Kreditna slika: NASA
Kot vsi vemo, so kemične rakete preveč počasne za raziskovanje vesolja. Morda bodo najučinkovitejši hibridni sistemi z različnimi pogonskimi silami, ki se uporabljajo na različnih točkah vožnje. Ta članek prikazuje razčlenitev tehnologij, ki jih NASA trenutno deluje.
"Mami, smo že tam?"
Vsak starš je slišal ta krik z zadnjega sedeža avtomobila. Običajno se začne približno 15 minut po začetku katerega koli družinskega potovanja. Še dobro, da redko potujemo več kot nekaj sto ali nekaj tisoč milj od doma.
Kaj pa, če bi potovali na recimo Mars? Tudi ob najbližjem približevanju Zemlji vsakih nekaj let je rdeči planet vedno oddaljen vsaj 35 milijonov milj. Šest mesecev tam in šest mesecev nazaj - v najboljšem primeru.
"Houston, smo že tam?"
"Kemične rakete so preprosto prepočasne," obžaluje Les Johnson, vodja vesoljskih transportnih tehnologij v Nasinem vesoljskem letalskem centru Marshall. "Vse svoje gorivo zažgejo na začetku leta, nato pa vesolje plovilo le prevozi preostalo pot." Čeprav se vesoljska plovila lahko pospešijo z gravitacijsko pomočjo - nebesnim zlomom planetov okrog planetov, kot je tisti okoli Saturna, ki je Voyagerja 1 odpeljal na rob sončnega sistema - čas potovanja med planeti še vedno meri v letih do desetletij. A potovanje do najbližje zvezde bi trajalo stoletja, če ne tisočletja.
Še huje je, da so kemične rakete preveč neučinkovite. Pomislite, da se boste vozili s plinskim škripcem po državi, kjer ni bencinskih črpalk. Morali bi prevažati tovor čolnov s plinom in ne kaj drugega. V vesoljskih misijah se tisto, kar lahko prevažate na potovanju, ki ni gorivo (ali rezervoarji za gorivo), imenuje masa koristnega bremena - npr. Ljudje, senzorji, vzorčevalci, komunikacijska oprema in hrana. Tako kot je plinska kilometrina koristna številka zaslug za učinkovitost porabe goriva v avtomobilu, je "masna masa obremenitve" - razmerje med maso koristnega tovora v misiji in njeno skupno maso - koristna številka zaslug za učinkovitost pogonskih sistemov.
Z današnjimi kemičnimi raketami je masna masa obremenitve majhna. "Tudi če uporabimo pot z minimalno energijo za pošiljanje šestčlanske posadke z Zemlje na Mars, bi samo s kemičnimi raketami skupna izstrelitvena masa presegla 1000 metrskih ton - od tega bi bilo približno 90 odstotkov gorivo," je dejal Bret G. Drake, vodja analize in integracije vesoljskih izstrelkov v vesoljskem centru Johnson. Samo gorivo bi tehtalo dvakrat toliko kot končana Mednarodna vesoljska postaja.
Ena sama ekspedicija na Mars z današnjo tehnologijo kemičnega pogona bi potrebovala na desetine izstrelitev, od katerih bi večina preprosto izstrelila kemično gorivo. Kot da bi vaš 1-tonski kompaktni avtomobil potreboval 9 ton bencina za vožnjo iz New Yorka do San Francisca, ker je v povprečju znašal le kilometer na galono.
Z drugimi besedami, nizko zmogljivi pogonski sistemi so eden glavnih razlogov, zakaj ljudje še niso stopili na Mars.
Učinkovitejši pogonski sistemi povečajo maso deleža koristnih obremenitev z boljšo "plinsko kilometrino" v prostoru. Ker ne potrebujete toliko pogonskega goriva, lahko prevažate več stvari, greste v manjše vozilo in / ali pridete hitreje in ceneje. "Ključno sporočilo je: potrebujemo napredne pogonske tehnologije, da omogočimo poceni misijo na Mars," je izjavil Drake.
Tako NASA zdaj razvija ionske pogone, sončna jadra in druge eksotične pogonske tehnologije, ki že desetletja človeka valijo na druge planete in zvezde - vendar le na straneh znanstvene fantastike.
Od želve do zajca
Kakšne so možnosti, ki se nanašajo na znanost?
NASA trdo dela pri dveh osnovnih pristopih. Prva je razviti radikalno nove rakete, ki imajo po naročilu boljšo porabo goriva od kemičnega pogona. Drugi način je razviti sisteme brez goriva, ki jih poganjajo viri, ki so v vakuumu globokega vesolja.
Vse te tehnologije imajo eno ključno lastnost: začnejo se počasi, kot pregovorna želva, sčasoma pa se spremenijo v zajca, ki dejansko zmaga na dirki na Mars - ali kamor koli. Zanašajo se na dejstvo, da lahko majhen neprekinjen pospešek skozi mesece vesoljsko plovilo poganja veliko hitreje kot en velikanski začetni udarec, ki mu sledi dolgotrajno obvarovanje.
