Kreditna slika: NASA
Kao što svi znaju, kemijske rakete su prespor za istraživanje svemira. Možda najefikasniji će biti hibridni sustavi, s različitim vrstama pogona koji se koriste u različitim točkama putovanja. Ovaj članak daje prikaz tehnologije koju NASA trenutno radi.
"Mama, jesmo li već?"
Svaki je roditelj čuo taj krik sa stražnjeg sjedala automobila. Obično počinje oko 15 minuta nakon početka bilo kojeg obiteljskog putovanja. Dobra stvar je što rijetko putujemo više od nekoliko stotina ili nekoliko tisuća kilometara od kuće.
Ali što ako putujete na, recimo, Mars? Čak i uz najbliži pristup Zemlji svakih nekoliko godina, crveni planet uvijek je udaljen najmanje 35 milijuna milja. Šest mjeseci tamo i šest mjeseci unatrag - u najboljem slučaju.
"Houston, jesmo li već?"
"Kemijske rakete su jednostavno prespori", žali se Les Johnson, menadžer za tehnologije u svemiru u NASA-inom centru za svemirske letjelice Marshall. "Sva goriva spaljuju na početku leta, a zatim svemirski brod obilazi ostatak puta." Iako se svemirske letjelice mogu ubrzati pomoću gravitacione pomoći - nebeskog biča oko pucanja planeta, poput one oko Saturna koji je Voyagera 1 bacio na rub Sunčevog sustava - vrijeme putovanja između planeta još uvijek se mjeri u godinama do desetljeća. A putovanje do najbliže zvijezde trebalo bi stoljećima ako ne i tisućljećima.
Što je još gore, kemijske rakete jednostavno su previše neefikasne. Zamislite da se vozite benzinom u zemlji bez benzinskih crpki. Morat ćete prevoziti brodski teret plina i ne puno drugo. U svemirskim misijama ono što možete putovati na svom putovanju koje nije gorivo (ili rezervoari za gorivo) naziva se masa opterećenja - npr. Ljudi, senzori, uzorkovači, komunikacijska oprema i hrana. Kao što je kilometraža za plin korisna vrijednost zasluga za potrošnju goriva u automobilu, "udio mase korisnog opterećenja" - omjer mase korisnog opterećenja misije i njegove ukupne mase - je korisna brojka zasluga za učinkovitost pogonskih sustava.
S današnjim kemijskim raketama, masni udio nosivosti je mali. "Čak i koristeći putanju minimalne energije za slanje šesteročlane posade sa Zemlje na Mars, samo hemijske rakete ukupna masa lansiranja prešla bi 1.000 metričkih tona - od čega bi oko 90 posto bilo gorivo", rekao je Bret G. Drake, menadžer za analizu i integraciju svemira u Johnson Space Center. Samo gorivo težilo bi dvostruko više od dovršene Međunarodne svemirske stanice.
Jedna Marsova ekspedicija s današnjom tehnologijom kemijskog pogona zahtijevala bi desetine lansiranja - od kojih bi većina jednostavno lansirala kemijsko gorivo. Kao da je vašem kompaktnom automobilu od jedne tone trebalo 9 tona benzina da bi se vozio od New Yorka do San Francisca jer je prosječno iznosio samo kilometar po galonu.
Drugim riječima, pogonski sustavi niskih performansi jedan su od glavnih razloga zašto ljudi još nisu zakoračili na Mars.
Učinkovitiji pogonski sustavi povećavaju masu korisnog opterećenja davanjem boljih „plinskih prijeđenih kilometara“ u prostoru. Kako vam ne treba toliko pogonskog goriva, možete prevoziti više stvari, ići u manje vozilo i / ili stići brže i jeftinije. „Ključna poruka je: potrebne su nam napredne pogonske tehnologije kako bismo omogućili jeftinu misiju na Mars“, izjavio je Drake.
Dakle, NASA sada razvija ionske pogone, solarna jedra i druge tehnologije egzotičnih pogona koje su desetljećima bacale ljude na druge planete i zvijezde - ali samo na stranicama znanstvene fantastike.
Od kornjače do zeca
Koje su mogućnosti znanstvene činjenice?
NASA teško radi na dva osnovna pristupa. Prvo je razviti radikalno nove rakete koje su po redoslijedu veće uštede goriva od kemijskog pogona. Drugi je razvoj „sustava bez pogonskog goriva“ koji pokreću resurse koji obiluju vakuumom dubokog svemira.
Sve ove tehnologije imaju jednu ključnu karakteristiku: počinju polako, poput poslovične kornjače, ali s vremenom se pretvaraju u zeca koji zapravo pobjeđuje u trci do Marsa - ili bilo gdje. Oslanjaju se na činjenicu da malo kontinuirano ubrzanje tijekom mjeseci može u konačnici pokrenuti svemirsku letjelicu daleko brže od jednog ogromnog početnog udara nakon čega slijedi dugo razdoblje obaranja.
