Усъвършенстване на задвижването: Как ще отведем хората на Марс

Тъй като скорошните мисии до Марс, като Perseverance на НАСА, Hope на ОАЕ и Tianwen-1 на Китай, всички пожънаха смазващ успех, може да ви бъде простено да мислите, че да стигнете до Марс е лесно. Но има голяма разлика между изпращането на марсоход или орбитален апарат до червената планета и изпращането на вида инфраструктура и технология, от които ще се нуждаем, за да установим човешко присъствие там.

Химическото задвижване може да ни е отвело в Слънчевата система, но за следващата фаза на човека изследване на космоса, ще имаме нужда от нови технологии за задвижване, за да допълним тези, които използвахме за последните 50 години. За да получим подробности за това как може да изглежда задвижването на екипажна експедиция до Марс, говорихме с Карим Ахмед, доцент в Катедрата по механично и аерокосмическо инженерство на Университета на Централна Флорида и експерт по авангардно ракетно задвижване системи.

Тази статия е част от Живот на Марс, поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс

Стари надеждни: Системите за химическо задвижване, които използваме сега

За да изпратите ракета да лети нагоре през земната атмосфера и да излезе в космоса отвъд, ви е необходима голяма тяга. Трябва да противодействате не само на триенето от земната атмосфера, но и на значителната сила на гравитацията, която дърпа обектите обратно към земята.

От 50-те години на миналия век използваме същия основен принцип за задвижване на ракети, наречен химическо задвижване. По същество вие запалвате пропелант (смес от гориво и окислител), който създава топлина. Тази топлина кара материала вътре в ракетата да се разширява, който след това се изтласква от задната част на ракетата. Това изхвърляне на гориво създава тяга, която избутва ракетата нагоре с огромна сила и тази сила му позволява да преодолее ефектите на гравитацията и да избяга в пространството отвъд нашата планета.

„Химическото задвижване просто добавя топлина към пропелантите с много бързи темпове. Този пропелант, след като го поставите при наистина висока температура, той се разширява с много висока скорост“, обясни Ахмед. „Тази скорост е функция на това колко топлина влагате. Мислете за това така, сякаш когато имате експлозия, имате огромно количество газ, който се движи бързо. И това е скоростта.”

Това е голямото предимство на химическото задвижване пред другите разглеждани видове задвижване: Скорост. Химическото задвижване помага на ракетите да се движат наистина, наистина бързо. Но това не винаги е най-ефективният вариант.

„Мислете за това като за Prius срещу Corvette“, каза Ахмед. „Ако искате да стигнете от точка А до точка Б много бързо, трудно е да победите базираното на химикали задвижване.“ Когато обаче искате да сте по-ефективни, други системи за задвижване могат да влязат в сила. „Ако се опитвате да стигнете от точка А до точка Б с разумна скорост, но с висока ефективност, тогава базираното на химикали задвижване може да не е правилният инструмент.“

Подобряване на системите за химическо задвижване

Принципът на химическото задвижване може да е останал същият през последните няколко десетилетия, но това не означава, че не се правят подобрения на технологията - като например изследване на различни типове на гориво.

Ефективността на видовете горива е въпрос на енергийна плътност — колко енергия може да се съхранява от определено количество гориво. Ето защо е трудно да се използва нещо като водород като гориво, въпреки че отделя много топлина при химически реакции, защото е толкова лек и има ниска плътност. Трудно е да се съхранява много водород в малко пространство, така че не е много ефективно гориво.

Настоящите ракети най-често използват горива на базата на керосин – по същество същото като горивото за реактивни двигатели – но голямата област на интерес в момента разглежда горивата на основата на метан или природен газ. Това гориво не би било непременно по-ефективно като гориво, но би било значително по-евтино, тъй като природният газ е в изобилие и вече разполагаме с технология за събирането му.

„Ако SpaceX можеше да използва природен газ, за ​​да управлява своя Falcon 9, те щяха да спестят много и следователно да ускорят изследването на космоса“, каза Ахмед като пример. „Ако можем да намалим разходите за излизане във външна орбита, това ще направи космоса по-достъпен за нас.“

Друга област на изследване е подобряването на самите двигатели. Екипът на Ахмед е една от няколкото групи, работещи върху система, наречена въртящ се детонационен ракетен двигател, който може да генерира повече енергия от по-малко гориво в сравнение с традиционните двигатели.

