Eine Explosion! Uns ins All schicken? Die Energiegeheimnisse von Raumfahrzeugen erforschen

Endlose Explosionen könnten Hyperschallfahrzeuge ins All schicken

Abbildung: Dies ist eine konzeptionelle Abbildung eines Hyperschallflugzeugs, das von einem schrägen Detonationswellentriebwerk angetrieben wird. Bildnachweis: Daniel A. Rosato, NASA

Endlose Explosionen könnten der Schlüssel zu Hyperschallflügen und Raumflugzeugen sein, die problemlos von der Erde in die Umlaufbahn gelangen könnten. Forscher haben nun im Labor die Phänomene simuliert, die zur Explosion dieser Flugzeuge führen könnten.

Bei diesen Explosionen handelt es sich nicht um einfache Explosionen im heutigen Sinne, sondern um besonders heftige Explosionen, die sich mit Überschallgeschwindigkeit nach außen bewegen. Bei der gewaltigen Explosion, die im vergangenen Jahr den Hafen von Beirut im Libanon erschütterte, handelte es sich um eine ähnliche Detonation. Die enorme Energie, die dabei freigesetzt wird, kann in einem sehr großen Gebiet Strahlenschäden verursachen.

Ein langjähriger Traum der Wissenschaftler war es, einen Flugzeugmotor zu bauen, der diese Energie zum Fliegen nutzen könnte. Ein solches Flugzeug könnte theoretisch in weniger als einer Stunde von New York nach London fliegen. Da eine Detonation jedoch äußerst schwer zu kontrollieren ist und normalerweise weniger als eine Mikrosekunde dauert, ist es bisher noch keinem Wissenschaftler gelungen, sie Wirklichkeit werden zu lassen.

Nun hat ein Team der University of Central Florida ein experimentelles Gerät entwickelt, mit dem sie Detonationen an einer festen Position mehrere Sekunden lang fortsetzen können. Nach Ansicht der Forscher ist dies ein wichtiger Schritt in Richtung zukünftiger Hyperschall-Antriebssysteme.

„Wir versuchen hier, diese Detonation zu kontrollieren“, sagte Kareem Ahmed, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Central Florida und Hauptautor eines in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikels über die Forschung.

„Wir wollen sie im Weltraum einfrieren und ihre Energie nutzen. Anstatt sie Gebäude zerstören zu lassen, wie Sie es im Libanon gesehen haben, möchte ich sie jetzt nutzen und zur Erzeugung von Schub verwenden“, sagte Ahmed gegenüber Live Science. „Wenn uns das gelingt, können wir mit Höchstgeschwindigkeit reisen.“

Der Durchbruch basiert auf jahrzehntelanger Forschung an einem theoretischen Antriebssystem, das als schräger Detonationswellenmotor (ODWE) bekannt ist. Das Konzept funktioniert, indem ein Gemisch aus Luft und Treibstoff mit Hyperschallgeschwindigkeit (mehr als fünfmal so schnell wie der Schall) auf eine schiefe Ebene geschickt wird, wodurch eine Stoßwelle entsteht. Diese Stoßwelle erhitzt das Kraftstoff-Luft-Gemisch schnell und führt zu einer Explosion, bei der die Abgase mit hoher Geschwindigkeit aus dem hinteren Teil des Motors austreten. Das Ergebnis ist viel Schub.

Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf diese Weise zur Explosion gebracht wird, ist die resultierende Verbrennung sehr effizient, da nahezu 100 Prozent des Kraftstoffs verbrannt werden. Durch die Explosion entsteht außerdem ein enormer Druck, wodurch das Triebwerk mehr Schub erzeugen kann als sonst. Theoretisch könnte die Energie einer solchen Detonation ein Flugzeug auf bis zu 17-fache Schallgeschwindigkeit beschleunigen. Damit könnte ein Raumschiff einfach aus der Atmosphäre fliegen, ohne auf eine Rakete angewiesen zu sein, sagen die Forscher.

Die technische Herausforderung besteht jedoch darin, die Detonationszeit lang genug aufrechtzuerhalten, um die Energie für einen solchen Flug bereitzustellen. Frühere Experimente haben jedoch gezeigt, dass sie höchstens einige Millisekunden betragen kann. Ahmed sagte, die größte Schwierigkeit bestehe darin, zu verhindern, dass sich die Explosion flussaufwärts in Richtung der Brennstoffquelle ausbreitet, wo sie schwere Schäden verursachen könnte, oder weiter flussabwärts, wo sie erlöschen würde.

„Es stellt sich immer die Frage: Wenn Sie es etwa eine Millisekunde lang gedrückt halten, halten Sie es dann nur für einen Moment?“ sagte Ahmed. „Sie wissen nicht, ob Sie sich stabilisiert haben.“ "

Um zu testen, ob sie den bisherigen Rekord übertreffen könnten, bauten Ahmed und seine Kollegen eine Reihe von etwa 0,76 Meter langen Kammern, um Luft und Wasserstoff zu mischen und zu erhitzen, bevor sie diese auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigten und eine Rampe hinaufschossen.

Durch sorgfältiges Ausbalancieren des Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemisches, der Geschwindigkeit des Gasstroms und des Rampenwinkels gelang es dem Team, eine etwa drei Sekunden lange Explosion an einer festen Position zu erzeugen. Ahmed sagt, dies habe ausgereicht, um zu bestätigen, dass die Explosion stabil war und an einem festen Ort stattfand, anstatt sich nach oben oder flussabwärts zu bewegen. Dies sei der erste wichtige Schritt zur Realisierung einer realen ODWE.

Der Nachweis einer stabilen Detonation sei eine bedeutende Leistung, sagte Frank Lu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Texas in Arlington. Um einen praxistauglichen Motor zu entwickeln, müssen die Forscher nun herausfinden, wie dieser über einen Bereich von Geschwindigkeiten und Höhen betrieben werden kann und wie mit Verbrennungsinstabilitäten umgegangen werden kann, die durch Faktoren wie eine ungleichmäßige Mischung von Kraftstoff und Luft verursacht werden.

„Ich denke, die Ermittler haben großartige Arbeit geleistet und freue mich auf weitere Ergebnisse“, sagte Lu gegenüber Live Science.

Ahmed erklärte, dass die Forscher das Experiment nur wenige Sekunden lang durchführten, hauptsächlich weil die Intensität der Explosion die Glaswände der Testkammer schnell erodieren ließ. Er sagte, dass sie bei ihren ersten Tests Glas verwenden mussten, um optische Messungen der Explosion durchführen zu können. Wenn sie jedoch stattdessen Metallseiten verwenden würden, sollten sie in der Lage sein, Explosionen über längere Zeiträume durchzuführen.

Und hoffentlich, sagte Ahmed, wird sich die Konstruktion der Testeinheit nicht so sehr vom Design des ODWE in Originalgröße unterscheiden. Die größte Herausforderung für die Forscher besteht nun darin, herauszufinden, wie sie die drei Hauptbestandteile – Brennstoffmischung, Luftgeschwindigkeit und Neigungswinkel – variieren und dabei die Explosion dennoch stabil halten können.

„Nachdem wir nun bewiesen haben, dass es machbar ist, ist es eher ein technisches Problem – herauszufinden, wie man es in einem größeren Einsatzbereich aufrechterhalten kann“, sagte Ahmed.

VON: Edd Gent

FY: Qiu Bai

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