Iznad: Ovaj svemirski brod s niskim potiskom (umjetnikov koncept) pokreće ionski motor, a pokreće ga solarna električna energija. Na kraju će letjelica ubrzati brzinu - rezultat neumoljivog ubrzavanja - i utrkivati se brzinom od više kilometara u sekundi. Kreditna slika: John Frassanito & Associates, Inc.
Tehnički gledano, svi su oni sustavi niskog potiska (što znači da jedva osjetite oh-tako nježno ubrzanje, ekvivalentno težini papira koji leži na dlanu), ali s dugim radnim vremenima. Nakon nekoliko mjeseci neprekidnog ubrzavanja, vršit ćete se brzinom većim kilometrima u sekundi! Suprotno tome, kemijski pogonski sustavi su velikog potiska i kratkog radnog vremena. Gurnuti ste natrag u jastuke sjedala dok motori pucaju, ali samo nakratko. Nakon toga spremnik je prazan.
Rakete koje štede gorivo
"Raketa je sve što baci nešto preko broda da se krene naprijed", naglasio je Johnson. (Ne vjerujete u tu definiciju? Sjedite na skejtbordu s visokotlačnim crijevom usmjerenim u jednom smjeru i pokrenut će vam se suprotno).
Vodeći kandidati za naprednu raketu su varijante ionskih motora. U trenutnim ionskim motorima pogonsko gorivo je bezbojni inertni plin bez mirisa, poput ksenona. Plin ispunjava magnetsku komoru sa prstenom kroz koju prolazi elektronska zraka. Elektroni udaraju u plinovite atome, odbacujući vanjski elektron i pretvarajući neutralne atome u pozitivno nabijene ione. Elektrificirane mreže s mnogim rupama (15.000 u današnjim verzijama) usredotočuju ione prema ispuhu svemirskog broda. Ioni pucaju pored rešetki brzinom većom od 100 000 milja na sat (usporedite s motociklom Indianapolis 500 u 225 mph) - ubrzavajući motor u svemir, stvarajući potisak.
Odakle dolazi struja za ionizaciju plina i punjenje motora? Ili iz solarnih panela (tzv. Solarni električni pogon) ili od fisije ili fuzije (tzv. Nuklearni električni pogon). Solarni električni pogonski motori bili bi najučinkovitiji za robotske misije između sunca i Marsa, a nuklearni električni pogon za robotske misije izvan Marsa gdje je sunčeva svjetlost slaba ili za ljudske misije u kojima je brzina najvažnija.
Ionski pogoni djeluju. Svoje znanje dokazali su ne samo na testovima na Zemlji, već i u radnim svemirskim brodovima - najpoznatiji je Deep Space 1, mala misija za testiranje tehnologije koja se pokreće solarnim električnim pogonom i koji je u rujnu letio i fotografirao Comet Borrelly, 2001. Ionski pogoni poput one kojom se pokreće Deep Space 1 oko 10 puta su učinkovitiji od kemijskih raketa.
Sustavi bez pogonskog goriva
Pogonski sustavi s najmanjom masom, međutim, mogu biti oni koji uopće ne sadrže pogonsko gorivo. U stvari, čak nisu ni rakete. Umjesto toga, u pravom pionirskom stilu, oni "žive izvan zemlje" - tražeći energiju u prirodnim resursima koji obiluju svemirom, koliko su se tadašnji pioniri oslanjali na hranu kako bi zarobili životinje i pronašli korijenje i bobice na granici.
Dva vodeća kandidata su solarna jedra i plazma jedra. Iako je učinak sličan, mehanizmi rada vrlo su različiti.
Solarno jedro sastoji se od golemog područja gusamer, vrlo reflektirajućeg materijala koji se otvara u dubokom svemiru za snimanje svjetlosti sunca (ili iz mikrovalne ili laserske zrake sa Zemlje). Za vrlo ambiciozne misije, jedra bi se mogla kretati do više kvadratnih kilometara područja.
Solarna jedra iskorištavaju činjenicu da solarni fotoni, iako nemaju masu, imaju zamah - nekoliko mikronewtona (oko mase novčića) po kvadratnom metru na udaljenosti od Zemlje. Ovaj blagi zračni tlak polako će, ali sigurno, ubrzati jedro i njegov teret daleko od sunca, dostižući brzine do 150 000 milja na sat ili više od 40 milja u sekundi.
Česta zabluda je da solarna jedra hvataju solarni vjetar, tok energetskih elektrona i protona koji ključaju izvan Sunčeve vanjske atmosfere. Ne tako. Solarna jedra dobivaju svoj zamah od same sunčeve svjetlosti. Moguće je, međutim, dodirnuti zamah solarnog vjetra pomoću takozvanih "plazma jedra."
