Με τις πρόσφατες αποστολές στον Άρη, όπως το Perseverance της NASA, το Hope των Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων και το Tianwen-1 της Κίνας να έχουν όλες συντριπτικές επιτυχίες, θα μπορούσατε να σας συγχωρέσουν που πιστεύετε ότι είναι εύκολο να φτάσετε στον Άρη. Αλλά υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ της αποστολής ενός rover ή τροχιακού στον κόκκινο πλανήτη και της αποστολής του είδους της υποδομής και της τεχνολογίας που θα χρειαστούμε για να δημιουργήσουμε μια ανθρώπινη παρουσία εκεί.
Περιεχόμενα
- Παλαιά αξιόπιστα: Τα χημικά συστήματα πρόωσης που χρησιμοποιούμε τώρα
- Βελτίωση συστημάτων χημικής πρόωσης
- Γιατί η χημική πρόωση δεν πάει πουθενά
- Μια πιο αποτελεσματική επιλογή: Ηλεκτρική πρόωση
- Ο ελέφαντας στο δωμάτιο: Πυρηνική πρόωση
- Δεν είναι το ένα ή το άλλο. είναι όλα τα παραπάνω
- Είμαστε έτοιμοι για τον Άρη;
Η χημική πρόωση μπορεί να μας έβγαλε στο ηλιακό σύστημα, αλλά για την επόμενη φάση του ανθρώπου εξερεύνηση του διαστήματος, θα χρειαστούμε νέες τεχνολογίες πρόωσης για να συμπληρώσουν αυτές που χρησιμοποιούσαμε για αυτό τελευταία 50 χρόνια. Για να μάθουμε τις λεπτομέρειες σχετικά με το πώς μπορεί να μοιάζει μια πρόωση για μια αποστολή με πλήρωμα στον Άρη, μιλήσαμε με τον Kareem Ahmed, αναπληρωτή καθηγητή στο το Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροδιαστημικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου της Κεντρικής Φλόριντα και ειδικός στην προώθηση πυραύλων αιχμής συστήματα.
Προτεινόμενα βίντεο
Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη, μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη
Παλαιά αξιόπιστα: Τα χημικά συστήματα πρόωσης που χρησιμοποιούμε τώρα
Για να στείλετε έναν πύραυλο να πετάξει πάνω στην ατμόσφαιρα της Γης και να βγει στο διάστημα πέρα από αυτό, χρειάζεστε πολλή ώθηση. Χρειάζεται να εξουδετερώσετε όχι μόνο την τριβή από την ατμόσφαιρα της Γης αλλά και τη σημαντική δύναμη της βαρύτητας, η οποία τραβά τα αντικείμενα πίσω στο έδαφος.
Από τη δεκαετία του 1950, χρησιμοποιήσαμε την ίδια βασική αρχή για την τροφοδοσία πυραύλων, που ονομάζεται χημική πρόωση. Ουσιαστικά, αναφλέγετε ένα προωθητικό (ένα μείγμα καυσίμου και οξειδωτικού), το οποίο δημιουργεί θερμότητα. Αυτή η θερμότητα κάνει το υλικό μέσα στον πύραυλο να διαστέλλεται, το οποίο στη συνέχεια ωθείται έξω από το πίσω μέρος του πυραύλου. Αυτή η αποβολή του προωθητικού δημιουργεί ώθηση, η οποία ωθεί τον πύραυλο προς τα πάνω με τρομερή δύναμη και αυτή η δύναμη του επιτρέπει να ξεπεράσει τις επιπτώσεις της βαρύτητας και να διαφύγει στο διάστημα πέρα από τον πλανήτη μας.