Чрез внимателно контролиране на количеството водород и кислород, подавани в двигателя, налягането може да се създаде по-ефективно. Това може да намали размера на ракетен двигател, като елиминира необходимостта от много мощен компресор и използва горивото по-ефективно. Технологията е на път да бъде използваема скоро: Ахмед казва, че ВВС на САЩ планират да тестват такъв двигател до 2025 г.

Защо химическото задвижване не отива никъде

За излитане от Земята задвижването на химическа основа е от съществено значение. „От нивото на земята, базираното на химикали задвижване става критично, защото имате нужда от това количество мощност, за да изгоните тази тежест от земята нагоре по целия път до по-висока надморска височина. За да преодолея гравитационната сила“, обясни Ахмед.

Той посочи примера на SpaceX. Когато компанията изстреля ракета, защо не използва електрическа система като тази, използвана от Tesla? Двете компании са собственост на едно и също лице, Илон Мъск, така че със сигурност биха могли да споделят технологии. Но една електрическа задвижваща система не може да генерира необходимото количество тяга, за да извади ракета от земята - тя просто не произвежда достатъчно мощност.

Така че ще трябва да продължим да използваме химическо задвижване за изстрелване на ракети в обозримо бъдеще. Но това се променя, след като ракетата е в орбита. След като преодолее земната гравитация и е в космоса, това е като да използвате круиз контрол. Управлението на космически кораб в космоса изисква относително малка тяга, тъй като няма въздушно триене или гравитационно привличане надолу, с което да се справите. Можете дори да използвате гравитационните сили от близките планети и луни.

Така че различна система за задвижване може да поеме управлението за по-ефективни операции.

По-ефективен вариант: Електрическо задвижване

След като една ракета е в орбита, тя често ще трябва да прави промени в траекторията - малки корекции, за да настрои скоростта си и да гарантира, че се движи в правилната посока. Това изисква тласкаща система. „Имате нужда от хиляди нютони, само за да управлявате превозно средство, да излезете от състояние на нулева скорост и да го издигнете и да преодолеете гравитационната сила на тежестта, която носите. Ето защо имате нужда от голяма, голяма ракетна система. Но във външната орбита вече нямате гравитационни сили, които да ви влияят, имате само крайната си скорост, която се опитвате да преодолеете“, обясни Ахмед.

И има много начини за генериране на силата, необходима за коригиране на курса на космически кораб. „Тягата си е тяга“, каза той. „Вие инжектирате маса. Вие изхвърляте маса, следователно тя ви движи в обратната посока. Това е количеството маса и колко бързо изтощавате тази маса.

Технология, която често се използва в малки сателити или малки спътници, е електрическото задвижване. Те използват електрическа енергия (често събрана с помощта на слънчеви панели), за да йонизират газов пропелант. След това този йонизиран газ се изтласква от задната част на сателита с помощта на електронно или магнитно поле, създавайки тяга, която движи космическия кораб.

Това е изключително ефективна система, която може да използва до 90% по-малко гориво отколкото химическото задвижване.

„За електрическо задвижване масата ви е много малка и всъщност не се нуждаете от голяма скорост, за да получите тягата“, каза Ахмед. А електронните системи за задвижване могат да йонизират практически всеки материал, така че да могат да работят с всичко, което е налично.

Слонът в стаята: Ядрено задвижване

Хората често се чувстват неудобно от идеята за ядрена енергия в космоса. И със сигурност има опасения за безопасността, които трябва да се имат предвид при използване на ядрена енергия, особено при мисии с екипаж. Но ядреното задвижване може просто да е асът, който ни позволява да посещаваме далечни планети.

„Ядрената енергия всъщност е много ефективна“, обясни Ахмед. Ядрената задвижваща система работи чрез реактор, който генерира топлина, която след това се използва за загряване на пропелант, който се изхвърля, за да създаде тяга. Той използва този пропелант много по-ефективно от задвижването на химическа основа.

