Πιστωτική εικόνα: NASA
Όπως όλοι γνωρίζουν, οι χημικοί πύραυλοι είναι πολύ αργοί για εξερεύνηση του διαστήματος. Ίσως το πιο αποτελεσματικό θα είναι υβριδικά συστήματα, με διαφορετικά είδη πρόωσης που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικά σημεία ενός ταξιδιού. Αυτό το άρθρο σάς παρέχει μια ανάλυση των τεχνολογιών που επεξεργάζεται αυτήν τη στιγμή η NASA.
«Μαμά, είμαστε ακόμα εκεί;»
Κάθε γονέας έχει ακούσει αυτή την κραυγή από το πίσω κάθισμα του αυτοκινήτου. Συνήθως ξεκινά περίπου 15 λεπτά μετά την έναρξη οποιουδήποτε οικογενειακού ταξιδιού. Είναι καλό που ταξιδεύουμε σπάνια πάνω από μερικές εκατοντάδες ή μερικές χιλιάδες μίλια από το σπίτι.
Τι γίνεται όμως αν ταξιδεύατε, για παράδειγμα, στον Άρη; Ακόμα και στην πλησιέστερη προσέγγισή του στη Γη κάθε δύο χρόνια, ο κόκκινος πλανήτης είναι πάντα τουλάχιστον 35 εκατομμύρια μίλια μακριά. Έξι μήνες εκεί και έξι μήνες πίσω - στην καλύτερη περίπτωση.
«Χιούστον, είμαστε ακόμα εκεί;»
«Οι χημικοί πύραυλοι είναι πολύ αργοί», θρηνεί ο Les Johnson, διευθυντής τεχνολογιών διαστημικής μεταφοράς στο Διαστημικό Κέντρο Πτήσης Marshall της NASA. «Έκαψαν όλο το προωθητικό τους στην αρχή μιας πτήσης και στη συνέχεια το διαστημικό σκάφος ακμάζει τον υπόλοιπο δρόμο». Παρόλο που το διαστημικό σκάφος μπορεί να επιταχυνθεί με τη βοήθεια βαρύτητας - μια ουράνια ρωγμή γύρω από τους πλανήτες, όπως αυτή γύρω από τον Κρόνο που πέταξε το Voyager 1 στην άκρη του ηλιακού συστήματος - οι χρόνοι ταξιδιού μετ 'επιστροφής μεταξύ πλανητών εξακολουθούν να μετρώνται σε χρόνια έως δεκαετίες. Και ένα ταξίδι στο κοντινότερο αστέρι θα διαρκούσε αιώνες, αν όχι χιλιετίες.
Ακόμη χειρότερα, οι χημικοί πύραυλοι είναι πολύ αποδοτικοί. Σκεφτείτε να οδηγείτε σε ένα γκάζι αερίου σε μια χώρα χωρίς βενζινάδικα. Θα πρέπει να μεταφέρετε φορτία αερίου με βάρκα και όχι πολλά άλλα. Στις διαστημικές αποστολές, αυτό που μπορείτε να συνεχίσετε στο ταξίδι σας που δεν είναι καύσιμο (ή δεξαμενές καυσίμου) ονομάζεται μάζα ωφέλιμου φορτίου - π.χ. άτομα, αισθητήρες, δειγματολήπτες, εργαλεία επικοινωνίας και τρόφιμα. Ακριβώς όπως η απόσταση σε μίλια αερίου είναι μια χρήσιμη αξία για την απόδοση καυσίμου ενός αυτοκινήτου, το "κλάσμα μάζας ωφέλιμου φορτίου" - η αναλογία της μάζας ωφέλιμου φορτίου μιας αποστολής προς τη συνολική μάζα της - είναι ένα χρήσιμο σχήμα αξίας για την αποτελεσματικότητα των συστημάτων πρόωσης.
Με τους σημερινούς χημικούς πυραύλους, το κλάσμα μάζας ωφέλιμου φορτίου είναι χαμηλό. «Ακόμα και χρησιμοποιώντας μια τροχιά ελάχιστης ενέργειας για να στείλει ένα πλήρωμα έξι ατόμων από τη Γη στον Άρη, με χημικούς πυραύλους μόνο η συνολική μάζα εκτόξευσης θα ξεπεράσει τους 1.000 μετρικούς τόνους – εκ των οποίων περίπου το 90% θα είναι καύσιμο», δήλωσε ο Bret G. Drake, Διευθυντής ανάλυσης και ολοκλήρωσης εκτόξευσης στο διάστημα στο Johnson Space Center. Το καύσιμο και μόνο θα ζυγίζει διπλάσιο από τον ολοκληρωμένο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.