«Η πρόωση που βασίζεται στη χημική ουσία απλώς προσθέτει θερμότητα στα προωθητικά με πολύ γρήγορους ρυθμούς. Αυτό το προωθητικό, μόλις το έχετε σε πολύ υψηλή θερμοκρασία, διαστέλλεται με πολύ υψηλή ταχύτητα», εξήγησε ο Ahmed. «Αυτή η ταχύτητα είναι συνάρτηση της ποσότητας θερμότητας που δίνετε. Σκεφτείτε το λοιπόν ότι όταν έχετε μια έκρηξη, έχετε μια τεράστια ποσότητα αερίου που κινείται γρήγορα. Και αυτή είναι η ταχύτητα».
Αυτό είναι το μεγάλο πλεονέκτημα που έχει η χημική πρόωση έναντι άλλων τύπων πρόωσης που εξετάζονται: Ταχύτητα. Η χημική πρόωση βοηθά τους πυραύλους να πάνε πολύ, πολύ γρήγορα. Αλλά δεν είναι πάντα η πιο αποτελεσματική επιλογή.
«Σκεφτείτε το σαν ένα Prius εναντίον μιας Corvette», είπε ο Ahmed. «Αν θέλετε να φτάσετε από το σημείο Α στο σημείο Β πολύ γρήγορα, είναι δύσκολο να νικήσετε την πρόωση που βασίζεται σε χημικά». Ωστόσο, όταν θέλετε να είστε πιο αποτελεσματικοί, άλλα συστήματα πρόωσης μπορούν να δημιουργηθούν. «Αν προσπαθείτε να φτάσετε από το σημείο Α στο σημείο Β με λογική ταχύτητα αλλά με υψηλή απόδοση, τότε η πρόωση με βάση τα χημικά μπορεί να μην είναι το σωστό εργαλείο».
Βελτίωση συστημάτων χημικής πρόωσης
Η αρχή της χημικής πρόωσης μπορεί να παρέμεινε η ίδια τις τελευταίες δεκαετίες, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν γίνονται βελτιώσεις στην τεχνολογία — όπως η έρευνα σε διαφορετικούς τύπους των καυσίμων.
Η απόδοση των τύπων καυσίμου είναι θέμα ενεργειακής πυκνότητας — πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί από μια συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου. Γι' αυτό είναι δύσκολο να χρησιμοποιήσετε κάτι σαν το υδρογόνο ως καύσιμο, παρόλο που απελευθερώνει πολλή θερμότητα στις χημικές αντιδράσεις, επειδή είναι τόσο ελαφρύ και έχει χαμηλή πυκνότητα. Είναι δύσκολο να αποθηκεύσετε πολύ υδρογόνο σε μικρή ποσότητα χώρου, επομένως δεν δημιουργείται πολύ αποδοτικό καύσιμο.
Οι σημερινοί πύραυλοι χρησιμοποιούν συχνότερα καύσιμα με βάση την κηροζίνη - βασικά το ίδιο με τα καύσιμα αεριωθουμένων - αλλά το μεγάλο πεδίο ενδιαφέροντος αυτή τη στιγμή εξετάζει τα καύσιμα με βάση το μεθάνιο ή το φυσικό αέριο. Αυτό το καύσιμο δεν θα ήταν απαραίτητα πιο αποτελεσματικό ως προωθητικό, αλλά θα ήταν πολύ φθηνότερο καθώς το φυσικό αέριο είναι άφθονο και έχουμε ήδη τεχνολογία για τη συλλογή του.
«Αν η SpaceX μπορούσε να χρησιμοποιήσει φυσικό αέριο για να πετάξει το Falcon 9, θα είχε πολλές οικονομίες και επομένως θα επιτάχυνε την εξερεύνηση του διαστήματος», είπε ο Ahmed ως παράδειγμα. «Αν μπορούσαμε να μειώσουμε το κόστος της εξόδου στην εξωτερική τροχιά, αυτό θα κάνει το διάστημα πιο προσιτό για εμάς».
