Japanske forskere sender drone i luften med mikrobølger

Illustration: Svenn Hjartarson

I dag bruger en rumraket enorme mængder af dyrt brændstof, der udgør omkring 90 procent af dens samlede masse, for at løfte og sende rumfartøjer, satellitter og rumsonder ud i rummet. Det koster op mod 600 millioner danske kroner alene for opsendelsen af en rumraket, så derfor leder forskere efter nye og billigere metoder til dette.

Derfor har et hold japanske forskere undersøgt, hvorvidt trådløs overførsel af energien i mikrobølger kan erstatte eller i hvert fald være et supplement til det dyre, kemiske raketbrændstof, fremgår det af en nyhed på University of Tsukubas hjemmeside.

Resultaterne fra de japanske forskeres eksperiment og efterfølgende analyse er for nylig publiceret i det fagfællebedømte, videnskabelige tidsskrift Journal of Spacecraft and Rockets under titlen '28 GHz Microwave-Powered Propulsion Efficiency for Free-Flight Demonstration'.

Her beskrives eksperimentet, hvor forskerne demonstrerede trådløs energioverførsel med mikrobølger til en fritflyvende drone med en vægt på cirka 0,4 kilogram, som svævede i 30 sekunder i 0,8 meters højde over den antenne, som udsendte mikrobølgerne.

»Vi brugte et sofistikeret strålesporingssystem til at sikre, at dronen modtog så meget af mikrobølgeeffekten som muligt. For yderligere at øge transmissionseffektiviteten justerede vi omhyggeligt mikrobølgernes fase ved hjælp af en analog faseskifter synkroniseret med GPS-enheder,« lyder det fra hovedforfatter Kohei Shimamura, der er adjunkt på afdelingen for mekanisk ingeniørkundskab og energi ved University of Tsukuba.

Forskerne målte og analyserede herefter energioverførslens effektivitet gennem mikrobølgestrålen (4 procent), dronens modtagelse af strålen (30 procent), konverteringen af mikrobølger til elektricitet til fremdrift (40 procent) og effektiviteten af en række andre processer.

På baggrund af de informationer og en analytisk formular regnede forskerne sig frem til, at den overordnede energieffektivitet under deres eksperiment lå på 0,43 procent. Til sammenligning lå energieffektiviteten i et af holdets tidligere eksperimenter, hvor de brugte en drone i en fastlåst position (fremfor en fritflyvende) på 0,1 procent.

»Disse resultatater viser, at der er behov for at arbejde mere på at forbedre transmissionseffektiviten og grundigt evaluere gennemførligheden af denne tilgang til fremdrift for fly, rumfartøjer og raketter,« lyder det fra Kohei Shimamura, der fortsætter:

»Fremtidige undersøgelser bør også sigte mod at forfine strålesporingssystemet og øge transmissionsafstanden ud over det, der er vist i vores eksperiment.«

Selvom mikrobølge-drevet fremdrift af raketter »stadig er i sine tidlige stadier, kan det en dag blive en overlegen måde at sende raketter i kredsløb på grund af konventionelle fremdrifts-teknologiers høje krav til brændstof,« fremgår det af nyheden fra University of Tsukuba.

Højere frekvens giver mindre tab

Udover det japanske forskerholds tidligere forsøg med at overføre energi til en drone gennem mikrobølger, som de publicerede sidste år, så skal man flere årtier tilbage i tiden for at finde tidligere, lignende eksperimenter, skriver forskningsnyhedsmediet EurekAlert i en artikel fra sidste år efter det japanske forskerholds første forsøg med metoden.

De forsøg blev hovedsageligt udført med mikrobølger i det lavfrekvente spektrum fra én til et par GHz. De japanske forskere udnyttede under både sidste års og dette års eksperimenter, at energioverførselseffektiviteten stiger, når frekvensen øges. Under deres eksperimenter brugte de mikrobølger med en høj frekvens på 28 GHz.

Ifølge EurekaAlerts artikel kræver det ifølge forskere typisk såkaldt beam-powered propulsion-fremdrift med en effekt på én MW per kilogram nyttelast at sende en rumraket op i en højde, hvor det kan lade sig gøre at sende en satellit eller andet i kredsløb om Jorden. Mængden af påkrævet energi per kilogram svarer nogenlunde til energi-outputtet fra 10 personbiler.