Μια μοναδική αποστολή του Άρη με τη σημερινή τεχνολογία χημικής πρόωσης θα απαιτούσε δεκάδες εκτοξεύσεις - οι περισσότερες από τις οποίες απλώς ξεκινούσαν χημικά καύσιμα. Είναι σαν το συμπαγές αυτοκίνητό σας 1 τόνου να χρειαστεί 9 τόνους βενζίνης για να οδηγήσετε από τη Νέα Υόρκη στο Σαν Φρανσίσκο, επειδή ήταν κατά μέσο όρο μόνο ένα μίλι ανά γαλόνι.
Με άλλα λόγια, τα συστήματα πρόωσης χαμηλής απόδοσης είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο οι άνθρωποι δεν έχουν ακόμη περπατήσει στον Άρη.
Τα πιο αποτελεσματικά συστήματα πρόωσης αυξάνουν το κλάσμα μάζας ωφέλιμου φορτίου δίνοντας καλύτερη «απόσταση σε μίλια αερίου» στο διάστημα. Δεδομένου ότι δεν χρειάζεστε τόσο προωθητικό, μπορείτε να μεταφέρετε περισσότερα πράγματα, να πάτε σε ένα μικρότερο όχημα ή / και να φτάσετε εκεί γρηγορότερα και φθηνότερα. «Το βασικό μήνυμα είναι: χρειαζόμαστε προηγμένες τεχνολογίες προώθησης για να επιτρέψουμε μια αποστολή χαμηλού κόστους στον Άρη», δήλωσε ο Drake.
Έτσι, η NASA αναπτύσσει τώρα κινήσεις ιόντων, ηλιακά πανιά και άλλες εξωτικές τεχνολογίες πρόωσης που εδώ και δεκαετίες έχουν τραβήξει ανθρώπους σε άλλους πλανήτες και αστέρια - αλλά μόνο στις σελίδες της επιστημονικής φαντασίας.
Από την χελώνα στον λαγό
Ποιες είναι οι επιλογές επιστημονικών γεγονότων;
Η NASA εργάζεται σκληρά σε δύο βασικές προσεγγίσεις. Ο πρώτος είναι να αναπτύξουμε ριζικά νέους πυραύλους που έχουν τάξη μεγέθους καλύτερη οικονομία καυσίμου από τη χημική πρόωση. Το δεύτερο είναι η ανάπτυξη συστημάτων «χωρίς προωθητικά» που τροφοδοτούνται από πόρους άφθονους στο κενό του βαθιού χώρου.
Όλες αυτές οι τεχνολογίες μοιράζονται ένα βασικό χαρακτηριστικό: ξεκινούν αργά, όπως η παροιμία χελώνα, αλλά με την πάροδο του χρόνου μετατρέπονται σε λαγό που πραγματικά κερδίζει έναν αγώνα στον Άρη - ή οπουδήποτε. Στηρίζονται στο γεγονός ότι μια μικρή συνεχής επιτάχυνση μέσα σε μήνες μπορεί τελικά να ωθήσει ένα διαστημικό σκάφος πολύ πιο γρήγορα από ένα τεράστιο αρχικό λάκτισμα που ακολουθείται από μια μακρά περίοδο ακτοπλοΐας.
Πάνω: Αυτό το διαστημόπλοιο χαμηλής ώθησης (ιδέα ενός καλλιτέχνη) προωθείται από μια μηχανή ιόντων και τροφοδοτείται από ηλιακό ηλεκτρισμό. Τελικά το σκάφος θα πάρει ταχύτητα - αποτέλεσμα της αδυσώπητης επιτάχυνσης - και θα τρέξει σε πολλά μίλια ανά δευτερόλεπτο. Πιστωτική εικόνα: John Frassanito & Associates, Inc.
Από τεχνικής απόψεως, είναι όλα τα συστήματα με χαμηλή ώθηση (που σημαίνει ότι θα νιώσετε μόλις την εντυπωσιακή επιτάχυνση, ισοδύναμη με εκείνη του βάρους ενός χαρτιού που βρίσκεται στην παλάμη σας) αλλά με μεγάλη διάρκεια λειτουργίας. Μετά από μήνες συνεχούς μικρής επιτάχυνσης, θα περνούσατε πολλά μίλια το δευτερόλεπτο! Αντιθέτως, τα συστήματα χημικής πρόωσης έχουν υψηλή ώθηση και μικρούς χρόνους λειτουργίας. Περνάτε πίσω στα μαξιλάρια καθίσματος ενώ οι κινητήρες ανάβουν, αλλά μόνο για λίγο. Μετά από αυτό το δοχείο είναι άδειο.