Ένας άλλος τομέας έρευνας είναι η βελτίωση των ίδιων των κινητήρων. Η ομάδα του Ahmed είναι μία από τις πολλές ομάδες που εργάζονται σε ένα σύστημα που ονομάζεται περιστρεφόμενος κινητήρας πυραύλων έκρηξης, ο οποίος θα μπορούσε να παράγει περισσότερη ισχύ από λιγότερα καύσιμα σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς κινητήρες.
Με τον προσεκτικό έλεγχο της ποσότητας υδρογόνου και οξυγόνου που τροφοδοτούνται σε έναν κινητήρα, η πίεση μπορεί να δημιουργηθεί πιο αποτελεσματικά. Αυτό μπορεί να μειώσει το μέγεθος ενός κινητήρα πυραύλων εξαλείφοντας την ανάγκη για έναν πολύ ισχυρό συμπιεστή και χρησιμοποιεί επίσης το καύσιμο πιο αποτελεσματικά. Η τεχνολογία πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σύντομα: Ο Ahmed λέει ότι η Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ σχεδιάζει να δοκιμάσει έναν τέτοιο κινητήρα έως το 2025.
Γιατί η χημική πρόωση δεν πάει πουθενά
Για την απογείωση από τη Γη, η χημική πρόωση είναι απαραίτητη. «Από το επίπεδο του εδάφους, η πρόωση με βάση τα χημικά γίνεται κρίσιμη γιατί χρειάζεστε αυτή την ποσότητα ισχύος για να απομακρύνετε αυτό το βάρος από το έδαφος μέχρι το μεγαλύτερο υψόμετρο. Για να ξεπεράσουμε τη βαρυτική δύναμη», εξήγησε ο Ahmed.
Έφερε το παράδειγμα του SpaceX. Όταν η εταιρεία εκτοξεύει έναν πύραυλο, γιατί δεν χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό σύστημα όπως αυτό που χρησιμοποιεί η Tesla; Οι δύο εταιρείες ανήκουν στο ίδιο πρόσωπο, τον Elon Musk, οπότε σίγουρα θα μπορούσαν να μοιραστούν τεχνολογίες. Αλλά ένα σύστημα ηλεκτρικής πρόωσης δεν μπορεί να δημιουργήσει την ποσότητα ώθησης που απαιτείται για να βγει ένας πύραυλος από το έδαφος - απλά δεν παράγει αρκετή ισχύ.
Επομένως, θα χρειαστεί να συνεχίσουμε να χρησιμοποιούμε χημική πρόωση για την εκτόξευση πυραύλων στο άμεσο μέλλον. Αλλά αυτό αλλάζει όταν ένας πύραυλος βρίσκεται σε τροχιά. Μόλις ξεπεράσει τη βαρύτητα της Γης και βρεθεί στο διάστημα, είναι σαν να χρησιμοποιείς το cruise control. Ο έλεγχος ενός διαστημικού σκάφους στο διάστημα απαιτεί σχετικά μικρή ώθηση, καθώς δεν υπάρχει τριβή αέρα ή βαρυτική έλξη προς τα κάτω. Μπορείτε ακόμη και να χρησιμοποιήσετε βαρυτικές δυνάμεις από κοντινούς πλανήτες και φεγγάρια.
Έτσι, ένα διαφορετικό σύστημα πρόωσης μπορεί να αναλάβει πιο αποτελεσματικές λειτουργίες.
Μια πιο αποτελεσματική επιλογή: Ηλεκτρική πρόωση
Μόλις ένας πύραυλος βρίσκεται σε τροχιά, θα χρειαστεί συχνά να κάνει αλλαγές τροχιάς - μικρές προσαρμογές για να τροποποιήσει την ταχύτητά του και να διασφαλίσει ότι κατευθύνεται προς τη σωστή κατεύθυνση. Αυτό απαιτεί ένα σύστημα ώσης. «Χρειάζεσαι χιλιάδες newton μόνο για να πετάξεις ένα όχημα, για να βγεις από την κατάσταση μηδενικής ταχύτητας και να το σηκώσεις και να ξεπεράσεις τη βαρυτική δύναμη του βάρους που κουβαλάς. Γι' αυτό χρειάζεστε ένα μεγάλο, μεγάλο πυραυλικό σύστημα. Αλλά στην εξωτερική τροχιά, δεν έχετε πλέον βαρυτικές δυνάμεις που σας επηρεάζουν, απλώς έχετε την τελική σας ταχύτητα που προσπαθείτε να ξεπεράσετε», εξήγησε ο Ahmed.