И е устойчив, което е голямото му предимство. „Система, базирана на химикали, вие изгаряте пропелант и го изчерпвате и вече го нямате“, каза Ахмед. „Ти освободи тази енергия и я загуби. В сравнение с ядрено базирана система, уранът или плутоният, който ще използвате, е там и няма да изчезне. Това е устойчиво, докато поддържате основния си реактор.“

Въпреки че тази реакция е устойчива, топлината, която генерира, все още трябва да бъде насочена към маса. Не бихте искали да изчерпите урана или плутония, използвани в реакцията. Полезното е, че материалът, който се нагрява, може да бъде практически всеки газ или твърдо вещество, въпреки че газът е за предпочитане, тъй като реагира по-добре на топлина.

В космоса няма газове за използване, така че все пак ще трябва да носите малко със себе си. Но на планета с атмосфера, като Марс, теоретично можете да използвате лесно достъпни газове като въглероден диоксид като пропелант.

В момента НАСА проучва системи за ядрено задвижване специално за мисии до Марс. „Целта на НАСА е да сведе до минимум времето, през което екипажът пътува между Земята и Марс, до две години, колкото е практично. Космическите ядрени задвижващи системи биха могли да позволят по-кратки общи времена на мисията и да осигурят повишена гъвкавост и ефективност за дизайнерите на мисията“, агенцията пише за ядрени системи. Но все още не са взети категорични решения. „Твърде рано е да се каже каква задвижваща система ще отведе първите астронавти до Марс, тъй като остава необходимо значително развитие за всеки подход.“

Не е едното или другото; това е всичко по-горе

Все още сме в ранните етапи на планиране на мисия с екипаж до Марс. Трябва да вземем предвид практическите изисквания, както и фактори като цена, когато става въпрос за планиране на следващите ни стъпки.

Ахмед не смята, че една система за задвижване ще се окаже значително по-добра от останалите. Вместо това той предвижда комбинация от различни системи, използвани според специфичните нужди на мисията.

„Бих казал, че и трите системи ще са необходими“, обясни той. „Нямате перфектна система за задвижване, която да отговаря на всичките ви мисии.“ Въпреки че е възможно да се използва химическо задвижване за всяка мисия, това е не винаги е подходящо - той сравни това с това да стигнеш до съседна сграда с Ferrari и да загубиш много гориво, когато можеш просто разходка.

За мисиите с екипаж до Марс „ще трябва да използвате ядрена енергия, ще трябва да използвате електрическа и химическа, без която не можете да се разминете“, каза той. Например, можете да използвате електрическа задвижваща система за доставяне на товари като местообитания, да използвате ядрено задвижване да настроите надеждна релейна система между Земята и Марс и след това да изпратите вашите астронавти с помощта на химическо задвижване система. Това е така, защото хората по същество са тежки части от хардуер. „Нашата маса не е лека!“ той каза. „Ние сме значителна маса, дори само за няколко служители. Следователно имате нужда от това задвижване на химическа основа.

Готови ли сме за Марс?

Има много сложности при организирането на мисия с екипаж до Марс. Но когато става въпрос за задвижващи системи, имаме технологията да изпратим мисия там утре.

„Традиционните ракетни двигатели, базирани на 50-те години, ще ви отведат там“, каза Ахмед. Ограничаващият фактор се оказва нещо по-прозаично. "Въпросът е колко ще ви струва."

Изпращането на ракети до Марс с помощта на химически базирани системи за задвижване е просто много, много скъпо. И докато има както обществен, така и академичен апетит за повече изследване на Марс, количеството пари, налични за такава мисия, не е безкрайно. Следователно ще трябва да разработим и използваме технологии като електрически или ядрени системи за задвижване, за да направим проучването по-достъпно.

Дори в сферата на задвижването на химическа основа, развитието на технологиите, като ротационни детонационни двигатели или нови горива, може да помогне за намаляване на разходите, което ще насърчи повече проучвания. „Предизвикателството е разработването на инженерни системи, които са по-икономични от сегашните ракетни системи“, каза той. „Технологията от 50-те години ще ви отведе до Марс без проблем. Това е просто супер, супер скъпо. И никой няма да иска да плати за това. Но технологията е там.“

Препоръки на редакторите

• Космологично пътуване: сложната логистика на изпращането на хора на Марс
• Астропсихология: Как да останем здрави на Марс
• Електроцентрали на други планети: Как ще генерираме електричество на Марс
• Събиране на хидратация: Как бъдещите заселници ще създават и събират вода на Марс
• Астроземеделие: Как ще отглеждаме култури на Марс