Rymdraketer och flygande bilar

Vart tog de interkontinentala passagerarraketerna, de flygande bilarna och turistresorna till månen och Mars vägen? Slutade utvecklingen på grund av en kapitalistisk konspiration eller finns det helt enkelt fysiska begränsningar som sätter käppar i hjulet? Och vilka käppar finns det för elbilens hjul?

I november 1967 steg den första Saturnus V-raketen mot skyn och i och med det var äntligen vår måne inom räckhåll. Året därpå genomfördes den första bemannade resan runt månen och 20 juli 1969 kunde Neil Armstrong i direktsändning från månen tala till en imponerad värld. I slutet av 1972, fem landningar senare, var äventyret över.

Det är nu snart 44 år sedan någon människa satte foten på månen och det lär dröja länge innan det händer igen. De grundläggande problemen är helt enkelt desamma idag som på sextiotalet. Bränslet ger för lite energi i förhållande till vikten.

Gigantisk konstruktion
Saturnus V var en gigantisk trestegsraket, 110,6 m hög och 10 m i diameter. Den vägde över 3 000 ton och klarade att ta en last på 47 ton till månen. Nyttolasten för hela tur- och returresan anges till ett drygt ton.

Och här ser vi rymdfartens stora stötesten. Det krävs fantastiska mängder bränsle för att lyfta stora och tunga konstruktioner upp i rymden och varje extra ton bränsle innebär större och tyngre raketkonstruktioner. Kostnaden för att ta tre personer och deras ”bagage” till månen och tillbaka var och är otroligt stor.

Det verkligt jobbiga med raketmotorer är att de inte kan dra nytta av atmosfärens syre, utan måste släpa med sig både bränsle och syre. Det enklaste sättet (användes till exempel i rymdfärjans boosterraketer) är att använda vanligt krut, men energiinnehållet är inte mycket att skryta med. Krut ger mindre än 1 kWh (0,84) per kg, vilket kan jämföras med 12 kWh per kg för dieselolja/fotogen och 33 kWh per kg för vätgas. Skillnaden blir förstås mindre om man räknar med syret också. För att elda ett kilo fotogen går det åt ungefär två kilo syre, dessutom väger trycktankarna för flytande syre en hel del. Saturnusraketens första steg drevs med fotogen och flytande syre.

Det i princip effektivaste och i praktiken klart svåraste är att använda en kombination av flytande väte och flytande syre. Väte ger som sagt 33 kWh per kg, men kräver extrema trycktankar. Saturnusraketen använde flytande väte och flytande syre för andra och tredje raketsteget.

Science fiction
Femtiotalets och sextiotalets science fiction-romaner översvämmas av raketer för de mest triviala ändamål. Interkontinentala raketfärder skulle korta ner restiderna dramatiskt och resor till rymdstationer och månstationer förväntades bli vardagsmat. Efter de första månresorna var det lätt för icke-tekniker att extrapolera och tro på resor till både Mars och Venus inom ett par årtionden. Utvecklingen går ju framåt.

Mera realistiska science fiction-författare, som t ex Arthur Clarke, insåg att det skulle krävas betydligt mer för att göra rymden tillgänglig för gemene man. Antingen skulle det krävas någon form av fusions- eller fissionsmotorer eller också den tänkta ”rymdhissen”, där en extremt stark vajer (35 790 km lång) går från jorden upp till en rymdstation i geostationär bana. I bägge fallen sträcker sig tidsplanen från ”mycket långt bort” till ”förmodligen aldrig”.

Robotar tog över
När det gäller att lyfta stora laster upp i rymden har egentligen inte mycket hänt sedan sextiotalet. Rymdfärjan var ett tekniskt imponerande, men ekonomiskt misslyckat försök att effektivisera och få ned kostnaden. Den är nedlagd sedan 2011 och idag går all persontrafik till den internationella rymdstationen med traditionella (ryska) raketer. Både de ryska (Buran) och europeiska (Hermes) rymdfärjeprojekten lades ner innan de kom i drift och vad som händer med USAs X-37B vet bara amerikanska flygvapnet (och de berättar inte).

Den mest imponerande utvecklingen inom rymdteknologin handlar i stället om miniatyrisering och automatisering. Små och lätta enheter kan göra förbluffande mycket och kostar inte alls lika mycket att skicka upp i rymden. Här ligger svensk rymdindustri i framkanten.
Så ser det alltså ut för rymdindustrin. Automatisering och miniatyrisering ger snabb och imponerande teknisk utveckling. Men persontrafiken har i stort sett stått och stampat de senaste fyrtio åren. De tekniska begränsningarna är som de är.

10 000 m och 1000 km/h
Då har flyget klarat sig bra mycket bättre, men också här har vi sett svåröverstigliga tekniska begränsningar hämma de intressantaste idéerna. Det handlar framför allt om bränsleförbrukning och hastighet.

På femtiotalet och sextiotalet tävlade stormakterna om att ta fram överljudsplan för passagerartrafik. Efter att Concorde satts i linjetrafik trodde nog många att ”dammluckorna var öppna”. Överljudsflyg för massorna var på gång.