Και υπάρχουν πολλοί τρόποι για να δημιουργηθεί η δύναμη που απαιτείται για την προσαρμογή της πορείας ενός διαστημικού σκάφους. «Η ώθηση είναι ώθηση», είπε. «Κάνεις ένεση μάζας. Πετάς τη μάζα, επομένως σε κινεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Είναι η ποσότητα της μάζας και πόσο γρήγορα εξαντλείτε αυτή τη μάζα».
Μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται συχνά σε μικρούς δορυφόρους, ή μικρά δορυφορικά, είναι η ηλεκτρική πρόωση. Χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια (συχνά συλλέγεται χρησιμοποιώντας ηλιακούς συλλέκτες) για να ιονίσουν ένα προωθητικό αερίου. Αυτό το ιονισμένο αέριο στη συνέχεια εξαναγκάζεται έξω από το πίσω μέρος του δορυφόρου χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό ή μαγνητικό πεδίο, δημιουργώντας ώθηση που κινεί το διαστημόπλοιο.
Αυτό είναι ένα εξαιρετικά αποδοτικό σύστημα που μπορεί να χρησιμοποιήσει μέχρι 90% λιγότερο καύσιμο παρά χημική πρόωση.
"Για την ηλεκτρική πρόωση, η μάζα σας είναι πολύ μικρή και δεν χρειάζεστε πραγματικά μεγάλη ταχύτητα για να σας δώσει την ώθηση", είπε ο Ahmed. Και τα ηλεκτρονικά συστήματα πρόωσης μπορούν να ιονίσουν σχεδόν οποιοδήποτε υλικό, ώστε να μπορούν να λειτουργούν με ό, τι είναι διαθέσιμο.
Ο ελέφαντας στο δωμάτιο: Πυρηνική πρόωση
Οι άνθρωποι συχνά νιώθουν άβολα με την ιδέα της πυρηνικής ενέργειας στο διάστημα. Και σίγουρα υπάρχουν ανησυχίες για την ασφάλεια που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη χρήση πυρηνικής ενέργειας, ειδικά για αποστολές με πλήρωμα. Αλλά η πυρηνική πρόωση μπορεί να είναι απλώς ο άσος που μας επιτρέπει να επισκεφτούμε μακρινούς πλανήτες.
«Η πυρηνική ενέργεια είναι στην πραγματικότητα πολύ αποτελεσματική», εξήγησε ο Ahmed. Ένα πυρηνικό σύστημα πρόωσης λειτουργεί μέσω ενός αντιδραστήρα που παράγει θερμότητα, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση ενός προωθητικού που αποβάλλεται για να δημιουργήσει ώθηση. Χρησιμοποιεί αυτό το προωθητικό πολύ πιο αποτελεσματικά από την πρόωση που βασίζεται σε χημικά.
Ο στόχος της NASA είναι να ελαχιστοποιήσει το χρόνο που ταξιδεύει το πλήρωμα μεταξύ Γης και Άρη σε όσο το δυνατόν πιο κοντά στα δύο χρόνια.
Και είναι βιώσιμο, που είναι το μεγάλο του όφελος. «Ένα σύστημα που βασίζεται σε χημικά, καίτε προωθητικό και το εξαντλείτε και δεν το έχετε πια», είπε ο Ahmed. «Απελευθερώσατε αυτή την ενέργεια και την έχασες. Σε σχέση με ένα πυρηνικό σύστημα, το ουράνιο ή το πλουτώνιο που πρόκειται να χρησιμοποιήσετε είναι εκεί και δεν πρόκειται να φύγει. Είναι βιώσιμο καθώς διατηρείτε τον πυρήνα του αντιδραστήρα σας».
Παρόλο που αυτή η αντίδραση είναι βιώσιμη, ωστόσο, η θερμότητα που παράγει πρέπει να διοχετεύεται σε μια μάζα. Δεν θα θέλατε να εξαντλήσετε το ουράνιο ή το πλουτώνιο που χρησιμοποιούνται στην αντίδραση. Το χρήσιμο είναι ότι το υλικό που θερμαίνεται μπορεί να είναι πρακτικά οποιοδήποτε αέριο ή στερεό, αν και το αέριο είναι προτιμότερο αφού ανταποκρίνεται καλύτερα στη θερμότητα.
Στο διάστημα, δεν υπάρχουν αέρια για χρήση, επομένως θα πρέπει να φέρετε μερικά μαζί σας. Αλλά σε έναν πλανήτη με ατμόσφαιρα, όπως ο Άρης, θα μπορούσατε θεωρητικά να χρησιμοποιήσετε άμεσα διαθέσιμα αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα ως προωθητικό.
Η NASA εξετάζει επί του παρόντος συστήματα πυρηνικής πρόωσης για αποστολές στον Άρη συγκεκριμένα. «Ο στόχος της NASA είναι να ελαχιστοποιήσει τον χρόνο που ταξιδεύει το πλήρωμα μεταξύ Γης και Άρη σε όσο το δυνατόν πιο κοντά στα δύο χρόνια. Τα διαστημικά συστήματα πυρηνικής πρόωσης θα μπορούσαν να επιτρέψουν μικρότερους συνολικούς χρόνους αποστολής και να παρέχουν βελτιωμένη ευελιξία και αποτελεσματικότητα στους σχεδιαστές αποστολών. έγραψε για πυρηνικά συστήματα. Ωστόσο, δεν έχουν ληφθεί ακόμη συγκεκριμένες αποφάσεις. «Είναι πολύ νωρίς για να πούμε ποιο σύστημα πρόωσης θα μεταφέρει τους πρώτους αστροναύτες στον Άρη, καθώς εξακολουθεί να απαιτείται σημαντική ανάπτυξη για κάθε προσέγγιση».
Δεν είναι το ένα ή το άλλο. είναι όλα τα παραπάνω
Είμαστε ακόμη πολύ στα αρχικά στάδια σχεδιασμού μιας αποστολής με πλήρωμα στον Άρη. Πρέπει να λάβουμε υπόψη τις πρακτικές απαιτήσεις καθώς και παράγοντες όπως το κόστος όταν πρόκειται να σχεδιάσουμε τα επόμενα βήματά μας.
Ο Ahmed δεν πιστεύει ότι ένα σύστημα πρόωσης πρόκειται να αποδειχθεί πολύ ανώτερο από τα άλλα. Αντίθετα, οραματίζεται έναν συνδυασμό διαφορετικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται σύμφωνα με συγκεκριμένες ανάγκες της αποστολής.
«Θα έλεγα ότι και τα τρία συστήματα θα χρειαστούν», εξήγησε. «Δεν έχετε ένα τέλειο σύστημα πρόωσης που να ταιριάζει σε όλες τις αποστολές σας». Ενώ είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί χημική πρόωση για οποιαδήποτε αποστολή, είναι όχι πάντα κατάλληλο — το συνέκρινε με το να φτάσεις σε ένα διπλανό κτίριο χρησιμοποιώντας μια Ferrari και να σπαταλήσεις ένα σωρό καύσιμα όταν μπορούσες Περπατήστε.
