Credit de imagine: NASA
După cum știe toată lumea, rachetele chimice sunt prea lente pentru explorarea spațiului. Poate cele mai eficiente vor fi sistemele hibride, cu diferite tipuri de propulsie utilizate în diferite puncte ale unei călătorii. Acest articol vă oferă o defalcare a tehnologiilor la care NASA lucrează în prezent.
"Mamă, suntem acolo?"
Fiecare părinte a auzit acest strigăt de pe bancheta din spate a mașinii. De obicei, începe la aproximativ 15 minute după începerea oricărei călătorii în familie. Lucru bun, rareori călătorim mai mult de câteva sute sau câteva mii de kilometri de acasă.
Dar dacă ați călători, spuneți, Marte? Chiar și la cea mai apropiată apropiere de Pământ la fiecare doi ani, planeta roșie este întotdeauna la cel puțin 35 de milioane de mile distanță. Șase luni acolo și șase luni înapoi - în cel mai bun caz.
- Houston, suntem încă acolo?
„Rachete chimice sunt prea lente”, se lamentează Les Johnson, managerul tehnologiilor de transport în spațiu la centrul Marshall Space Flight al NASA. „Își ard tot propulsorul la începutul unui zbor și apoi nava spațială se întinde doar pe restul drumului.” Deși navele spațiale pot fi accelerate de asistența gravitațională - o crăpătură cerescă în jurul planetelor, cum ar fi cea din jurul lui Saturn care a aruncat Voyager 1 până la marginea sistemului solar - timpul de călătorie dus-întors între planete este încă măsurat în ani la decenii. Iar o călătorie către cea mai apropiată stea ar dura secole, dacă nu milenii.
Mai rău încă, rachetele chimice sunt prea ineficiente. Gândește-te să conduci într-un guzzler din toată țara fără benzinării. Va trebui să transportați încărcături de benzină și nu de mult. În misiunile spațiale, ceea ce puteți efectua în călătoria dvs. care nu este combustibil (sau rezervoare pentru combustibil) se numește masa de sarcină utilă - de exemplu, oameni, senzori, probe, echipamente de comunicații și alimente. La fel cum kilometrajul de gaz este o valoare utilă a meritului pentru eficiența consumului de combustibil al unei mașini, „fracția de masă a sarcinii utile” - raportul dintre masa sarcinii utile a unei misiuni și masa sa totală - este o cifră utilă de merit pentru eficiența sistemelor de propulsie.
Cu rachetele chimice de astăzi, fracția de masă utilă este scăzută. „Chiar și folosind o traiectorie cu energie minimă pentru a trimite un echipaj de șase persoane de pe Pământ pe Marte, cu rachete chimice singure, masa totală de lansare ar atinge 1.000 de tone metrice - din care aproximativ 90% ar fi combustibil”, a spus Bret G. Drake, manager pentru analiza și integrarea lansării spațiale la Johnson Space Center. Combustibilul singur ar cântări de două ori mai mult decât stația spațială internațională completată.
O singură expediție pe Marte, cu tehnologia de propulsie chimică de astăzi, ar necesita zeci de lansări - majoritatea lansând pur și simplu combustibil chimic. Este ca și cum mașina ta compactă de 1 tonă ar avea nevoie de 9 tone de benzină pentru a conduce din New York la San Francisco, deoarece avea o medie de doar o milă pe galon.
Cu alte cuvinte, sistemele de propulsie cu performanțe scăzute este unul dintre motivele principale pentru care oamenii nu au pus încă piciorul pe Marte.
Sisteme de propulsie mai eficiente măresc fracția de masă a sarcinii utile, oferind un „kilometraj de gaz” mai bun în spațiu. Deoarece nu ai nevoie de atât de mult combustibil, poți transporta mai multe lucruri, mergi într-un vehicul mai mic și / sau ajunge mai repede și mai ieftin. "Mesajul cheie este: avem nevoie de tehnologii avansate de propulsie pentru a permite o misiune low-cost pe Marte", a declarat Drake.
Astfel, NASA dezvoltă acum unități ionice, pânze solare și alte tehnologii de propulsie exotică care de zeci de ani au adus oamenii pe alte planete și stele - dar numai în paginile științei ficțiunii.
De la țestoasă la iepură
Care sunt opțiunile de fapt știință?
NASA lucrează din greu la două abordări de bază. Prima este să dezvolte rachete radical noi, care au o ordine de mărime mai bună economie de combustibil decât propulsia chimică. Al doilea este să dezvolte sisteme „fără propulsor” care sunt alimentate de resurse abundente în vidul spațiului profund.
Toate aceste tehnologii au o caracteristică cheie: încep încet, precum proverbiale broască țestoasă, dar în timp se transformă într-o iepură care câștigă de fapt o cursă pe Marte - sau oriunde. Ei se bazează pe faptul că o mică accelerație continuă de-a lungul unor luni poate propulsa în cele din urmă o navă spațială mult mai rapidă decât o lovitură inițială enormă urmată de o lungă perioadă de coastă.
