Resor genom rymden utan bränsle: Hemliga projektet TARS avslöjar hur – Pasta Party

Mikrosonder som accelererar sig själva med solljus, som om de kastades ut från en kosmisk slangbella: TARS låter nästan som science fiction.

Ändå kommer idén inte från en film, utan från en seriös undersökning utförd av en astrofysiker och en ingenjör. De vill med hjälp av ett intelligent rymdsegelstycke ta steget från långsamma sonder till blixtsnabba interstellära upptäcktsresande, utan en enda droppe bränsle.

Vad är TARS egentligen?

TARS står för ”Torqued Accelerator using Radiation from the Sun”. Systemet använder ingen raketmotor och inget bränsle, utan drivs uteslutande av solljus. Kärnan i konceptet: fotoner från solen levererar inte bara en knuff, utan också ett vridmoment. Det momentet omvandlas till rotation, och rotationen till hastighet.

Designen består av två ultratunn ytor som står mittemot varandra. Den ena sidan reflekterar solljuset, medan den andra absorberar det. Genom denna skillnad i lystryck uppstår ett roterande moment kring en axel, vilket får hela strukturen att snurra snabbare och snabbare.

TARS lagrar solenergi som rotationsenergi och avfyrar sedan en mikrosond som en slangbella.

Först när rotationshastigheten är tillräckligt hög kommer den egentliga ”uppskjutningen”: en pytteliten sond, ungefär lika stor som en smartphone, släpper taget och slungas ut i djupa rymden med hög hastighet. Den roterande strukturen stannar kvar, redo att långsamt bygga upp energi igen till nästa uppskjutning.

Ingen raket, ingen tank, men hastighet

Enligt beräkningarna från upphovsmännen kan ett relativt blygsamt TARS-system, omkring 7 meter brett och 63 meter långt, redan accelerera en last på några gram till mer än 40 km per sekund. Det ligger över flykthasigheten från solen. I teorin kan sonden alltså helt frigöra sig från vårt solsystem.

Ingen motor, inget bränsle, nästan inga rörliga delar: det sparar massa, komplexitet och pengar. Den kompletta strukturen kan väga endast omkring 1,5 till 2 kilogram, eftersom den byggs upp av extremt lätta kolnanorörfolier, som redan idag är kommersiellt tillgängliga.

Genom att skära bort massa och mekanik, flyttar TARS interstellära uppdrag närmare budgetar från universitet och små organisationer.

Varför TARS är annorlunda än klassiska solsegel

Solsegel har funnits länge: stora reflekterande dukar som långsamt accelererar när fotoner träffar dem. Dessa segel verkar i en rak linje och förblir relativt långsamma. TARS använder ett annat trick. Systemet fokuserar inte på direkt framdrift, utan på att bygga upp rotation över tid.

Du kan jämföra det med en friidrots-slangkastare. Istället för att utöva kraft en gång, roterar atleten flera varv, lagrar energi i rotationen och släpper sedan kullen. TARS gör samma sak, fast med ljus som energikälla.

• Klassiskt solsegel: kontinuerlig, men låg acceleration i en fast riktning.
• TARS: långsam energiuppbyggnad via rotation, följt av en kort, mycket kraftig uppskjutning.
• Resultat: högre slutfart för extremt lätta sonder.

Eftersom strukturen själv inte behöver flyga med till stjärnorna, får den gärna vara stor och skör. Den dyra, känsliga elektroniken sitter i mini-sonden som skjuts iväg. Denna separation mellan accelerator och last gör konceptet modulärt: en TARS kan avfyra flera sonder i serie.

En ny syn på banmekanik

För att fånga solljus tillräckligt länge måste TARS förbli i en speciell bana runt solen. Ett klassiskt solsegel skulle långsamt driva bort på grund av det kontinuerliga trycket från fotoner. Upphovsmännen tar därför till ett tidigare teoretiskt utarbetat bankoncept: en kvasi-stationär bana, där tyngdkraft och stråltryck förblir i balans.

I en sådan bana roterar objektet långsammare runt solen än vad Kepler normalt förutsäger. Trycket från solljuset kompenserar för en del av tyngdkraften. Genom att välja strukturens form och orientering rätt kan TARS förbli på nästan samma avstånd från solen i månader till år.

En stabil, ljusdriven bana betyder: konstant instrålning, förutsägbar rotation och tillräcklig tid för att stapla upp energi.

Då och då behövs en liten korrigering för att bevara positionen. Den impulsen kan i princip komma från samma ljustrycksmekanism, utan raketmotorer. Systemet balanserar konstant mellan att ”falla” mot solen och bli ”blåst bort” utåt.

Utmaning: utfällning och stabilisering

Den största tekniska knuttan är inte exotisk fysik, utan praktik: hur vecklar du ut en sådan lång, ultratunna struktur säkert i rymden? Forskarna tänker på en bandformad konfiguration istället för två skivor med en central kabel. Ett genomgående band skulle vara lättare att rulla ut och ge mer stabilitet vid höga rotationshastigheter.