Zgoraj: To vesoljsko ladjo z nizkim potiskom (umetnikov koncept) poganja ionski motor in jo napaja sončna elektrika. Sčasoma bo plovilo nabralo hitrost - rezultat neusmiljenega pospeševanja - in dirkalo z veliko kilometri na sekundo. Kreditna slika: John Frassanito & Associates, Inc.
Tehnično gledano so vsi sistemi z nizkim potiskom (kar pomeni, da komaj čutite tako nežen pospešek, ki je enak teži papirja, ki leži na vaši dlani), vendar dolg čas delovanja. Po mesecih nenehnega pospeševanja bi posnemali veliko kilometrov na sekundo! V nasprotju s tem so kemični pogonski sistemi z velikim potiskom in kratkimi obratovalnimi časi. Medtem ko motorji zažgejo, ste nazaj v sedežne blazine, vendar le na kratko. Po tem je rezervoar prazen.
Raketne rakete
"Raketa je vse, kar vrže nekaj čez morje, da se poganja naprej," je poudaril Johnson. (Ne verjamete v to definicijo? Sedite na drsalko z visokotlačno cevjo, usmerjeno v eno smer, in premaknili vas bodo v nasprotni smeri).
Glavni kandidati za napredno raketo so različice ionskih motorjev. V trenutnih ionskih motorjih je gorivo brezbarven inerten plin brez vonja, kot je ksenon. Plin napolni magnetno komoro, skozi katero teče elektronski žarek. Elektroni udarijo v plinaste atome, odtrgajoč zunanji elektron in nevtralne atome pretvorijo v pozitivno nabite ione. Elektrificirane mreže z mnogimi luknjami (15.000 v današnjih različicah) usmerjajo ione proti izpuhu vesoljske ladje. Ioni streljajo mimo omrežij s hitrostjo do več kot 100.000 milj na uro (primerjajte z dirkalnikom Indianapolis 500 pri 225 mph) - pospešujejo motor v vesolje in tako ustvarjajo potisk.
Od kod prihaja elektrika za ionizacijo plina in polnjenje motorja? Bodisi iz sončnih panelov (tako imenovani solarni električni pogon) ali iz fisije ali fuzije (tako imenovani jedrski električni pogon). Sončni električni pogonski motorji bi bili najbolj učinkoviti za robotske misije med Soncem in Marsom, jedrski električni pogon pa za robotske misije zunaj Marsa, kjer je sončna svetloba šibka, ali za človeške misije, kjer je hitrost bistvenega pomena.
Ionski pogoni delujejo. Svojo sposobnost so dokazali ne le na preizkusih na Zemlji, temveč tudi v delujočem vesoljskem plovilu - najbolj znano je Deep Space 1, majhna misija za preskušanje tehnologij, ki jo poganja solarni električni pogon, ki je septembra poletel in fotografiral Comet Borrelly, 2001. Ionski pogoni, kot je bil tisti, ki je poganjal Deep Space 1, so približno 10-krat učinkovitejši od kemičnih raket.
Sistemi brez goriva
Pogonski sistemi z najnižjo maso pa so lahko tisti, ki na krovu nimajo pogonskega goriva. Pravzaprav sploh niso rakete. Namesto tega v pravem pionirskem slogu "živijo zunaj zemlje" - in si prizadevajo za energijo z naravnimi viri, ki jih ima v vesolju, podobno kot so se začetniki pionirjev zanašali na hrano pri lovu na živali in iskanju korenin in jagodičja na meji.
Dva glavna kandidata sta sončna jadra in plazemska jadra. Čeprav je učinek podoben, so mehanizmi delovanja zelo različni.
Sončno jadro je sestavljeno iz ogromnega območja gosamerja, zelo odsevnega materiala, ki se odvije v globok prostor za zajemanje svetlobe sonca (ali iz mikrovalovne pečice ali laserskega žarka z Zemlje). Za zelo ambiciozne misije se lahko jadra gibljejo do veliko kvadratnih kilometrov.
Sončna jadra izkoriščajo dejstvo, da imajo sončni fotoni, čeprav nimajo mase, na razdalji Zemlje nekaj utrinkov (približno teža kovanca) na kvadratni meter. Ta rahli zračni tlak bo počasi, a zanesljivo pospešil jadro in njegovo obremenitev stran od sonca, dosegel hitrost do 150.000 milj na uro ali več kot 40 milj na sekundo.
Pogosta napačna predstava je, da sončna jadra ujamejo sončni veter, tok energijskih elektronov in protonov, ki vrejo stran od Sončeve zunanje atmosfere. Ne tako. Sončna jadra dobijo svoj zagon od same sončne svetlobe. Mogoče pa je, da se sunkovit veter dotakne s tako imenovanimi „plazemskimi jadri“.