Για αποστολές με πλήρωμα στον Άρη, «θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε πυρηνικά, θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε ηλεκτρικά και τα χημικά που δεν μπορείτε να ξεφύγετε», είπε. Για παράδειγμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα σύστημα ηλεκτρικής πρόωσης για την παράδοση φορτίου όπως ενδιαιτήματα, χρησιμοποιήστε πυρηνική πρόωση για να δημιουργήσετε ένα αξιόπιστο σύστημα αναμετάδοσης μεταξύ Γης και Άρη και, στη συνέχεια, στείλτε τους αστροναύτες σας χρησιμοποιώντας μια χημική πρόωση Σύστημα. Αυτό συμβαίνει επειδή οι άνθρωποι είναι, ουσιαστικά, μεγάλα κομμάτια υλικού. «Η μάζα μας δεν είναι ελαφριά!» αυτός είπε. «Είμαστε μια σημαντική ποσότητα μάζας, ακόμη και για λίγο προσωπικό. Επομένως χρειάζεσαι αυτή την πρόωση που βασίζεται σε χημικά».
Είμαστε έτοιμοι για τον Άρη;
Υπάρχουν πολλές περιπλοκές σχετικά με την οργάνωση μιας αποστολής με πλήρωμα στον Άρη. Αλλά όταν πρόκειται για συστήματα πρόωσης, έχουμε την τεχνολογία για να στείλουμε μια αποστολή εκεί αύριο.
"Οι παραδοσιακοί κινητήρες πυραύλων που βασίζονται στη δεκαετία του '50 θα σας πάνε εκεί", είπε ο Ahmed. Ο περιοριστικός παράγοντας αποδεικνύεται κάτι πιο πεζό. «Το ερώτημα είναι πόσο θα σου κοστίσει».
Η αποστολή πυραύλων στον Άρη χρησιμοποιώντας συστήματα πρόωσης που βασίζονται σε χημικά είναι απλά πολύ, πολύ ακριβή. Και ενώ υπάρχει τόσο κοινό όσο και ακαδημαϊκό όρεξη για περισσότερη εξερεύνηση του Άρη, το χρηματικό ποσό που διατίθεται για μια τέτοια αποστολή δεν είναι ατελείωτο. Ως εκ τούτου, θα χρειαστεί να αναπτύξουμε και να εκμεταλλευτούμε τεχνολογίες όπως ηλεκτρικά ή πυρηνικά συστήματα πρόωσης για να κάνουμε την εξερεύνηση πιο προσιτή.
Ακόμη και στη σφαίρα της πρόωσης που βασίζεται σε χημικά, οι εξελίξεις στην τεχνολογία, όπως οι κινητήρες περιστροφής έκρηξης ή τα νέα καύσιμα, μπορούν να συμβάλουν στη μείωση του κόστους, γεγονός που θα προωθήσει περισσότερη εξερεύνηση. «Η πρόκληση είναι η ανάπτυξη συστημάτων μηχανικής που είναι πιο οικονομικά από τα σημερινά συστήματα πυραύλων», είπε. «Η τεχνολογία της δεκαετίας του ’50 θα σας οδηγήσει στον Άρη χωρίς πρόβλημα. Είναι απλά σούπερ, εξαιρετικά ακριβό. Και κανείς δεν πρόκειται να θέλει να το πληρώσει. Αλλά η τεχνολογία είναι εκεί».
Συστάσεις των συντακτών
- Μια κοσμολογική μετακίνηση: Τα δύσκολα logistics του να βάζεις ανθρώπους στον Άρη
- Αστροφψυχολογία: Πώς να παραμείνετε υγιείς στον Άρη
- Μονάδες ηλεκτροπαραγωγής σε άλλους πλανήτες: Πώς θα παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια στον Άρη
- Συγκομιδή ενυδάτωσης: Πώς οι μελλοντικοί άποικοι θα δημιουργήσουν και θα συλλέξουν νερό στον Άρη
- Αστρογεωργία: Πώς θα καλλιεργήσουμε καλλιέργειες στον Άρη
