Propulsion parantaminen: Kuinka saamme ihmiset Marsiin

Viimeaikaiset Mars-lennot, kuten NASAn Perseverance, UAE Hope ja Kiinan Tianwen-1, ovat kaikki olleet huimaisia ​​menestyksiä, joten voit antaa anteeksi ajattelusi, että Marsiin pääseminen on helppoa. Mutta on suuri ero sen välillä, lähetetäänkö mönkijä tai kiertorata punaiselle planeetalle ja lähetetäänkö sellainen infrastruktuuri ja tekniikka, jota tarvitsemme ihmisten läsnäolon luomiseksi sinne.

Kemiallinen propulsio on saattanut viedä meidät aurinkokuntaan, mutta ihmisen seuraavaan vaiheeseen avaruuden tutkimiseen tarvitsemme uusia propulsiotekniikoita täydentämään niitä, joita olemme käyttäneet viimeiset 50 vuotta. Saadaksemme yksityiskohtia siitä, miltä miehistöllisen Mars-matkan propulsio voisi näyttää, keskustelimme apulaisprofessori Kareem Ahmedin kanssa Keski-Floridan yliopiston mekaanisen ja ilmailutekniikan laitos ja huippuluokan rakettien työntövoiman asiantuntija järjestelmät.

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa10-osainen sarja, joka tutkii huipputiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Vanha luotettava: kemialliset propulsiojärjestelmät, joita käytämme nyt

Tarvitset paljon työntövoimaa, jotta voit lähettää raketin lentämään maan ilmakehän läpi ja ulos avaruuteen. Sinun on torjuttava paitsi Maan ilmakehän kitka, myös merkittävä painovoima, joka vetää esineitä takaisin maahan.

1950-luvulta lähtien olemme käyttäneet samaa perusperiaatetta raketteihin, nimeltään kemiallinen propulsio. Pohjimmiltaan sytytät ponneaineen (polttoaineen ja hapettimen seos), joka synnyttää lämpöä. Tämä lämpö saa raketin sisällä olevan materiaalin laajenemaan, joka sitten työnnetään ulos raketin takaosasta. Tämä ponneaineen poistuminen saa aikaan työntövoiman, joka työntää rakettia ylöspäin valtavalla voimalla, ja tämän voiman avulla se voi voittaa painovoiman vaikutukset ja paeta planeettamme ulkopuolella olevaan avaruuteen.

"Kemiallinen propulsio vain lisää lämpöä ponneaineisiin todella nopeasti. Kun se ponneaine on todella korkeassa lämmössä, se laajenee erittäin suurella nopeudella", Ahmed selitti. "Se nopeus on funktio siitä, kuinka paljon lämpöä laitat sisään. Joten ajattele sitä niin, että kun sinulla on räjähdys, sinulla on valtava määrä kaasua, joka liikkuu nopeasti. Ja se on nopeus."

Tämä on kemiallisen propulsion suuri etu verrattuna muihin harkittaviin propulsiotyyppeihin: Nopeus. Kemiallinen propulsio auttaa raketteja kulkemaan todella, todella nopeasti. Mutta se ei aina ole tehokkain vaihtoehto.

"Ajattele sitä kuin Prius vs. Corvette", Ahmed sanoi. "Jos haluat päästä pisteestä A pisteeseen B erittäin nopeasti, on vaikea päihittää kemikaalipohjaista propulsiota." Kun halutaan olla tehokkaampia, muut propulsiojärjestelmät voivat kuitenkin tulla omakseen. "Jos yrität päästä pisteestä A pisteeseen B kohtuullisella nopeudella mutta korkealla hyötysuhteella, kemiallinen propulsio ei ehkä ole oikea työkalu."

Kemiallisten propulsiojärjestelmien parantaminen

Kemiallisen propulsion periaate on saattanut pysyä samana viimeisten vuosikymmenien ajan, mutta se ei tarkoita, etteikö tekniikkaan tehdä parannuksia - kuten erityyppisten tutkimusten tekemistä polttoaineesta.

Polttoainetyyppien hyötysuhde on kysymys energiatiheydestä – kuinka paljon energiaa tietty määrä polttoainetta pystyy varastoimaan. Siksi on vaikeaa käyttää polttoaineena esimerkiksi vetyä, vaikka se vapauttaa paljon lämpöä kemiallisissa reaktioissa, koska se on niin kevyttä ja sen tiheys on pieni. On vaikeaa varastoida paljon vetyä pieneen tilaan, joten se ei ole kovin tehokas polttoaine.