Rettelse 4. august 2021: Tidligere stod der i sidste afsnit, at »det ifølge forskere typisk én MW energi fra mikrobølger per kilogram nyttelast«. Det er en fejl og er nu rettet.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Måske der lige bør læses korrektur på den....

I øvrigt en fed artikel til agurketiden :-) Man fristes til at sige "popcorn", mens vi venter på en bedre virkningsgrad ;-)

  • 5
  • 0

Handler fremdriftsmetoden det om at accelerere partikler op?

For det er vel ikke en propel der løfter den noget af vejen?

  • 5
  • 0

Ifølge det sidste link i artiklen, ser det faktisk ud til at være effekt.

Det kunne være interessant at vide noget om energien også. Mere effekt må give højere hastighed, og altså mindre energi spildt på at holde raketten svævende, så at sige.

  • 0
  • 0

Mængden af påkrævet energi per kilogram svarer nogenlunde til energi-outputtet fra 10 personbiler

kunne vi ikke i stedet få oplyst, hvor mange solcellebestykkede fodboldbaner (i Danmark hhv. Sahara), det modsvarer?! :)

  • 3
  • 10

"I dag bruger en rumraket enorme mængder af dyrt brændstof, der udgør omkring 90 procent af dens samlede masse, for at løfte og sende rumfartøjer, satellitter og rumsonder ud i rummet. Det koster op mod 600 millioner danske kroner alene for opsendelsen af en rumraket, så derfor leder forskere efter nye og billigere metoder til dette"

Jeg mener ovenstående kan opfattes som 600 mio alene for brændstof. Men, mon ikke der hentydes til de totale omkostninger incl. løfteraket m.v.

Elon Musk skriver omkostningerne til drivmidler ligger mellem $200,000 og $300,000.

  • 9
  • 0

Efter megen grublen må jeg sige at jeg ikke er kommet tættere på at forstå hvilken motor denne raket skal have. Altså: den eldrevne raketmotor.

Nogle bud?

  • 8
  • 1

Noget over 10km oppe kan de godt glemme propeller, og de virker i øvrigt heller ikke ved overlydshastighed. "Beam me up scotty".

Næh, det skulle helst være bedre end at sætte raketten på ryggen af et fly.

Strengt taget, er motoren vel nødt til at smide et eller andet bagud for at komme fremad.

Ifølge https://en.m.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster en ionmotor for svag til at passere tyngdekraftsbarrieren.

Når payload først er i rummet, kan den accelereres stille og roligt, og deroppe må der være masser af solenergi.

Indtil videre har jeg svært ved at se det ellers interessante forsøg kan være et alternativ til konventionel raketteknologi.

Alt handler om at undgå at bruge brændstof til at bære brændstof.

  • 7
  • 0

@Henning:

Ja, der er meget langt fra en stationær (0 m/s) propeldrevet højde på 0,8 meter til en hastighed på 7.000 m/s i LEO.

Og heller ikke jeg kender nogen form for ikke-kemiske raketmotorer, der kan overvinde tyngdekraften. Man snakker om railguns, men alle former for "guns" har den kæmpe ulempe, at de skal opnå orbitale hastigheder inde i den helt fede atmosfære. Måske railguns på månen er en mulighed?

Man kan - som du skriver - spare en smule ved at launche via fly. En jet-motor har en ISP, der ligger ca. 10 gange over en normal raketmotor, så på den del af rejsen er der meget brændstof at spare. Men: hvis vi nu siger, vi kan slippe vores raket i 10 km højde med 300 m/s, har vi stadig kun tilført den langt under 1% af den energi, der kræves for et LEO.

Vi har "leget" med rumraketter siden V2, men der er stadig ikke kommet et seriøst alternativ til forbrænding - og dette bliver det (nok) heller ikke 😉

  • 8
  • 0

Der er ikke noget galt med ionmotorer.

De virker fint, men er ofte begrænsede af det til rådighed værende brændstof og den til rådighed værende effekt. I mange ionmotorer har man brugt teflon som brændstof. Det vil sikket være en del mere effektivt at benytte brint.