Plazemska jadra so modelirana na Zemljinem magnetnem polju. Zmogljivi elektromagneti na krovu bi obkrožali vesoljsko plovilo z magnetnim mehurčkom čez 15 ali 20 kilometrov. Delci na hitro nabitih delcev v sončnem vetru bi potisnili magnetni mehurček, tako kot to počne Zemljino magnetno polje. Zemlja se ne premika, ko jo potisnemo na ta način - naš planet je preveč masiven. Toda vesoljsko plovilo bi se postopoma odganjalo od Sonca. (Dodaten bonus: tako kot Zemljino magnetno polje ščiti naš planet pred sončnimi eksplozijami in sevalnimi nevihtami, tako bi magnetno plazemsko jadro zaščitilo potnike vesoljskega plovila.)
Zgoraj: umetnikov koncept vesoljske sonde znotraj magnetnega mehurčka (ali "plazemsko jadro"). Napolnjeni delci v sončnem vetru udarjajo v mehurček, izvajajo pritisk in poganjajo vesoljsko plovilo. [več]
Seveda je originalna, preizkušena tehnologija brez pogonskih goriv pomoč pri gravitaciji. Ko vesoljsko plovilo zasuče planet, lahko ukrade del orbitalnega zagona planeta. To skoraj ne vpliva na ogromen planet, vendar lahko neverjetno poveča hitrost vesoljskega plovila. Na primer, ko je Galileo leta 1990 zamahnil z Zemljo, se je hitrost vesoljskega plovila povečala za 11.620 mph; medtem se je Zemlja v svoji orbiti upočasnila za količino, manjšo od 5 milijard centimetrov palca na leto. Takšne gravitacijske asistence so dragocene pri dopolnjevanju katere koli oblike pogonskega sistema.
V redu. Zdaj, ko ste v medplanetarnem vesolju, kako dovolj upočasnite svoj cilj, da lahko vstopite v parkirno orbito in se pripravite na pristanek? Običajna tehnika je s kemičnim pogonom še enkrat izstreljena retroketna raketa - za to so potrebne velike mase goriva na krovu.
Veliko bolj ekonomična možnost je obljubljena z aerocapture - zaviranje vesoljskega plovila s trenjem v lastno atmosfero ciljnega planeta. Trik seveda ni v tem, da bi visokoplastno medplanetarno vesoljsko plovilo zgorelo. Toda znanstveniki iz Nasine menijo, da bi bilo s primerno oblikovanim toplotnim ščitom možno zajeti številne misije v orbito okoli ciljnega planeta le z enim prehodom skozi njegovo zgornjo atmosfero.
Naprej!
"Nobena pogonska tehnologija ne bo storila vsega za vse," je opozoril Johnson. Dejansko bi bila sončna jadra in plazemska jadra verjetno koristna predvsem za poganjanje tovora, ne pa ljudi z Zemlje na Mars, saj "traja predolgo, da se te tehnologije dvignejo, da bi hitro pobegnile," je dodal Drake.
Kljub temu bi se hibrid več tehnologij lahko izkazal za zelo ekonomičnega pri doseganju misije na Mars. Pravzaprav bi kombinacija kemičnega pogona, ionskega pogona in aerokapse lahko zmanjšala izstrelitveno maso 6-osebne misije na Mars na manj kot 450 ton (kar zahteva le šest izstrelitev) - razen polovice, ki jo je mogoče doseči samo s kemičnim pogonom.
Takšna hibridna misija bi lahko šla takole: kemične rakete bi kot običajno spustile vesoljsko plovilo s tal. Ko so v orbiti nizke Zemlje, bi se ionski pogonski moduli vžgali ali pa bi lahko zemeljski krmilniki nameščali sončno ali plazemsko jadro. Šest do dvanajst mesecev bi vesoljska ladja - začasno brez posadke, da bi se izognila izpostavljenosti posadke velikim odmerkom sevanja v zemeljskih pasovih Van Allen - spirala proč, postopoma pospešila do končne visoke orbite odhoda na Zemljo. Posadka bi se nato z avtomobilom na hitro odpeljala do Marsovega vozila; majhna kemična faza bi nato vozilo pognala do hitrosti in se odpravila naprej proti Marsu.
Ko se Zemlja in Mars vrtita v svojih orbitah, se relativna geometrija med obema planetoma nenehno spreminja. Čeprav se priložnosti za izstrelitev na Mars pojavljajo vsakih 26 mesecev, se optimalne prilagoditve za najcenejša, najhitrejša možna potovanja zgodijo vsakih 15 let - naslednje leta 2018.
Morda bomo do takrat imeli drugačen odgovor na vprašanje: "Houston, smo že tam?"
Izvirni vir: NASA Science Story