Mai sus: Această navă spațială cu forță scăzută (conceptul unui artist) este propulsată de un motor cu ioni și alimentată de electricitate solară. În cele din urmă, ambarcațiunea va ridica viteza - rezultatul unei accelerații neobosite - și va alerga de-a lungul multor mile pe secundă. Credit imagine: John Frassanito & Associates, Inc.
Tehnic vorbind, acestea sunt toate sistemele cu tracțiune scăzută (ceea ce înseamnă că abia ai simți o accelerație atât de blândă, echivalentă cu greutatea unei bucăți de hârtie pe palmă), dar timp de funcționare lung. După câteva luni de continuare a accelerării mici, veți fi tăiat de-a lungul a mulți kilometri pe secundă! În schimb, sistemele de propulsie chimică au o tracțiune mare și un timp de funcționare scurt. În timp ce motoarele ard, dar nu numai scurt, sunteți zdrobit în pernele scaunului. După aceea, rezervorul este gol.
Rachete cu combustibil eficient
"O rachetă este orice aruncă ceva peste bord pentru a se propulsa înainte", a subliniat Johnson. (Nu credeți această definiție? Așezați-vă pe un skateboard cu un furtun de înaltă presiune îndreptat într-un fel și veți fi propulsat în sens invers).
Principalii candidați la rachetă avansată sunt variante ale motoarelor cu ioni. În motoarele cu ioni actuale, propulsorul este un gaz inert incolor, fără gust, inodor, precum xenonul. Gazul umple o cameră înelată de magnet prin care trece un fascicul de electroni. Electronii lovesc atomii gazoși, eliminând un electron exterior și transformând atomii neutri în ioni încărcați pozitiv. Rețelele electrificate cu multe găuri (15.000 în versiunile de astăzi) concentrează ionii spre evacuarea navei spațiale. Ionii trag în afara rețelelor cu viteze de până la peste 100.000 de mile pe oră (comparați-o cu o mașină de curse Indianapolis 500 la 225 km / h) - accelerarea motorului în spațiu, producând astfel împingere.
De unde provine electricitatea pentru a ioniza gazul și a încărca motorul? Fie din panouri solare (așa-numita propulsie electrică solară), fie din fisiune sau fuziune (așa-numita propulsie electrică nucleară). Motoarele de propulsie electrică solară ar fi cele mai eficiente pentru misiunile robotice dintre soare și Marte, iar propulsia electrică nucleară pentru misiunile robotice dincolo de Marte, unde lumina soarelui este slabă sau pentru misiunile umane unde viteza este esențială.
Ion conduce munca. Și-au dovedit puterea nu numai în testele de pe Pământ, ci și în navele spațiale care funcționează - cea mai cunoscută fiind Deep Space 1, o mică misiune de testare a tehnologiei alimentată de propulsie electrică solară care a zburat și a făcut poze cu Comet Borrelly în septembrie, 2001. Unitățile ionice ca cele care au propulsat Deep Space 1 sunt de aproximativ 10 ori mai eficiente decât rachetele chimice.
Sisteme fără propulsoare
Cu toate acestea, sistemele de propulsie cu cea mai mică masă pot fi cele care nu au deloc combustibil la bord. De fapt, nici măcar nu sunt rachete. În schimb, în adevărat stil de pionierat, „trăiesc în afara terenului” - bazându-se pe energie pe resursele naturale abundente în spațiu, la fel cum pionierii de atunci s-au bazat pe hrană pentru prinderea animalelor și găsirea rădăcinilor și fructelor de pădure.
Cei doi candidați principali sunt pânze solare și pânze cu plasmă. Deși efectul este similar, mecanismele de operare sunt foarte diferite.
O navigatie solara este formata dintr-o zona enorma de gossamer, material puternic reflectorizant, care se desfasoara in spatiul adanc pentru a capta lumina de la soare (sau dintr-un cuptor cu microunde sau raza laser de pe Pamant). Pentru misiuni foarte ambițioase, pânzele ar putea ajunge până la mulți kilometri pătrați în zonă.
Pânzele solare profită de faptul că fotonii solari, deși nu au masă, au impuls - mai multe micronewtone (aproximativ greutatea unei monede) pe metru pătrat la distanța Pământului. Această presiune ușoară de radiație va accelera încet, dar sigur, navigarea și încărcarea sa utilă departe de soare, atingând viteze de până la 150.000 de mile pe oră sau mai mult de 40 de mile pe secundă.
O concepție greșită comună este că pânzele solare prind vântul solar, un flux de electroni energetici și protoni care se fierb departe de atmosfera exterioară a Soarelui. Nu asa. Pânzele solare își obțin impulsul de la lumina soarelui în sine. Cu toate acestea, este posibil să atingeți impulsul vântului solar folosind așa-numitele „pânze cu plasmă”.