Men det är dyrt och bullrigt att flyga i överljudshastighet. En del av problemen med det ökade luftmotståndet kunde hanteras med ökad flyghöjd, men hur man än räknar blir det ruggigt dyra flygtimmar. Concorde lades i malpåse och det lär dröja innan något liknande dyker upp igen.

Flygets ”sweetspot” blev i stället hastigheter runt 1000 km/h och en flyghöjd runt 10 000 m. På den höjden är luftmotståndet bara en fjärdedel jämfört med markytan och det finns fortfarande tillräckligt mycket syre för motorerna. Dagens flygtrafik är en fantastisk framgångssaga, med låga priser, låg energiförbrukning och hög säkerhet. Inte så kul för science fiction-författarna, men ett praktiskt och billigt sätt att resa långa sträckor.

Bilen flyger inte
Alla läsare av science fiction har naturligtvis stött på den flygande bilen. Flygande bilar finns också i alla framtidsfilmer med självaktning och det finns säkert många teknikoptimister som ser den flygande bilen som ett självklart nästa steg.

Tyvärr lider den flygande bilen av samma problem som överljudsplanet. Den går att konstruera och tillverka, men blir hopplöst dyr och opraktisk. Den quadrocoptervariant som brukar ses i moderna filmer skulle till exempel blåsa bort medtrafikanterna med luftströmmar av orkanstyrka. Plus att den skulle få fruktansvärt hög bränsleförbrukning.

Verkligheten har till och med blivit så tråkig att bilarna numera segar sig fram i hastigheter runt 120 km/h. Det går faktiskt långsammare idag än på femtiotalet.

Dyrt att köra fort
Återigen handlar det om tekniska och ekonomiska begränsningar. I 240 km/h är rörelseenergin fyra gånger så stor som i 120 km/h. Det förlänger bromssträckorna med en faktor fyra och skaderisken minst lika mycket.

Runt 60 km/h brukar en bils rullmotstånd och luftmotstånd vara ungefär lika, därefter blir luftmotståndet allt mer dominerande. Vid 120 km/h har luftmotståndet ökat med en faktor fyra (ökar med kvadraten på hastigheten) och vid 240 km/h är luftmotståndet 16 gånger större än vid 60 km/h. Effektbehovet ökar ännu snabbare, närmare bestämt med hastigheten upphöjt till tre (kraften gånger hastigheten).

Det innebär att en bil behöver åtta gånger högre motoreffekt för att nå 240 km/h än vad som behövs vid 120 km/h. Om motorns verkningsgrad är densamma vid olika effektuttag (gäller bara elmotorer) blir bränsleförbrukningen per mil ungefär fyra gånger större vid 240 km/h jämfört med 120 km/h.

I Tyskland är det fortfarande tillåtet att köra i hastigheter runt 240 km/h på en hyggligt stor del av motorvägsnätet (två tredjedelar). Det finns också gott om bilar som klarar såpass höga hastigheter. Någonstans mellan två och trehundra hästkrafter brukar räcka.

Men energiförbrukningen blir som sagt ganska ruggig redan vid 240 km/h och den som vill dubbla hastigheten en gång till får se till att ha en motor på uppåt 2 000 hästkrafter och vara beredd på en bränsleförbrukning runt 10 liter per mil.

I praktiken ligger det väl någon form av ”sweetspot” från 80 till 120 km/h. Det går hyfsat snabbt att ta sig fram och konsekvenserna vid olyckor behöver inte bli så stora. Femtiotalets visioner om jetdrivna bilar kan vi nog glömma.

Det gäller tåget också
Att energiförbrukningen ökar med kvadraten på hastigheten gäller faktiskt tågen också. Vid hastigheter runt 320 km/h handlar det inte längre bara om lågt rullmotstånd utan luftmotståndet blir en verklig faktor att räkna med.

Visserligen behöver inte tåget ”betala” för att hålla sig i luften, så snabbtåget har fortfarande en klart lägre energiförbrukning per person än flyget. Men skillnaden minskar i takt med att flyget blir effektivare och tågen blir snabbare och mer energikrävande.

Snabbtågen ställer också mycket större krav på spårunderhåll och övervakning. Dubblad hastighet innebär fyra gånger större rörelseenergi och relativt små problem kan resultera i väldigt stora konsekvenser. Japanska Shinkansens höga underhållskostnader beror på att man måste vara fullständigt säker på att allt fungerar som det skall och samma sak gäller förstås här. Spruckna skenor och trasiga växlar får inte existera.

Många hinder
I stort sett överallt finns det små och stora hinder som gör att man inte bara kan extrapolera utvecklingen. Det räcker inte heller att något i och för sig är tekniskt möjligt. Det måste också vara möjligt att göra på ett säkert och ekonomiskt sätt.

Här hade jag tänkt att dyka lite djupare i ämnet elbilar, titta på vilka fysiska hinder som finns och försöka se vad det kostar att komma runt dem. Men jag tror att jag kör en ”fortsättning följer” i stället. Den som är intresserad av tankar kring EV-1, Tesla X och Volkswagen XL1 får vänta tills på torsdag.

Vi ses då.

Comments are closed.