Jedra plazme modelirana su na Zemljinu magnetskom polju. Snažni borbeni elektromagneti okružili bi svemirsku letjelicu magnetskim mjehurićem dužine 15 ili 20 kilometara. Čestice nabijene velikim brzinama u solarnom vjetru gurale bi magnetski mjehurić, baš kao što rade i Zemljino magnetsko polje. Zemlja se ne kreće kada je gurnuta na ovaj način - naš je planet previše masivan. Ali svemirski brod bi se postupno odgurnuo od Sunca. (Dodatni bonus: kao što Zemljino magnetsko polje štiti naš planet od solarnih eksplozija i olujnih oluja, tako bi magnetsko plazmovo jedro zaštitilo putnike svemirske letjelice.)
Gore: Umjetnikov koncept svemirske sonde unutar magnetskog mjehurića (ili "plazma jedra"). Napunjene čestice u sunčevom vjetru udaraju u mjehurić, vrše pritisak i pokreću svemirsku letjelicu. [više]
Naravno, originalna, isprobana tehnologija bez pogonskog goriva, pomoć je gravitacije. Kada se svemirska letjelica ljulja planetom, ona može ukrasti dio orbitalnog zamaha planete. To teško utječe na ogroman planet, ali može impresivno povećati brzinu svemirske letjelice. Na primjer, kad je Galileo 1990. zamahnuo prema Zemlji, brzina svemirske letjelice povećala se za 11.620 mph; u međuvremenu je Zemlja usporila u svojoj orbiti za količinu manju od 5 milijardi inča godišnje. Takve gravitacijske potpore vrijedne su za nadopunu bilo kojeg oblika pogonskog sustava.
U redu, sad kad premotate međuplanetarnim prostorom, kako usporiti na odredištu dovoljno da uđete u parkirnu orbitu i pripremite se za slijetanje? Uz kemijski pogon, uobičajena tehnika je ispaljivanje retroaktivaca - još jednom, zahtijevajući veliku masu brodskog goriva.
Daleko ekonomičnija opcija obećana je zrakoplovom - kočenjem svemirskog broda trenjem u atmosferi odredišnog planeta. Trik je, naravno, ne dopustiti da se međuplanetarni svemirski brod velike brzine zapali. No, NASA-ini znanstvenici smatraju da bi uz primjereno dizajniran toplinski štit bilo moguće da se mnoge misije zarobe u orbiti oko odredišnog planeta samo jednim prolaskom kroz gornju atmosferu.
Naprijed!
"Niti jedna pogonska tehnologija neće svima učiniti sve", upozorio je Johnson. Doista, solarna jedra i plazma jedra vjerojatno bi bili korisni prvenstveno za pokretanje tereta, a ne ljudi s Zemlje na Mars, jer "predugo je potrebno da te tehnologije porastu za brzinu", dodao je Drake.
Unatoč tome, hibrid s nekoliko tehnologija mogao bi se pokazati vrlo ekonomičnim u dobivanju na Mars održane misije. Zapravo, kombinacija hemijskog pogona, ionskog pogona i aerokapse mogla bi smanjiti lansirnu masu šesterostruke misije na Marsu na ispod 450 metričkih tona (za što je potrebno samo šest lansiranja) - bez polovine koja je moguća samo s kemijskim pogonom.
Takva hibridna misija mogla bi izgledati ovako: Kemijske rakete, kao i obično, svemirske letjelice srušile s tla. Jednom kada bi se našli u orbiti niske Zemlje, ionski pogonski moduli zapalili bi se ili bi zemaljski kontroleri mogli instalirati solarno ili plazmo jedro. Na šest do 12 mjeseci svemirski brod - privremeno bespilotni brod da izbjegne izlaganje posade velikim dozama zračenja u Zemljinim pojasima Van Allen - zračio bi se spiralno, postupno ubrzavajući do konačne visoke orbite odlaska Zemlje. Posada bi nakon toga taksi brzi taksi dovezli do Marsovog vozila; mali kemijski stupanj bi tada pokrenuo vozilo da bi pobjegao od brzine i krenuo bi prema Marsu.
Kako se Zemlja i Mars okreću u svojim orbitama, relativna se geometrija između dvaju planeta neprestano mijenja. Iako se mogućnosti lansiranja na Mars događaju svakih 26 mjeseci, optimalna usklađivanja za najjeftinija, najbrža moguća putovanja događaju se svakih 15 godina - sljedeća dolazi 2018. godine.
Možda ćemo do tada imati drugačiji odgovor na pitanje: "Houston, jesmo li već?"
Izvorni izvor: NASA Science Story
