Obrazový kredit: NASA
Jak každý ví, chemické rakety jsou příliš pomalé na průzkum vesmíru. Snad nejefektivnější budou hybridní systémy s různými druhy pohonu používanými v různých bodech cesty. Tento článek poskytuje přehled technologií, na kterých NASA v současné době pracuje.
"Mami, už jsme tam?"
Každý rodič slyšel tento výkřik ze zadního sedadla vozu. Obvykle to začíná asi 15 minut po zahájení jakékoli rodinné cesty. Dobrá věc, zřídka cestujeme více než pár stovek nebo několik tisíc mil od domu.
Ale co kdybyste cestovali, řekněme, na Mars? I přes nejbližší přístup k Zemi každých pár let je červená planeta vždy ve vzdálenosti nejméně 35 milionů kilometrů. Šest měsíců tam a šest měsíců zpět - v nejlepším případě.
"Houstone, už jsme tam?"
"Chemické rakety jsou příliš pomalé," lamentuje Les Johnson, manažer pro technologie v kosmickém dopravě v Marshall Space Flight Center NASA. "Spalují veškerou pohonnou hmotu na začátku letu a pak kosmická loď zbývá jen po zbytek cesty." Ačkoli kosmická loď může být urychlena pomocí gravitační asistence - nebeská trhlina, která bičuje kolem planet, jako je ta kolem Saturn, která hodila Voyager 1 na okraj sluneční soustavy - doba cestování kolem planet mezi planetami se stále měří v letech na desetiletí. A cesta k nejbližší hvězdě by trvala staletí, ne-li tisíciletí.
A co je horší, chemické rakety jsou prostě příliš neefektivní. Pomyslete na jízdu v plynovém guzzleru po zemi bez čerpacích stanic. Museli byste nést lodní náklad plynu a nic jiného. V kosmických misích se to, co můžete vzít na cestu, které není palivem (nebo nádržemi na palivo), nazývá hmotnost užitečného zatížení - např. Lidé, senzory, vzorkovače, komunikační zařízení a jídlo. Stejně jako je počet najetých kilometrů užitečným číslem zásluhy o palivovou účinnost automobilu, „zlomek hmotnosti užitečného zatížení“ - poměr hmotnosti užitečného zatížení mise k celkové hmotnosti - je užitečným číslem zásluhy o účinnost pohonných systémů.
U dnešních chemických raket je hmotnostní zlomek užitečného zatížení nízký. "I když použijeme trajektorii s minimální energií k odeslání posádky se šesti osobami ze Země na Mars, celková chemická hmotnost při startu by dosáhla pouze 1 000 metrických tun - z toho asi 90 procent by bylo palivo," řekl Bret G. Drake, manažer pro analýzu a integraci kosmického startu v Johnson Space Center. Palivo samotné by vážilo dvakrát tolik jako dokončená Mezinárodní vesmírná stanice.
Jediná expedice na Marsu s dnešními technologiemi chemického pohonu by vyžadovala desítky vypouštění - z nichž většina by jednoduše vypouštěla chemické palivo. Je to, jako kdyby vaše 1tunové kompaktní auto potřebovalo 9 tun benzínu k tomu, aby odjelo z New Yorku do San Francisca, protože průměrovalo pouze kilometr na galon.
Jinými slovy, nízko výkonné pohonné systémy jsou jedním z hlavních důvodů, proč lidé dosud na Marsu nevstoupili.
Účinnější pohonné systémy zvyšují hmotnostní zlomek užitečného zatížení tím, že poskytují lepší „najeté kilometry“ ve vesmíru. Protože nepotřebujete tolik paliva, můžete nosit více věcí, jet v menším vozidle a / nebo se tam dostat rychleji a levněji. "Klíčovým poselstvím je: potřebujeme pokročilé technologie pohonu, abychom umožnili nízkonákladovou misi na Mars," prohlásil Drake.
NASA nyní vyvíjí iontové pohony, solární plachty a další exotické pohonné technologie, které po celá desetiletí přivedly lidi na jiné planety a hvězdy - ale pouze na stránkách sci-fi.
Z želvy na zajíc
Jaké jsou vědecké možnosti?
NASA se těžko pracuje na dvou základních přístupech. První je vyvinout radikálně nové rakety, které mají řádově lepší spotřebu paliva než chemický pohon. Druhým je vývoj systémů bez pohonných hmot, které jsou poháněny zdroji hojnými ve vakuu hlubokého vesmíru.
Všechny tyto technologie sdílejí jednu klíčovou charakteristiku: začínají pomalu, jako příslovečná želva, ale časem se změní v zajíc, který ve skutečnosti vyhraje závod na Mars - nebo kdekoli. Spoléhají se na skutečnost, že malé nepřetržité zrychlení v průběhu měsíců může v konečném důsledku pohánět kosmickou loď mnohem rychleji než jeden obrovský počáteční kop, po kterém následuje dlouhé období dojezdu.
Nahoře: Tato kosmická loď s nízkým tahem (koncept umělce) je poháněna iontovým motorem a je poháněna sluneční energií. Nakonec plavidlo zrychlí rychlost - výsledek neustálého zrychlení - a bude závodit rychlostí mnoha mil za sekundu. Obrazový kredit: John Frassanito & Associates, Inc.
Technicky vzato, jedná se o všechny systémy s nízkým tahem (což znamená, že byste sotva pociťovali oh-tak jemnou akceleraci, která je ekvivalentní hmotnosti kusu papíru ležícího na dlani), ale dlouhé provozní doby. Po měsících pokračujícího malého zrychlování byste se ořezávali rychlostí mnoha mil za sekundu! Naproti tomu chemické pohonné systémy mají vysoký tah a krátké provozní doby. Když se motory střílejí, vrazíte se zpět do sedáků, ale jen krátce. Poté je nádrž prázdná.
Palety s nízkou spotřebou paliva
"Raketa je něco, co hodí něco přes palubu, aby se pohnulo vpřed," poukázal Johnson. (Nevěřte této definici? Posaďte se na skateboard s vysokotlakou hadicí namířenou jedním směrem a budete poháněni opačným způsobem).
Vedoucími kandidáty na pokročilou raketu jsou varianty iontových motorů. V současných iontových motorech je hnací plyn bezbarvý, bez chuti a bez zápachu, jako je xenon. Plyn vyplňuje komoru s magnetickým prstencem, kterou prochází elektronový paprsek. Elektrony udeří do plynných atomů, srazí vnější elektron a změní neutrální atomy na kladně nabité ionty. Elektrizované mřížky s mnoha otvory (15 000 v dnešních verzích) zaměřují ionty na výfuk kosmické lodi. Ionty střílejí kolem sítí rychlostí až více než 100 000 mil za hodinu (porovnejte to s závodním autem Indianapolis 500 rychlostí 225 km / h) - zrychlují motor do vesmíru, takže produkují tah.
Odkud pochází elektřina k ionizaci plynu a nabíjení motoru? Buď ze solárních panelů (tzv. Solární elektrický pohon) nebo ze štěpení nebo fúze (tzv. Jaderný elektrický pohon). Solární elektrické pohonné motory by byly nejúčinnější pro robotické mise mezi Sluncem a Marsem a jaderný elektrický pohon pro robotické mise za Marsem, kde je slabé sluneční světlo nebo pro lidské mise, kde rychlost je podstatou.
Iontové jednotky pracují. Svou důležitost dokázali nejen při zkouškách na Zemi, ale i při práci s kosmickou lodí - nejznámější je Deep Space 1, malá technologická testovací mise poháněná solárním elektrickým pohonem, která v září vyletěla a vyfotila kometu Borrelly, 2001. Iontové pohony jako ty, které poháněly Deep Space 1, jsou asi desetkrát účinnější než chemické rakety.
Systémy bez hnacího plynu
Pohonné systémy s nejnižší hmotností však mohou být ty, které nenesou žádné palivo na palubě. Ve skutečnosti to nejsou ani rakety. Místo toho v pravém průkopnickém stylu „žijí mimo zemi“ - požadují energii na přírodních zdrojích hojných ve vesmíru, stejně jako průkopníci yore spoléhali na potravu na odchyt zvířat a na kořenech a bobulích na hranicích.
Dva vedoucí kandidáti jsou sluneční plachty a plazmatické plachty. Ačkoli je účinek podobný, operační mechanismy se velmi liší.
Sluneční plachta se skládá z obrovské oblasti gossamerů, vysoce reflexního materiálu, který se rozvinul v hlubokém vesmíru, aby zachytil světlo ze slunce (nebo z mikrovlnného nebo laserového paprsku ze Země). Pro velmi ambiciózní mise by plachty mohly dosahovat až mnoho kilometrů čtverečních v oblasti.
Sluneční plachty využívají skutečnosti, že i když sluneční fotony nemají hmotnost, mají hybnost - několik mikronwtonů (o hmotnosti mince) na metr čtvereční ve vzdálenosti Země. Tento jemný radiační tlak pomalu, ale jistě zrychlí plachtu a její užitečné zatížení pryč od slunce a dosáhne rychlosti až 150 000 mil za hodinu, nebo více než 40 mil za sekundu.
Obyčejná mylná představa spočívá v tom, že sluneční plachty zachycují sluneční vítr, proud energetických elektronů a protonů, které se odrážejí od vnější atmosféry Slunce. Není tak. Sluneční plachty získávají hybnost ze slunečního světla. Je však možné využít dynamiku slunečního větru pomocí tzv. Plazmatických plachet.
Plazmové plachty jsou modelovány na vlastním magnetickém poli Země. Silné palubní elektromagnety by obklopily kosmickou loď s magnetickou bublinou o průměru 15 nebo 20 kilometrů. Vysokorychlostní nabité částice ve slunečním větru by vytlačily magnetickou bublinu stejně jako magnetické pole Země. Země se nepohybuje, když je tlačena tímto způsobem - naše planeta je příliš masivní. Kosmická loď by se však od Slunce postupně odhazovala. (Přidaný bonus: stejně jako magnetické pole Země chrání naši planetu před slunečním výbuchem a bouřkami záření, chránila by také posádka kosmické lodi plachta s magnetickou plazmou.)
Nahoře: Umělecké pojetí vesmírné sondy uvnitř magnetické bubliny (neboli „plazmatické plachty“). Nabité částice ve slunečním větru dopadly na bublinu, vyvíjely tlak a poháněly kosmickou loď. [více]
Původní, vyzkoušená a skutečná technologie bez pohonných hmot samozřejmě pomáhá při gravitaci. Když se kosmická loď houpe planetou, může ukrást část její orbitální hybnosti. Těžko to změní obrovskou planetu, ale může to působivě zvýšit rychlost kosmické lodi. Například, když Galileo houpal Zemí v roce 1990, rychlost kosmické lodi se zvýšila o 11 620 mph; mezitím Země zpomalila na své oběžné dráze o částku menší než 5 miliardtin palce za rok. Takové gravitační asistence jsou cenné při doplňování jakékoli formy pohonného systému.
Dobře, teď, když jste se zapínali meziplanetárním prostorem, jak zpomalíte v cíli natolik, že jdete na parkovací dráhu a připravíte se na přistání? U chemického pohonu je obvyklou technikou střelba z paluby - opět vyžadující velké množství paliva na palubě.
Mnohem ekonomičtější varianta slíbí letadlo - brzdění kosmické lodi třením s vlastní atmosférou cílové planety. Trikem samozřejmě není, aby vysokorychlostní meziplanetární kosmická loď shořela. Vědci NASA však cítí, že při vhodně navrženém tepelném štítu by bylo možné mnoho misí zachytit na oběžné dráze kolem cílové planety pouhým jedním průchodem horní atmosférou.
Kupředu!
"Žádná technologie pohonu nebude dělat všechno pro každého," varoval Johnson. Sluneční plachty a plazmatické plachty by byly skutečně užitečné především pro pohon nákladu než lidí ze Země na Mars, protože „trvá příliš dlouho, než se tyto technologie dostanou k úniku z rychlosti,“ dodal Drake.
Nicméně kříženec několika technologií by se mohl ukázat jako velmi ekonomický při získávání mise s posádkou na Mars. Ve skutečnosti by kombinace chemického pohonu, iontového pohonu a aerocapture mohla snížit startovací hmotnost mise pro 6 osob na Mars na méně než 450 metrických tun (vyžadujících pouze šest odpálení) - bez poloviny, kterou lze dosáhnout pouze s chemickým pohonem.
Taková hybridní mise by mohla jít takto: Chemické rakety, jako obvykle, dostanou kosmickou loď ze země. Jakmile na nízké oběžné dráze Země, se iontové pohonné moduly vznítí, nebo pozemní regulátory mohou nasadit sluneční nebo plazmatickou plachtu. Po dobu 6 až 12 měsíců by kosmická loď - dočasně bez posádky, která by zabránila vystavení posádky velkým dávkám záření v radiačních pásech společnosti Van Allen - by se točila pryč a postupně by se zrychlovala až na konečnou vysokou oběžnou dráhu Země. Posádka by pak byla převezena na Mars vozidlo ve vysokorychlostním taxíku; malá chemická fáze by pak nakopla vozidlo nahoru, aby unikla rychlosti, a to by směřovalo k Marsu.
Jak se Země a Mars točí na svých příslušných drahách, relativní geometrie mezi oběma planetami se neustále mění. Ačkoli příležitosti k zahájení provozu na Marsu se objevují každých 26 měsíců, optimální sladění nejlevnějších a nejrychlejších možných cest se uskuteční každých 15 let - další v roce 2018.
Možná do té doby budeme mít jinou odpověď na otázku: „Houston, už jsme tam?“
Původní zdroj: NASA Science Story
