Zdokonalení pohonu: Jak dostaneme lidi na Mars

Vzhledem k tomu, že nedávné mise na Mars, jako jsou NASA Perseverance, UAE’s Hope a čínský Tianwen-1, byly všechny ohromující úspěchy, může vám být odpuštěno, že si myslíte, že dostat se na Mars je snadné. Je ale velký rozdíl mezi vysláním roveru nebo orbiteru na rudou planetu a odesláním takové infrastruktury a technologie, kterou budeme potřebovat k tomu, abychom tam vytvořili lidskou přítomnost.

Chemický pohon nás možná vynesl do sluneční soustavy, ale pro další fázi člověka průzkum vesmíru, budeme potřebovat nové technologie pohonu, které doplní ty, které jsme k tomu používali posledních 50 let. Abychom získali podrobnosti o tom, jak by mohl vypadat pohon výpravy na Mars s posádkou, mluvili jsme s Kareem Ahmedem, docentem na Katedra mechanického a leteckého inženýrství University of Central Florida a odborník na špičkový raketový pohon systémy.

Tento článek je součástí Život na Marsu, 10dílný seriál, který zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars

Staré spolehlivé: Chemické pohonné systémy, které používáme nyní

Chcete-li poslat raketu vzhůru zemskou atmosférou a do vesmíru za ní, potřebujete velký tah. Musíte čelit nejen tření zemské atmosféry, ale také významné gravitační síle, která táhne objekty zpět k zemi.

Od 50. let 20. století používáme k pohonu raket stejný základní princip, nazývaný chemický pohon. V podstatě zapálíte hnací látku (směs paliva a okysličovadla), která vytváří teplo. Toto teplo způsobí roztažení materiálu uvnitř rakety, který je pak vytlačen ze zadní části rakety. Toto vypuzení pohonné látky vytváří tah, který tlačí raketu vzhůru obrovskou silou a tato síla mu umožňuje překonat účinky gravitace a uniknout do prostoru za naší planetou.

„Chemický pohon jen přidává teplo do pohonných látek opravdu rychlým tempem. Ta pohonná látka, jakmile ji máte opravdu vysokou teplotu, expanduje velmi vysokou rychlostí,“ vysvětlil Ahmed. "Tato rychlost je funkcí toho, kolik tepla vkládáte." Takže si to představte, jako když máte výbuch, máte obrovské množství plynu, který se rychle pohybuje. A to je ta rychlost."

Toto je velká výhoda chemického pohonu oproti jiným zvažovaným typům pohonu: Rychlost. Chemický pohon pomáhá raketám jít opravdu, opravdu rychle. Ale ne vždy je to nejúčinnější varianta.

"Představte si to jako Prius versus Corvette," řekl Ahmed. "Pokud se chcete dostat z bodu A do bodu B velmi rychle, je těžké porazit chemický pohon." Když však chcete být efektivnější, na své si přijdou i jiné pohonné systémy. "Pokud se snažíte dostat z bodu A do bodu B přiměřenou rychlostí, ale s vysokou účinností, pak chemický pohon nemusí být tím správným nástrojem."

Zlepšení chemických pohonných systémů

Princip chemického pohonu možná zůstal posledních několik desetiletí stejný, ale to neznamená, že se v technologii neprovádějí vylepšení – jako je výzkum různých typů paliva.

Účinnost typů paliv je záležitostí hustoty energie – toho, kolik energie lze uložit do určitého množství paliva. To je důvod, proč je obtížné použít něco jako vodík jako palivo, i když při chemických reakcích uvolňuje velké množství tepla, protože je tak lehký a má nízkou hustotu. Je těžké uložit velké množství vodíku na malém prostoru, takže to není příliš účinné palivo.

Současné rakety nejčastěji používají paliva na bázi petroleje – v podstatě to samé jako tryskové palivo – ale velkou oblastí zájmu je právě sledování paliv na bázi metanu nebo zemního plynu. Toto palivo by nemuselo být nutně účinnější jako pohonná látka, ale bylo by výrazně levnější, protože zemního plynu je hojné a my již máme technologii pro jeho sběr.

„Pokud by SpaceX mohla používat zemní plyn k letu jejich Falconu 9, měli by spoustu úspor, a proto by urychlili průzkum vesmíru,“ uvedl jako příklad Ahmed. "Pokud bychom mohli snížit náklady na výstup na vnější oběžnou dráhu, vesmír by pro nás byl dostupnější."

Další oblastí výzkumu je vylepšování samotných motorů. Ahmedův tým je jednou z několika skupin, které pracují na systému zvaném rotující detonační raketový motor, který by mohl generovat více energie z menšího množství paliva ve srovnání s tradičními motory.