Pânzele cu plasmă sunt modelate pe propriul câmp magnetic al Pământului. Electromagneti puternici la bord ar înconjura o navă spațială cu o bulă magnetică de 15 sau 20 de kilometri. Particulele încărcate cu viteză mare din vântul solar ar împinge bula magnetică, la fel cum fac și câmpul magnetic al Pământului. Pământul nu se mișcă atunci când este împins în acest fel - planeta noastră este prea masivă. Dar o navă spațială va fi îndepărtată treptat de Soare. (Un bonus suplimentar: la fel cum câmpul magnetic al Pământului protejează planeta noastră împotriva exploziilor solare și a furtunilor de radiații, la fel o vela cu plasmă magnetică ar proteja ocupanții unei nave spațiale.)
Mai sus: Conceptul artistului de o sondă spațială în interiorul unei bule magnetice (sau „plasă cu plasmă”). Particulele încărcate în vântul solar lovesc bula, aplică presiune și propulsează nava spațială. [Mai Mult]
Desigur, tehnologia originală, încercată și fără adevărat de propulsori, este asistența gravitațională. Atunci când o navă spațială se leagănă de o planetă, aceasta poate fura o parte din impulsul orbital al planetei. Acest lucru face cu greu o diferență de o planetă masivă, dar poate stimula impresionant viteza unei nave spațiale. De exemplu, când Galileo s-a învârtit pe Pământ în 1990, viteza navei spațiale a crescut cu 11.620 mph; între timp, Pământul a încetinit pe orbita sa cu o sumă mai mică de 5 miliarde de centimetri de un inch pe an. Asistența gravitațională este valoroasă în completarea oricărei forme de sistem de propulsie.
Bine, acum când parcurgeți spațiul interplanetar, cum încetiniți destinația suficientă pentru a merge pe o orbită de parcare și a vă pregăti pentru aterizare? Cu propulsie chimică, tehnica obișnuită este de a arunca retrorockets - încă o dată, necesitând mase mari de combustibil la bord.
O opțiune mult mai economică este promisă de aerocaptura - frânarea navei spațiale prin frecare cu atmosfera planetei de destinație. Trucul, desigur, este să nu lăsăm să se ardă o navă spațială interplanetară de mare viteză. Dar oamenii de știință NASA consideră că, cu un scut de căldură proiectat corespunzător, ar fi posibil ca multe misiuni să fie capturate pe orbită în jurul unei planete de destinație, cu o singură trecere prin atmosfera superioară.
Onward!
„Nici o singură tehnologie de propulsie nu va face totul pentru toată lumea”, a avertizat Johnson. Într-adevăr, pânzele solare și pânzele cu plasmă ar fi utile în primul rând pentru propulsarea încărcăturii, mai degrabă decât a oamenilor de pe Pământ către Marte, pentru că „durează prea mult ca acele tehnologii să se ridice pentru a scăpa de viteză”, a adăugat Drake.
Cu toate acestea, un hibrid cu mai multe tehnologii s-ar putea dovedi a fi foarte economic într-adevăr în realizarea unei misiuni cu personalitate pe Marte. De fapt, o combinație de propulsie chimică, propulsie ionică și aerocaptura ar putea reduce masa de lansare a unei misiuni de 6 persoane pe Marte la sub 450 de tone metrice (necesitând doar șase lansări) - cu excepția a jumătății obținute doar cu propulsie chimică.
O astfel de misiune hibridă ar putea merge astfel: rachetele chimice, ca de obicei, ar scoate navele spațiale de pe sol. Odată ajunși pe orbită de pe Pământul scăzut, modulele de acționare ionică s-ar aprinde, sau controlerele solului ar putea implementa o solară sau o plasă cu plasmă. Timp de 6 până la 12 luni, nava spațială - temporar fără echipaj pentru a evita expunerea echipajului la doze mari de radiații în centurile de radiație Van Allen ale Pământului - s-ar îndepărta, accelerând treptat până la o orbită finală de plecare a Pământului. Echipajul va fi apoi transportat către vehiculul Marte într-un taxi de mare viteză; apoi, o mică etapă chimică ar arunca apoi vehiculul pentru a scăpa de viteză și s-ar îndrepta spre Marte.
Pe măsură ce Pământul și Marte gravitează pe orbitele lor, geometria relativă dintre cele două planete se schimbă constant. Deși oportunitățile de lansare către Marte apar la fiecare 26 de luni, aliniamentele optime pentru cele mai ieftine, cele mai rapide călătorii posibile se întâmplă la fiecare 15 ani - următorul venit în 2018.
Probabil că atunci vom avea un răspuns diferit la întrebarea: „Houston, suntem încă acolo?”
Sursa originală: Povestea științei NASA
