innan det förs in i motorns förbränningskammare. Men att komprimera syret i den grad höjer dess temperatur så mycket att det skulle smälta motorerna. Lösningen på det är att kyla luften med en förkylande värmeväxlare, till den punkt där det nästan är en vätska. Då kan en turbin baserad på standard jetmotorteknik komprimera luften till önskad driftstemperatur.
Detta betyder att medan SABRE är i jordens atmosfär, använder den luft för att bränna sitt vätebränsle, snarare än flytande syre. Detta ger den en 8x förbättring av drivmedelsförbrukningen. När SABRE har nått cirka 25 km i höjd, där luften är tunnare, byter den läge och fungerar som en standardraket. När den växlar läge är den redan ungefär 20 % av vägen in i jordens omloppsbana.
Liksom många tekniska utmaningar är det inte det svåra att förstå vad som behöver göras. Att faktiskt utveckla dessa teknologier är extremt svårt, även om många människor bara antar att ingenjörer kommer att bli framgångsrika. Nyckeln till Reaction Engines Ltd , företaget som utvecklar SABRE, ska utveckla de lätta värmeväxlarna i hjärtat av motorn.
Värmeväxlare är vanliga inom industrin, men dessa värmeväxlare måste kyla inkommande luft från 1000 Celsius till -150 Celsius på mindre än 1/100-dels sekund, och de måste göra det samtidigt som de förhindrar frost från att bildas. De är extremt lätta, cirka 100 gånger lättare än nuvarande teknologi, vilket gör att de kan användas i rymden för första gången. En del av lätthetsfaktorn för dessa nya värmeväxlare härrör från väggtjockleken på slangen, som är mindre än 30 mikron. Det är mindre än tjockleken på ett människohår.
Reaction Engines Limited säger att dessa värmeväxlare kommer att ha samma inverkan på flygframdrivningssystem som silikonchips hade på datoranvändning.
Ett nytt finansieringsavtal med ESA kommer att ge Reaction Engines 10 miljoner euro för fortsatt utveckling av SABRE. Detta kommer att lägga till de 50 miljoner pund som den brittiska rymdorganisationen redan har bidragit med. Investeringen på 50 miljoner pund var resultatet av en gynnsam översyn av SABERs lönsamhet som ESA utförde 2010.
2012 testades förkylaren, en viktig komponent i SABRE, framgångsrikt på Reaction Engines anläggning i Oxfordshire, Storbritannien. Bild: ESA/Reaction Engines
UNDER 2012 testades förkylaren och värmeväxlarna. Efter det kom mer forskning och utveckling, inklusive utveckling av höjdkompenserande raketmunstycken, dragkammarkylning och luftintag.
Nu när genomförbarheten för SABER har stärkts vill Reaction Engines bygga en markdemonstratormotor till 2020. Om den fortsatta utvecklingen av SABER går bra, och om testningen till 2020 är framgångsrik, kommer dessa Air Breathing-raketmotorer att vara i en position att verkligen revolutionera tillgången till rymden.
Med ESA:s ord, 'ESA är övertygade om att ett marktest av en motor i mindre skala kan utföras framgångsrikt för att demonstrera flygregimen och cykeln och kommer att vara en kritisk milstolpe i utvecklingen av detta program och ett stort genombrott inom framdrivning över hela världen.'
Kom an.