Pečlivým řízením množství vodíku a kyslíku přiváděného do motoru lze efektivněji vytvářet tlak. To může snížit velikost raketového motoru odstraněním potřeby velmi výkonného kompresoru a také efektivněji využívá palivo. Technologie je na cestě k tomu, aby byla brzy použitelná: Ahmed říká, že americké letectvo plánuje testovat takový motor do roku 2025.

Proč chemický pohon nikam nevede

Pro vzlet ze Země je nezbytný chemický pohon. „Z úrovně země se chemický pohon stává kritickým, protože takové množství energie potřebujete k tomu, abyste odnesli tuto váhu ze země až do vyšší nadmořské výšky. Abych překonal gravitační sílu,“ vysvětlil Ahmed.

Uvedl příklad SpaceX. Když společnost vypustí raketu, proč nepoužívá elektrický systém, jaký používá Tesla? Tyto dvě společnosti vlastní stejná osoba, Elon Musk, takže by jistě mohly sdílet technologie. Ale elektrický pohonný systém nemůže generovat množství tahu potřebné k tomu, aby se raketa odlepila od země – prostě nevyrábí dostatek energie.

Takže v dohledné budoucnosti budeme muset i nadále používat chemický pohon pro odpalování raket. Ale to se změní, jakmile je raketa na oběžné dráze. Jakmile překoná zemskou gravitaci a je ve vesmíru, je to jako používat tempomat. Ovládání kosmické lodi ve vesmíru vyžaduje relativně malý tah, protože není třeba řešit žádné tření vzduchu ani gravitační tah směrem dolů. Můžete dokonce využít gravitační síly z blízkých planet a měsíců.

Pro efektivnější operace tak může převzít jiný pohonný systém.

Efektivnější varianta: Elektrický pohon

Jakmile je raketa na oběžné dráze, bude často muset provést změny trajektorie – malé úpravy, aby se vylepšila její rychlost a zajistilo se, že míří správným směrem. To vyžaduje přítlačný systém. "Potřebujete tisíce newtonů, abyste mohli řídit vozidlo, dostat se z nulové rychlosti a dostat ho nahoru a překonat gravitační sílu závaží, které nesete." To je důvod, proč potřebujete velký, velký raketový systém. Ale na vnější oběžné dráze už vás neovlivňují gravitační síly, máte jen svou konečnou rychlost, kterou se snažíte překonat,“ vysvětlil Ahmed.

A existuje spousta způsobů, jak generovat sílu potřebnou k úpravě kurzu kosmické lodi. "Táh je tah," řekl. „Pícháte hmotu. Odhazujete hmotu, proto vás to posouvá opačným směrem. Jde o množství hmoty a o to, jak rychle tuto hmotu vyčerpáváte."

Technologie často používaná v malých satelitech nebo malých satelitech je elektrický pohon. Používají elektrickou energii (často shromažďovanou pomocí solárních panelů) k ionizaci plynové pohonné látky. Tento ionizovaný plyn je pak vytlačen ze zadní části satelitu pomocí elektronického nebo magnetického pole a vytváří tah, který pohybuje kosmickou lodí.

Jedná se o extrémně účinný systém, který dokáže využít až o 90 % méně paliva než chemický pohon.

"U elektrického pohonu je vaše hmotnost velmi malá a ve skutečnosti nepotřebujete velkou rychlost, abyste získali tah," řekl Ahmed. A elektronické pohonné systémy dokážou ionizovat prakticky jakýkoli materiál, takže mohou pracovat s čímkoli, co je k dispozici.

Slon v místnosti: Jaderný pohon

Lidé jsou často nepříjemní s myšlenkou jaderné energie ve vesmíru. A určitě existují bezpečnostní obavy, které je třeba vzít v úvahu při používání jaderné energie, zejména pro mise s posádkou. Ale jaderný pohon může být právě tím esem, které nám umožňuje navštívit vzdálené planety.

"Jaderná energie je ve skutečnosti vysoce účinná," vysvětlil Ahmed. Jaderný pohonný systém pracuje prostřednictvím reaktoru, který generuje teplo, které se pak používá k ohřevu pohonné látky, která je vypuzována k vytvoření tahu. Využívá tuto pohonnou látku mnohem efektivněji než pohon na chemické bázi.

A je udržitelný, což je jeho velká výhoda. "Systém založený na chemii, spalujete pohonnou látku a vyčerpáváte ji, a už ji nemáte," řekl Ahmed. "Uvolnil jsi tu energii a ztratil jsi ji." Na rozdíl od jaderného systému, uran nebo plutonium, které budete používat, tam jsou a nezmizí. Je to udržitelné, pokud budete udržovat svůj aktivní reaktor."