Med mindre du kan konvertere mikrobølgeenergi til bevægelse i sig selv, så skal du under alle omstændigheder have et materiale om bord, som du kan accelerere bagud for at få raketten til at bevæge sig fremad. Med lyssejl benytter du så vidt jeg ved noget af lys-som-partikler egenskaberne til at decelerere lyset på dit solsejl, hvilket bliver oversat til accelleration af dit fartøj.

Baseret på formlen for kinetisk energi (se denne Wiki side) )(½ mv2), altså en halv masse gange hastigheden i anden, så kan du se at det vil være mere effektfyldt at have lette ting, som du sender ud med meget høj fart. Det tilsiger at brint, helium eller andet let vil være godt, og du skal så gerne accellerere det op til noget nær lysets hastighed. Alternativt skal du have en spalter, som ikke kun laver dit brændstof til plasma, men som samtidig skiller atomkernerne ad i protoner og neutroner. Og så skal der bare accelereres. Så bliver din fremdrift bedst mulig.

Men at sætte en lineær accelerator ind i dit fartøj giver dig en massestraf, som ikke er helt negligerbar. Bare spørg Cern hvad deres bedste accelerator vejer. Spørg dem samtidig hvor meget energi eller effekt den pågældende accelerator bruger, og del dette med den nuværende virkningsgrad på 0,0043, og det ses nok at der virkelig skal skrues op for generatoren før man når nogen vegne.

Men med minimering af tabene i energioverførslen, gode, lette acceleratorer og en masse andre forbedringer så skal vi da nok kunne vinke farvel til ren kemisk fremdrift på raketter. Jeg vil dog ikke holde vejret mens jeg venter.

  • 0
  • 5

Det er måske det famøse em-drive system?

Hvis det er lidt for meget agurketid, er det måske overførsel af strålingens moment der er tale om. Det er skam reelle effekter, som kan accellerere et såkaldt solsejl. Det kan man læse om her: https://opentextbc.ca/universityphysicsv2o...

Problemerne vil formentligt hobe sig op, hvis det skal opskaleres til noget med reel accellerationskraft, fordi der så vil ske et tab, som bliver til varme, som næppe er helt simpelt at slippe af med igen (jævnfør, at mikrobølgeovne er ret gode til at varme ting op med). Mon ikke det er den type problemer japanerne bokser med?

  • 3
  • 0

I diskussionen skal man lige huske hvordan traditionelle raketters energi bliver brugt. Effekten ved liftoff skal jo bære payload OG raketter og deres brændstof. Hvis nu brændstoffet kan reduceres OG der kan løftes bare nogle kilometer (der hvor Max Q indtræder tror jeg), så er meget sparet i effekt, og dermed energiforbrug.

Min pointe er, at der indtil en vis højde og hastighed er brugt rigtig meget brændstof i raketten - fordi den skal løfte sit brændstof. Jeg kender ikke kurver for forbruget (kg/s) i forhold til opnået højde (for en given payload (kg)).

Så en (delvis) opsendelse uden eget brændstof kan sagtens være meget mere energieffektiv. Men jeg undrer mig også over "hvordan" en motor skulle virke jfr. Newton.

  • 0
  • 0

Hvis nu brændstoffet kan reduceres OG der kan løftes bare nogle kilometer (der hvor Max Q indtræder tror jeg), så er meget sparet i effekt, og dermed energiforbrug.

Prøv at regne på det Jan 😉

Ved Max Q har en Falcon 9 f.eks en hastighed i omegnen af 350 m/s - ved MECO har den en hastighed på tæt ved det ti-dobbelte. Det betyder, at energien i payloaden er ca. 100 gange så høj som ved Max Q.

Jeg kan (desværre) ikke finde tal for, hvor meget brændstof Falcon 9 har brugt ved Max Q - det er ikke lineært - og der er jo pointen om, at man bruger brændstof ftil at accelerere brændstof.

Det er ikke meget energien til at forlade jordens atmosfære, der er problemet. Det er energien til at opnå orbitale hastigheder. Du ser jo Bezo og Branson nå "rummet" med meget små og simple raketter - og for suborbitale flyvninger kan et "løft" til 10 km og en horisontal hastighed der faktisk give (nogen) mening, da slutenergien i payoad er ca en faktor 50 mindre en ved et orbitalt skud.