Πύραυλοι εξοικονόμησης καυσίμου
«Ένας πύραυλος είναι κάτι που ρίχνει κάτι στη θάλασσα για να προωθηθεί», επεσήμανε ο Τζόνσον. (Δεν πιστεύετε αυτόν τον ορισμό; Καθίστε σε ένα σκέιτμπορντ με έναν εύκαμπτο σωλήνα υψηλής πίεσης με έναν τρόπο και θα προωθηθείτε με τον αντίθετο τρόπο).
Κορυφαίοι υποψήφιοι για τον προηγμένο πύραυλο είναι παραλλαγές κινητήρων ιόντων. Στις τρέχουσες μηχανές ιόντων, το προωθητικό είναι ένα άχρωμο, άγευστο, άοσμο αδρανές αέριο, όπως το ξένον. Το αέριο γεμίζει έναν μαγνητισμένο θάλαμο μέσω του οποίου διατρέχει μια δέσμη ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια χτυπούν τα αέρια άτομα, καταστρέφοντας ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο και μετατρέποντας ουδέτερα άτομα σε θετικά φορτισμένα ιόντα. Τα ηλεκτρικά πλέγματα με πολλές τρύπες (15.000 στις σημερινές εκδόσεις) εστιάζουν τα ιόντα στην εξάτμιση του διαστημοπλοίου. Τα ιόντα πετούν πέρα από τα πλέγματα με ταχύτητες έως και πάνω από 100.000 μίλια την ώρα (συγκρίνετε αυτό με ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο Indianapolis 500 στα 225 mph) - εξισορροπώντας τον κινητήρα στο διάστημα, παράγοντας έτσι ώθηση.
Από πού προέρχεται η ηλεκτρική ενέργεια για να ιονίσει το αέριο και να φορτίσει τον κινητήρα; Είτε από ηλιακούς συλλέκτες (λεγόμενη ηλιακή ηλεκτρική πρόωση) είτε από σχάση ή σύντηξη (λεγόμενη πυρηνική ηλεκτρική πρόωση). Οι ηλιακοί ηλεκτροκινητήρες θα ήταν πιο αποτελεσματικοί για ρομποτικές αποστολές μεταξύ του ήλιου και του Άρη, και η πυρηνική ηλεκτρική πρόωση για ρομποτικές αποστολές πέρα από τον Άρη όπου το φως του ήλιου είναι αδύναμο ή για ανθρώπινες αποστολές όπου η ταχύτητα είναι ουσιαστική.
Το Ion οδηγεί τη δουλειά. Έχουν αποδείξει την επιδεξιότητά τους όχι μόνο σε δοκιμές στη Γη, αλλά και σε διαστημόπλοια εργασίας - το πιο γνωστό είναι το Deep Space 1, μια μικρή αποστολή δοκιμών τεχνολογίας που τροφοδοτείται από ηλιακή ηλεκτρική πρόωση που πέταξε και πήρε φωτογραφίες του Comet Borrelly τον Σεπτέμβριο, 2001. Οι μονάδες ιόντων όπως αυτές που προωθούσαν το Deep Space 1 είναι περίπου 10 φορές πιο αποτελεσματικές από τις χημικές ρουκέτες.
Συστήματα χωρίς προωθητικά
Τα συστήματα πρόωσης χαμηλότερης μάζας, ωστόσο, μπορεί να είναι αυτά που δεν φέρουν καθόλου προωθητικό. Στην πραγματικότητα, δεν είναι καν πύραυλοι. Αντ 'αυτού, σε πραγματικό πρωτοποριακό στιλ, «ζουν έξω από τη γη» - βασίζονται στην ενέργεια σε φυσικούς πόρους άφθονους στο διάστημα, καθώς οι πρωτοπόροι του παρελθόντος βασίζονταν στην τροφή για την παγίδευση ζώων και την εύρεση ριζών και μούρων στα σύνορα.
Οι δύο κορυφαίοι υποψήφιοι είναι ηλιακά πανιά και πλάσματα πλάσματος. Αν και το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο, οι μηχανισμοί λειτουργίας είναι πολύ διαφορετικοί.
Ένα ηλιακό πανί αποτελείται από μια τεράστια περιοχή gossamer, εξαιρετικά αντανακλαστικό υλικό που ξετυλίγεται σε βαθύ διάστημα για να συλλάβει φως από τον ήλιο (ή από μια ακτίνα μικροκυμάτων ή λέιζερ από τη Γη). Για πολύ φιλόδοξες αποστολές, τα πανιά θα μπορούσαν να κυμαίνονται έως και πολλά τετραγωνικά χιλιόμετρα στην περιοχή.
Τα ηλιακά πανιά εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι τα ηλιακά φωτόνια, αν και δεν έχουν μάζα, έχουν ορμή - αρκετά μικρά (περίπου το βάρος ενός νομίσματος) ανά τετραγωνικό μέτρο στην απόσταση της Γης. Αυτή η ήπια πίεση ακτινοβολίας θα επιταχύνει αργά αλλά σίγουρα το πανί και το ωφέλιμο φορτίο του μακριά από τον ήλιο, φτάνοντας ταχύτητες έως και 150.000 μίλια την ώρα, ή περισσότερο από 40 μίλια ανά δευτερόλεπτο.
Μια κοινή λανθασμένη αντίληψη είναι ότι τα ηλιακά πανιά πιάνουν τον ηλιακό άνεμο, μια ροή ενεργητικών ηλεκτρονίων και πρωτονίων που βράζουν μακριά από την εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου. Οχι τόσο. Τα ηλιακά πανιά παίρνουν την ορμή τους από το ίδιο το φως του ήλιου. Είναι δυνατόν, ωστόσο, να αγγίξετε την ορμή του ηλιακού ανέμου χρησιμοποιώντας τα λεγόμενα «πλάσματα πλάσματος».
Τα πανιά πλάσματος διαμορφώνονται στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες επί του σκάφους περιβάλλουν ένα διαστημικό σκάφος με μαγνητική φυσαλίδα 15 ή 20 χιλιόμετρα. Υψηλής ταχύτητας φορτισμένα σωματίδια στον ηλιακό άνεμο θα ωθήσουν τη μαγνητική φυσαλίδα, όπως κάνουν το μαγνητικό πεδίο της Γης. Η Γη δεν κινείται όταν ωθείται με αυτόν τον τρόπο - ο πλανήτης μας είναι πολύ τεράστιος. Αλλά ένα διαστημικό σκάφος θα απομακρυνόταν σταδιακά από τον Ήλιο. (Ένα πρόσθετο μπόνους: ακριβώς όπως το μαγνητικό πεδίο της Γης προστατεύει τον πλανήτη μας από ηλιακές εκρήξεις και καταιγίδες ακτινοβολίας, έτσι και ένα μαγνητικό πανί πλάσματος προστατεύει τους επιβάτες ενός διαστημικού σκάφους.)
Πάνω: Η ιδέα ενός καλλιτέχνη για έναν διαστημικό ανιχνευτή μέσα σε μια μαγνητική φούσκα (ή «πλάσμα πλάσματος»). Φορτισμένα σωματίδια στον ηλιακό άνεμο χτυπούν τη φυσαλίδα, ασκούν πίεση και ωθούν το διαστημικό σκάφος. [περισσότερο]
Φυσικά, η πρωτότυπη, δοκιμασμένη και αληθινή τεχνολογία χωρίς προωστικά είναι η βαρύτητα. Όταν ένα διαστημικό σκάφος περιστρέφεται από έναν πλανήτη, μπορεί να κλέψει μέρος της τροχιακής ορμής του πλανήτη. Αυτό σχεδόν δεν κάνει τη διαφορά σε έναν τεράστιο πλανήτη, αλλά μπορεί να ενισχύσει εντυπωσιακά την ταχύτητα ενός διαστημικού σκάφους. Για παράδειγμα, όταν ο Γαλιλαίος ανέβηκε από τη Γη το 1990, η ταχύτητα του διαστημικού σκάφους αυξήθηκε κατά 11.620 mph. Εν τω μεταξύ, η Γη επιβραδύνθηκε στην τροχιά της κατά ποσό μικρότερο από 5 δισεκατομμυρίων της ίντσας ανά έτος. Τέτοιες βοηθητικές βαρύτητες είναι πολύτιμες για τη συμπλήρωση κάθε μορφής συστήματος πρόωσης.
Εντάξει, τώρα που ξεπερνάτε τον διαπλανητικό χώρο, πώς επιβραδύνετε αρκετά στον προορισμό σας για να μπείτε σε τροχιά στάθμευσης και να προετοιμαστείτε για προσγείωση; Με τη χημική πρόωση, η συνήθης τεχνική είναι να πυροδοτούν οπίσθια θυρίδες - για άλλη μια φορά, απαιτώντας μεγάλες μάζες καυσίμου επί του σκάφους.
Μια πολύ πιο οικονομική επιλογή υπόσχεται το αεροπλάνο - φρενάρισμα του διαστημικού σκάφους με τριβή με την ατμόσφαιρα του πλανήτη προορισμού. Το κόλπο, φυσικά, δεν είναι να αφήσουμε ένα διαπλανητικό διαστημικό σκάφος υψηλής ταχύτητας να καεί. Ωστόσο, οι επιστήμονες της NASA πιστεύουν ότι, με μια κατάλληλα σχεδιασμένη θερμική ασπίδα, θα ήταν δυνατόν πολλές αποστολές να συλληφθούν σε τροχιά γύρω από έναν πλανήτη προορισμού με μία μόνο διέλευση από την ανώτερη ατμόσφαιρα.
Προς τα εμπρός!
«Καμία τεχνολογία πρόωσης δεν θα κάνει τα πάντα για όλους», προειδοποίησε ο Τζόνσον. Πράγματι, τα ηλιακά πανιά και τα πλάσματα πλάσματος θα ήταν πιθανότατα χρήσιμα κυρίως για την προώθηση φορτίου και όχι για τον άνθρωπο από τη Γη στον Άρη, διότι «χρειάζεται πολύς χρόνος για να φτάσουν αυτές οι τεχνολογίες για να ξεφύγουν από την ταχύτητα», πρόσθεσε ο Drake.
Παρ 'όλα αυτά, ένα υβρίδιο πολλών τεχνολογιών θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύ οικονομικό πράγμα για την επανδρωμένη αποστολή στον Άρη. Στην πραγματικότητα, ένας συνδυασμός χημικής πρόωσης, πρόωσης ιόντων και αεροκατάλληλου θα μπορούσε να μειώσει τη μάζα εκτόξευσης μιας αποστολής Mars 6 ατόμων σε κάτω από 450 μετρικούς τόνους (που απαιτούν μόνο έξι εκτοξεύσεις) - εκτός από το μισό που επιτυγχάνεται μόνο με χημική πρόωση.
Μια τέτοια υβριδική αποστολή μπορεί να πάει έτσι: Οι χημικοί πύραυλοι, όπως συνήθως, θα έβγαζαν το διαστημικό σκάφος από το έδαφος. Μόλις βρεθεί σε τροχιά χαμηλής γης, οι μονάδες κίνησης ιόντων θα ανάψουν, ή οι ελεγκτές εδάφους ενδέχεται να αναπτύξουν ένα ηλιακό ή πλάσμα πλάσματος. Για 6 έως 12 μήνες, το διαστημόπλοιο - προσωρινά μη επανδρωμένο για να αποφευχθεί η έκθεση του πληρώματος σε μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας στις ζώνες ακτινοβολίας Van Allen της Γης - θα απομακρυνόταν, σταδιακά θα επιταχύνθηκε μέχρι μια τελική υψηλή τροχιά αναχώρησης της Γης. Στη συνέχεια, το πλήρωμα θα μεταφερθεί στο όχημα του Άρη με ταξί υψηλής ταχύτητας. ένα μικρό χημικό στάδιο θα κλωτσούσε τότε το όχημα για να ξεφύγει από την ταχύτητα και θα κατευθυνόταν προς τον Άρη.
Καθώς η Γη και ο Άρης περιστρέφονται στις αντίστοιχες τροχιές τους, η σχετική γεωμετρία μεταξύ των δύο πλανητών αλλάζει συνεχώς. Παρόλο που πραγματοποιούνται ευκαιρίες εκτόξευσης στον Άρη κάθε 26 μήνες, οι βέλτιστες ευθυγραμμίσεις για τα φθηνότερα, ταχύτερα δυνατά ταξίδια πραγματοποιούνται κάθε 15 χρόνια - το επόμενο έρχεται το 2018.
Ίσως μέχρι τότε να έχουμε μια διαφορετική απάντηση στην ερώτηση, "Χιούστον, είμαστε ακόμα εκεί;"
Πρωτότυπη πηγή: Επιστημονική ιστορία της NASA