I když je tato reakce udržitelná, teplo, které generuje, stále musí být směrováno do hmoty. Nechtěli byste vyčerpat uran nebo plutonium použité v reakci. Užitečné je, že ohřívaný materiál může být prakticky jakýkoli plyn nebo pevná látka, i když plyn je výhodnější, protože lépe reaguje na teplo.

Ve vesmíru nejsou žádné plyny k použití, takže si stále musíte nějaké vzít s sebou. Ale na planetě s atmosférou, jako je Mars, byste teoreticky mohli jako pohonnou látku použít snadno dostupné plyny, jako je oxid uhličitý.

NASA v současné době zkoumá jaderné pohonné systémy pro mise konkrétně na Mars. „Cílem NASA je zkrátit dobu, po kterou posádka cestuje mezi Zemí a Marsem, na dva roky, jak je to praktické. Vesmírné jaderné pohonné systémy by mohly umožnit kratší celkové doby mise a poskytnout konstruktérům misí zvýšenou flexibilitu a efektivitu,“ uvedla agentura psal o jaderných systémech. Ale zatím nepadla žádná pevná rozhodnutí. "Je příliš brzy říkat, jaký pohonný systém dopraví první astronauty na Mars, protože každý přístup vyžaduje značný vývoj."

Není to jedno nebo druhé; je to všechno výše uvedené

Stále jsme v raných fázích plánování mise s posádkou na Mars. Při plánování našich dalších kroků musíme vzít v úvahu praktické požadavky i faktory, jako jsou náklady.

Ahmed si nemyslí, že by se jeden pohonný systém ukázal jako výrazně lepší než ostatní. Místo toho si představuje kombinaci různých systémů používaných podle konkrétních potřeb mise.

"Řekl bych, že budou potřeba všechny tři systémy," vysvětlil. "Nemáte dokonalý pohonný systém, který by vyhovoval všem vašim misím." I když je možné použít chemický pohon pro jakoukoli misi, je to tak ne vždy vhodné – přirovnal to k tomu, že se dostanete do sousední budovy pomocí Ferrari a plýtváte spoustou paliva, když můžete Procházka.

Pro mise s posádkou na Mars „budete muset použít jadernou energii, budete muset použít elektrické a chemické látky, bez kterých se neobejdete,“ řekl. Můžete například použít elektrický pohonný systém pro doručování nákladu jako stanoviště, použít jaderný pohon vytvořit spolehlivý přenosový systém mezi Zemí a Marsem a poté poslat své astronauty pomocí chemického pohonu Systém. Je to proto, že lidé jsou v podstatě statné kusy hardwaru. "Naše hmota není lehká!" řekl. „Jsme značná masa, dokonce i pro pár zaměstnanců. Proto potřebujete ten chemický pohon."

Jsme připraveni na Mars?

Organizace mise na Mars s posádkou je spojena s mnoha složitostmi. Ale pokud jde o pohonné systémy, máme technologii, abychom tam zítra vyslali misi.

„Tradiční raketové motory z 50. let vás tam dostanou,“ řekl Ahmed. Limitujícím faktorem se ukazuje být něco prozaičtějšího. "Otázka je, kolik tě to bude stát."

Posílat rakety na Mars pomocí chemických pohonných systémů je prostě velmi, velmi drahé. A i když existuje jak veřejná, tak akademická chuť na další průzkum Marsu, množství peněz dostupných na takovou misi není nekonečné. Proto budeme muset vyvíjet a využívat technologie, jako jsou elektrické nebo jaderné pohonné systémy, aby byl průzkum dostupnější.

Dokonce i v oblasti chemického pohonu může vývoj v technologii, jako jsou rotační detonační motory nebo nová paliva, pomoci snížit náklady, což podpoří větší průzkum. "Výzvou je vývoj inženýrských systémů, které jsou ekonomičtější než současné raketové systémy," řekl. „Technologie 50. let vás bez problémů dostane na Mars. Je to prostě super, super drahé. A nikdo za to nebude chtít platit. Ale technologie tam je."

Doporučení redakce

• Kosmologické dojíždění: Složitá logistika přivádění lidí na Mars
• Astropsychologie: Jak si udržet zdravý rozum na Marsu
• Elektrárny na jiných planetách: Jak budeme vyrábět elektřinu na Marsu
• Sklizeň hydratace: Jak budou budoucí osadníci vytvářet a sbírat vodu na Marsu
• Astrozemědělství: Jak budeme pěstovat plodiny na Marsu