Det vi lige skal husker er, at raketter jo rent faktisk er rocket science - og at de folk, der arbejder med det på ingen måde er dumme. Det er ikke fordi, sådan har vi altid gjort, de fyrer kemi af.

Men hvis du (nogen) kunne finde en teknik, hvor man med energi fra jorden kunne sparke en Falcon 9 op forbi Max Q og opnå supersonisk fart der, er der ingen tvivl om, at der kunne spares - en del - på totalvægten og dermed brændstof - men: se også #5: Det er ikke brændstof, der er den tunge post på budgettet.

  • 0
  • 0

Husk at læse afsnittet Disadvantages John - ikke mindst Elon Musk's kommentarer - meget pragmatisk 😉

Det gjorde jeg skam, Flemming. 🙂

Jeg kan bare ikke se, det i artiklen omtalte "mikrobølgefix" opvejer problemerne, eller i det hele taget performer bedre?

En 10 km lodret railgun på et tårn ville være fikst - men det er vist ikke bare lige

Næ. Tårnet skal nemlig ikke være lige.😉

I 10 km højde flyver raketten ikke længere så meget op fra Jorden, men er begyndt at flyve rundt om Jorden. På vej i kredsløb.

  • 1
  • 0

@Flemming Rasmussen Desværre ligger det uden for min kompetance at gennemregne et eksempel - bortset fra den simple beregning af potentiel energi (højde) + dynamosk energi (hastighedsforøgelse). Den mere komplicerede beregning baseret på massereduktion ved afbrænding af brændstof kræver forbrugstal for motoren.

ad MECO: der var fornyligt en interessant artikel (kan ikke lige genfinde) om raketdesign med fokus på dyseåbning. Jeg husker det indtryk, at modtrykket uden for dysen har stor betydning for kraften (dvs. udstødningshastigheden) OG dyseåbningen er forskellig i forskellige højder. DERFOR tror jeg at højde for valgt MECO er en designoptimering for rakettens to trin med stort modtryk og lille modtryk (i forhold til løft og accelleration af 1. og 2 trin).

  • 0
  • 0

ad MECO: der var fornyligt en interessant artikel (kan ikke lige genfinde) om raketdesign med fokus på dyseåbning. Jeg husker det indtryk, at modtrykket uden for dysen har stor betydning for kraften (dvs. udstødningshastigheden) OG dyseåbningen er forskellig i forskellige højder. DERFOR tror jeg at højde for valgt MECO er en designoptimering for rakettens to trin med stort modtryk og lille modtryk (i forhold til løft og accelleration af 1. og 2 trin).

Helt sikkert - en vacuum dyse er væsentlig anderledes (stærre) end en atmosfærisk - og derfor er førstetrinsdyser altid et kompromis, så pointen er særdeles valid.

Problemet er bare stadig, at vi simpelthen ikke har nogen teknik (endnu) til at overkomme at løfte en raket ud af atmosfæren - og kald mig bare snæversynes, men jag kan på ingen måde se japanernes mikrogølgeovn nogen sinde komme til det.

  • 0
  • 0

Husk det også skal kunne orienteres i forhold til forskellige kredsløbsbaner. Både højde og retning.

Mit tårn er naturligvis (med den højde) temmeligt fleksibelt (tænk kæmpe kulfiber gittermast) - afstivet med (kulfiber - naturligvis) wirer i tre retninger med fastgørelsespunkter et antal steder oppe.

Hver af disse tre * x wirer ender i et spil. På den måde kan jeg styre krumning helt frit.

Jeg synes meget, du ser begrænsninger frem for muligheder John 😉

  • 1
  • 0

Problemet er bare stadig, at vi simpelthen ikke har nogen teknik (endnu) til at overkomme at løfte en raket ud af atmosfæren

Måske jeg misforstår dit indlæg, Flemming, men der findes Aerospike, som burde virke ved alle omgivende lufttryk. Fra jordoverfladen til vacuum.

Et koncept der tænktes anvendt i et "single stage to orbit" projekt, som dog aldrig fløj.😉

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Aerospike_...

https://youtu.be/FcW9kUUTfxY

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten