Tõukejõu täiustamine: kuidas me saame inimesed Marsile

Kuna hiljutised missioonid Marsile, nagu NASA Perseverance, Araabia Ühendemiraatide Hope ja Hiina Tianwen-1 on kõik ülimalt edukad, võib teile andeks anda, kui arvate, et Marsile jõudmine on lihtne. Kuid on suur erinevus, kas saata punasele planeedile kulgur või orbiit või saata selline infrastruktuur ja tehnoloogia, mida me vajame, et luua seal inimeste kohalolek.

Keemiline tõukejõud võis meid viia päikesesüsteemi, kuid inimkonna järgmisesse faasi Kosmose uurimisel vajame uusi tõukejõutehnoloogiaid, et täiendada neid, mida oleme selleks kasutanud viimased 50 aastat. Et saada üksikasju selle kohta, milline võiks välja näha meeskonnaga Marsile suunduva ekspeditsiooni tõukejõud, rääkisime Kareem Ahmediga, dotsent Kareem Ahmediga. Kesk-Florida ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika osakond ning tipptasemel raketi tõukejõu ekspert süsteemid.

See artikkel on osa Elu Marsil10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Vana usaldusväärne: keemilised tõukejõusüsteemid, mida me praegu kasutame

Selleks, et saata rakett lendama läbi Maa atmosfääri ja sealt edasi kosmosesse, on vaja palju tõukejõudu. Peate neutraliseerima mitte ainult Maa atmosfääri hõõrdumist, vaid ka märkimisväärset gravitatsioonijõudu, mis tõmbab objektid maapinnale tagasi.

Alates 1950. aastatest oleme rakettide käitamiseks kasutanud sama põhiprintsiipi, mida nimetatakse keemiliseks tõukejõuks. Põhimõtteliselt süütate propellenti (kütuse ja oksüdeerija segu), mis tekitab soojust. See kuumus paneb raketi sees oleva materjali paisuma, mis seejärel raketi tagaosast välja surutakse. See raketikütuse väljutamine tekitab tõukejõu, mis surub raketi tohutu jõuga üles ja see jõud võimaldab tal ületada gravitatsiooni mõjud ja põgeneda meie planeedist kaugemale ruumi.

"Keemiline tõukejõud lihtsalt lisab raketikütustele väga kiiresti soojust. See raketikütus, kui see on tõesti kõrge kuumuse käes, paisub see väga suure kiirusega, ”selgitas Ahmed. "See kiirus sõltub sellest, kui palju soojust te sisestate. Nii et mõelge sellele nii, et kui teil on plahvatus, on teil tohutul hulgal gaasi, mis liigub kiiresti. Ja see on kiirus."

See on keemilise tõukejõu suur eelis teiste kaalutavate tõuketüüpide ees: kiirus. Keemiline tõukejõud aitab rakettidel tõesti väga kiiresti liikuda. Kuid see pole alati kõige tõhusam valik.

"Mõelge sellele nagu Prius versus Corvette," ütles Ahmed. "Kui soovite jõuda punktist A punkti B väga kiiresti, on kemikaalipõhisest tõukejõust raske üle saada." Kui soovite olla tõhusamad, võivad teised tõukejõusüsteemid omale kohale tulla. "Kui proovite jõuda punktist A punkti B mõistliku kiirusega, kuid suure kasuteguriga, ei pruugi kemikaalipõhine tõukejõud olla õige vahend."

Keemiliste tõukesüsteemide täiustamine

Keemilise tõukejõu põhimõte võis jääda samaks viimased mitu aastakümmet, kuid see See ei tähenda, et tehnoloogiat ei täiustataks, näiteks eri tüüpide uurimist kütusest.

Kütuseliikide kasutegur on energiatiheduse küsimus — kui palju energiat teatud kütusekogus suudab salvestada. Seetõttu on raske kasutada kütusena midagi nagu vesinik, kuigi see eraldab keemilistes reaktsioonides palju soojust, kuna see on nii kerge ja väikese tihedusega. Väikeses ruumis on raske hoida palju vesinikku, seega ei ole see väga tõhus kütus.

Praegused raketid kasutavad kõige sagedamini petrooleumipõhiseid kütuseid - põhimõtteliselt sama, mis lennukikütus -, kuid praegu on suur huvipakkuv metaanil või maagaasil põhinevad kütused. See kütus ei pruugi olla raketikütusena tõhusam, kuid see oleks tunduvalt odavam, kuna maagaasi on palju ja meil on selle kogumiseks juba tehnoloogia olemas.

"Kui SpaceX saaks oma Falcon 9 lennutamiseks kasutada maagaasi, oleks neil palju kokkuhoidu ja see kiirendaks kosmoseuuringuid," ütles Ahmed näitena. "Kui saaksime välisele orbiidile pääsemise kulusid vähendada, muudab see ruumi meile paremini kättesaadavaks."

Teine uurimisvaldkond on mootorite endi täiustamine. Ahmedi meeskond on üks mitmest rühmast, kes töötab süsteemiga, mida nimetatakse pöörlevaks detonatsioonirakettmootoriks, mis võib traditsiooniliste mootoritega võrreldes toota vähem kütust.

Mootorisse juhitava vesiniku ja hapniku kogust hoolikalt kontrollides saab rõhku tõhusamalt luua. See võib vähendada rakettmootori suurust, kaotades vajaduse väga võimsa kompressori järele, ja see kasutab ka kütust tõhusamalt. Tehnoloogia on peagi kasutuskõlblikuks muutumas: Ahmedi sõnul kavatsevad USA õhujõud sellist mootorit katsetada 2025. aastaks.

Miks keemiline tõukejõud ei vii kuhugi

Maalt õhkutõusmiseks on kemikaalidel põhinev tõukejõud hädavajalik. "Alates maapinnast muutub kemikaalidel põhinev tõukejõud kriitiliseks, kuna vajate seda võimsust, et viia see raskus maapinnast kõrgemale. Et gravitatsioonijõust üle saada,” selgitas Ahmed.

Ta tõi näiteks SpaceX-i. Kui ettevõte käivitab raketi, siis miks ei kasutata sellist elektrisüsteemi nagu Tesla? Need kaks ettevõtet kuuluvad samale isikule Elon Muskile, seega võiksid nad kindlasti tehnoloogiaid jagada. Kuid elektriline tõukejõusüsteem ei suuda tekitada raketi maapinnalt tõusmiseks vajalikku tõukejõudu – see lihtsalt ei tooda piisavalt võimsust.

Seega peame lähitulevikus jätkama rakettide käivitamiseks keemiliste jõuallikate kasutamist. Kuid see muutub, kui rakett on orbiidil. Kui see on Maa gravitatsioonist üle saanud ja kosmoses viibinud, on see nagu püsikiiruse regulaatori kasutamine. Kosmoselaeva juhtimine kosmoses nõuab suhteliselt väikest tõukejõudu, kuna puudub õhuhõõrdumine ega allapoole suunatud gravitatsioonitõmbejõud. Võite isegi kasutada lähedalasuvate planeetide ja kuude gravitatsioonijõude.

Seega võib tõhusamate toimingute jaoks üle võtta teistsugune tõukejõusüsteem.

Tõhusam variant: elektriline tõukejõud

Kui rakett on orbiidil, peab see sageli tegema trajektoorimuutusi – väikeseid kohandusi, et muuta selle kiirust ja tagada, et see liigub õiges suunas. Selleks on vaja tõukejõusüsteemi. "Teil on vaja tuhandeid njuutoneid lihtsalt selleks, et sõidukiga lennata, nullkiiruse olekust väljuda ja see üles tõusta ning ületada endaga kaasasoleva raskuse gravitatsioonijõud. Sellepärast vajate suurt ja suurt raketisüsteemi. Kuid välisel orbiidil ei mõjuta teid enam gravitatsioonijõud, teil on lihtsalt lõppkiirus, mida proovite ületada," selgitas Ahmed.

Ja kosmoselaeva kursi reguleerimiseks vajaliku jõu genereerimiseks on palju võimalusi. "Tõuge on tõukejõud," ütles ta. "Sa süstid massi. Sa viskad massi minema, seetõttu liigub see sind vastupidises suunas. See on massi kogus ja see, kui kiiresti te selle massi kurnate.

Väikestes satelliitides või väikesatelliitides sageli kasutatav tehnoloogia on elektriline tõukejõud. Nad kasutavad gaasikütuse ioniseerimiseks elektrienergiat (sageli kogutakse päikesepaneelide abil). See ioniseeritud gaas surutakse seejärel elektroonilise või magnetvälja abil satelliidi tagaosast välja, luues tõukejõu, mis liigutab kosmoselaeva.

See on äärmiselt tõhus süsteem, mis võib kasutada kuni 90% vähem kütust kui keemiline tõukejõud.

"Elektrilise tõukejõu puhul on teie mass väga väike ja te ei vaja tõukejõu andmiseks suurt kiirust," ütles Ahmed. Ja elektroonilised tõukejõusüsteemid suudavad ioniseerida peaaegu kõiki materjale, nii et nad saavad töötada kõigega, mis on saadaval.

Elevant toas: tuumajõud

Inimestele tundub sageli ebamugav tuumaenergia idee kosmoses. Tuumaenergia kasutamisel tuleb kindlasti arvestada ohutusprobleemidega, eriti meeskonnaga seotud missioonidel. Kuid tuumajõud võib olla lihtsalt äss, mis võimaldab meil külastada kaugeid planeete.

"Tuumaenergia on tegelikult väga tõhus, " selgitas Ahmed. Tuumajõusüsteem töötab läbi reaktori, mis toodab soojust, mida seejärel kasutatakse tõukejõu tekitamiseks väljasaadetava raketikütuse soojendamiseks. See kasutab seda raketikütust palju tõhusamalt kui keemilisel põhinevat tõukejõudu.

Ja see on jätkusuutlik, mis on selle suur eelis. "Kemikaalil põhinev süsteem, te põletate raketikütust ja kurnate seda ning teil pole seda enam," ütles Ahmed. "Sa vabastasid selle energia ja kaotasid selle. Võrreldes tuumapõhise süsteemiga on uraan või plutoonium, mida kavatsete kasutada, ja see ei kao kuhugi. See on jätkusuutlik, kui hooldate oma tuumareaktorit.

Kuigi see reaktsioon on jätkusuutlik, tuleb selle tekitatud soojus siiski massiks suunata. Te ei soovi reaktsioonis kasutatavat uraani või plutooniumi ammendada. Kasulik on see, et kuumutatav materjal võib olla praktiliselt mis tahes gaas või tahke aine, kuigi eelistatav on gaas, kuna see reageerib kuumusele paremini.

Kosmoses pole gaase kasutada, nii et peaksite siiski mõned kaasa võtma. Kuid atmosfääriga planeedil, nagu Marss, võiks teoreetiliselt kasutada raketikütusena kergesti kättesaadavaid gaase, nagu süsinikdioksiid.

NASA uurib praegu spetsiaalselt Marsi missioonide jaoks mõeldud tuumajõusüsteeme. "NASA eesmärk on minimeerida meeskonna Maa ja Marsi vahet reisimise aega nii lähedale kahele aastale, kui see on praktiline. Kosmoses kasutatavad tuumajõusüsteemid võiksid võimaldada lühemaid kogumissiooniaegu ning pakkuda missioonide kavandajatele suuremat paindlikkust ja tõhusust," ütles agentuur. kirjutas tuumasüsteemidest. Kuid kindlaid otsuseid pole veel tehtud. "On liiga vara öelda, milline tõukejõusüsteem esimesed astronaudid Marsile viib, kuna iga lähenemisviisi jaoks on vaja veel märkimisväärset arengut."