En misslyckad utfällningsfas kan kosta hela uppdraget. Därför visar olika privata aktörer intresse för att testa i liten skala, till exempel med en cubesat-prototyp. En sådan test kan leverera grunddata om materialbeteende, spänningar och vibrationseffekter under rotationen.

Tillämpningar: från Kuiperbältet till gravitationslinsen

Om TARS uppnår de utlovade hastigheterna, förskjuts gränsen för vad som är uppnåeligt i rymden. Med 40 km/s blir solsystemets yttre gräns redan en del mer tillgänglig. Vid hastigheter mot 1000 km/s, omkring 0,3 procent av ljusets hastighet, kommer helt andra mål i spel.

På 600 astronomiska enheter från solen kan ett teleskop utnyttja solens gravitationslins. Denna effekt förstorer bilden av avlägsna exoplaneter kraftigt. Med en serie snabba mikrosonder skulle du kunna utföra riktade observationer av jordlika världar runt närliggande stjärnor.

Även Kuiperbältet, en region full av isobjekt och dvärgplaneter, blir intressant. Idag kräver sådana resor många år. En svärm av lätta sonder kan på kortare tid skicka tillbaka data om sammansättning, struktur och dynamik i denna avlägsna region.

Skydd av planeter och framtida kolonister

Skaparna av TARS tänker längre än bara utforskning. Runt Mars kunde en serie TARS-liknande strukturer användas för att generera ett artificiellt magnetfält via laddade ändar av bandet. Detta fält kan avleda laddade partiklar från solen, vilket minskar strålbelastningen på Mars yta.

För långvariga bemannade uppdrag till Mars förblir strålning ett av de största hindren. Ett flexibelt, justerbart magnetiskt skal runt planeten skulle utgöra ett extra skyddslager utöver fysiska skyddsrum och lokala magnetiska skärmar.

TARS presenteras som mer än en avfyrningsplattform: ett multifunktionellt instrument för snabba sonder och riktat strålningsskydd.

Varför detta koncept är så attraktivt för utbildning och små aktörer

Eftersom TARS arbetar med kommersiellt tillgängliga material och kräver ringa massa, flyttas konceptet inom räckhåll för mindre organisationer. Ett universitet kan i princip samarbeta om en prototyp inom en rimlig budget- och tidsskala.

Privata rymdfartsföretag visar redan intresse för att erbjuda testflygningar, till exempel som sekundär last vid en kommersiell uppskjutning. Villkor: teamet levererar en fullt funktionsduglig cubesat eller demonstrator. En sådan överenskommelse sparar miljoner euro i uppskjutningskostnader.

Studenter kan medverka till att bygga äkta interstellär teknologi, inte inom en avlägsen horisont, utan under de kommande åren. Det gör TARS också till ett kraftfullt utbildningsprojekt som kan attrahera nya generationer av ingenjörer och astrofysiker.

Tekniska uppmärksamhetspunkter och risker

Ändå hänger det solida frågetecken över den praktiska utförandet. De rotationshastigheter som är nödvändiga för att accelerera en sond till hundratals kilometer per sekund lägger enorma dragspänningar på materialet. En mikrospricka kan utlösa en kedjereaktion och slita sönder bandet.

Därför måste designen ta hänsyn till:

• materialtrötthet vid långvarig rotation;
• termiska spänningar från permanent solinstrålning;
• påverkan från mikrometeoriter och rymdskrot;
• precis timing av sondens frigivning.

Dessutom blir dataretur en utmaning. De avfyrade sonderna är pyttesamå, har begränsad energi och sänder från stora avstånd. Kommunikationsprotokoll, antenndesign och felkorrigering måste vara maximalt effektiva, med låga datahastigheter och mycket redundans.

Vad TARS berättar om framtiden för interstellära resor

TARS passar in i en bredare trend: bort från gigantiska, dyra flaggskeppsuppdrag, mot svärmar av små, intelligenta sonder. Istället för ett stort rymdskepp som är årtionden på väg kan du skicka dussintals mikrosonder, var och en med en annan destination eller instrumentpaket.

Konceptet visar också att framsteg inte alltid behöver komma från revolutionerande ny fysik. Här kombineras kända lagar om stråltryck och rotationsdynamik kreativt med moderna material. Språnget sitter i arkitekturen, inte i magisk teknologi.

Om man vill förstå steget mot äkta interstellära resor kan TARS ses som en möjlig mellanstation. Systemet gör det genomförbart att först kartlägga vårt eget systems yttre regioner grundligt, för att sedan tänka på resor till närliggande stjärnor. Simuleringar av sådana banor, med hänsyn till solaktivitet, banjusteringar och materialgränser, utgör det nästa logiska steget för forskarteam som vill bygga vidare på detta.

Parallellt med detta uppstår intressanta sidospår: undersökningar av nya kolbaserade folier, bättre aktivt styrda solsegel och hybridkoncept där en TARS-uppskjutning följs av mini-jonmotorer ombord på mikrosonden. Alla dessa linjer tillsammans tecknar en framtid där ljuset självt, istället för bränsle, blir den viktigaste allierade för resor mellan stjärnorna.