See ei ole üks ega teine; see on kõik ülaltoodu

Oleme ikka veel väga planeerimisetapis meeskonnaga Marsile. Järgmiste sammude kavandamisel peame arvestama nii praktiliste nõuetega kui ka selliste teguritega nagu kulud.

Ahmed ei arva, et üks tõukejõusüsteem osutub teistest tohutult paremaks. Selle asemel näeb ta ette erinevate süsteemide kombinatsiooni, mida kasutatakse vastavalt konkreetsetele missioonivajadustele.

"Ma ütleksin, et kõiki kolme süsteemi läheb vaja," selgitas ta. "Teil pole täiuslikku jõusüsteemi, mis sobiks kõigi teie missioonidega." Kuigi keemilist tõukejõudu on võimalik kasutada mis tahes missioonil, on see nii mitte alati sobilik – ta võrdles seda sellega, et jõuate Ferrariga naaberhoonesse ja raiskate hunniku kütust, kui saate lihtsalt kõndima.

Meeskonnaga missioonidel Marsile "peate kasutama tuumaenergiat, elektrit ja keemiapõhist ainet, ilma milleta te ei saa hakkama," ütles ta. Näiteks võite kasutada elektrilist tõukejõusüsteemi lasti kohaletoimetamiseks nagu elupaigad, kasutada tuumajõudu luua usaldusväärne releesüsteem Maa ja Marsi vahel ning seejärel saata oma astronaudid keemilist tõukejõudu kasutades süsteem. Seda seetõttu, et inimesed on sisuliselt kopsakad riistvaratükid. "Meie mass pole kerge!" ta ütles. „Meil on märkimisväärne mass, isegi mõne töötaja jaoks. Seetõttu vajate seda kemikaalipõhist tõukejõudu.

Kas oleme Marsi jaoks valmis?

Meeskonnaga Marsi missiooni korraldamisel on palju keerukust. Kui aga rääkida tõukejõusüsteemidest, siis meil on olemas tehnoloogia, et homme sinna missioon saata.

"Traditsioonilised 50ndatel põhinevad rakettmootorid viivad teid sinna," ütles Ahmed. Piiravaks teguriks osutub midagi proosalisemat. "Küsimus on selles, kui palju see teile maksma läheb."

Rakettide saatmine Marsile kemikaalipõhiste tõukejõusüsteemide abil on lihtsalt väga-väga kallis. Ja kuigi on olemas nii avalik kui ka akadeemiline isu Marsi põhjalikumaks uurimiseks, pole selliseks missiooniks saadaolev rahasumma lõputu. Seetõttu peame välja töötama ja kasutama selliseid tehnoloogiaid nagu elektri- või tuumajõusüsteemid, et muuta uurimine taskukohasemaks.

Isegi keemiapõhise tõukejõu valdkonnas võivad tehnoloogia arengud, nagu pöörlevad detonatsioonimootorid või uued kütused, aidata kulusid vähendada, mis soodustab rohkem uurimist. "Väljakutse seisneb insenerisüsteemide väljatöötamises, mis on säästlikumad kui praegused raketisüsteemid," ütles ta. "50ndate tehnoloogia viib teid probleemideta Marsile. See on lihtsalt super, ülikallis. Ja keegi ei taha selle eest maksta. Kuid tehnoloogia on olemas.

Toimetajate soovitused

• Kosmoloogiline pendelränne: inimeste Marsile viimise keeruline logistika
• Astropsühholoogia: kuidas Marsil mõistuse juures püsida
• Elektrijaamad teistel planeetidel: kuidas me Marsil elektrit toodame
• Hüdratsiooni kogumine: kuidas tulevased asukad Marsil vett loovad ja koguvad
• Astropõllumajandus: kuidas me Marsil põllukultuure kasvatame