Nykyisissä raketteissa käytetään useimmiten kerosiinipohjaisia ​​polttoaineita - periaatteessa samaa kuin lentopetroli -, mutta tällä hetkellä suuri kiinnostuksen kohde on metaani- tai maakaasupohjaisten polttoaineiden tutkiminen. Tämä polttoaine ei välttämättä olisi tehokkaampi ponneaineena, mutta se olisi huomattavasti halvempi, koska maakaasua on runsaasti ja meillä on jo tekniikka sen keräämiseen.

"Jos SpaceX voisi käyttää maakaasua Falcon 9 -lentokoneen lentämiseen, heillä olisi paljon säästöjä ja se nopeuttaisi avaruustutkimusta", Ahmed sanoi esimerkkinä. "Jos voisimme vähentää kiertoradalle pääsemisen kustannuksia, se tekee avaruudesta helpommin saavutettavissamme."

Toinen tutkimusalue on itse moottoreiden parantaminen. Ahmedin tiimi on yksi monista ryhmistä, jotka työskentelevät pyöriväksi räjähdysrakettimoottoriksi kutsutun järjestelmän parissa, joka voisi tuottaa enemmän tehoa pienemmällä polttoaineella verrattuna perinteisiin moottoreihin.

Hallitsemalla tarkasti moottoriin syötettävän vedyn ja hapen määrää, painetta voidaan luoda tehokkaammin. Tämä voi pienentää rakettimoottorin kokoa poistamalla erittäin tehokkaan kompressorin tarpeen, ja se käyttää myös polttoainetta tehokkaammin. Tekniikka on tulossa käyttökelpoiseksi pian: Ahmed sanoo, että Yhdysvaltain ilmavoimat aikovat testata tällaista moottoria vuoteen 2025 mennessä.

Miksi kemiallinen propulsio ei johda mihinkään

Maasta nousussa kemiallinen propulsio on välttämätöntä. "Maatasolta lähtien kemiallinen propulsio tulee kriittiseksi, koska tarvitset sen määrän tehoa ajaaksesi painon maasta ylöspäin aina korkeammalle. Päästäkseen yli gravitaatiovoimasta", Ahmed selitti.

Hän otti esiin esimerkin SpaceX: stä. Kun yritys laukaisee raketin, miksi se ei käytä Teslan käyttämän kaltaista sähköjärjestelmää? Molemmat yhtiöt ovat saman henkilön, Elon Muskin, omistamia, joten he voisivat varmasti jakaa teknologiaa. Mutta sähkökäyttöinen propulsiojärjestelmä ei voi tuottaa niin paljon työntövoimaa, kuin tarvitaan raketin nostamiseen maasta – se ei yksinkertaisesti tuota tarpeeksi tehoa.

Joten meidän on jatkettava kemiallisen propulsion käyttöä rakettien laukaisussa lähitulevaisuudessa. Mutta tämä muuttuu, kun raketti on kiertoradalla. Kun se on voittanut Maan painovoiman ja on avaruudessa, se on kuin vakionopeudensäätimen käyttämistä. Avaruusaluksen ohjaaminen avaruudessa vaatii suhteellisen vähän työntövoimaa, koska siinä ei ole ilmakitkaa tai alaspäin suuntautuvaa painovoimaa. Voit jopa hyödyntää läheisiltä planeetoilta ja kuiilta tulevia gravitaatiovoimia.

Joten erilainen propulsiojärjestelmä voi ottaa käyttöön tehokkaamman toiminnan.

Tehokkaampi vaihtoehto: Sähköinen propulsio

Kun raketti on kiertoradalla, sen on usein tehtävä lentorataa – pieniä säätöjä säätääkseen sen nopeutta ja varmistaakseen, että se on menossa oikeaan suuntaan. Tämä vaatii työntöjärjestelmän. "Tarvitset tuhansia newtoneja vain lentääksesi ajoneuvoa, päästäksesi pois nollanopeustilasta ja nostaaksesi sen ja päästäksesi yli kantamasi painon painovoiman. Siksi tarvitset suuren, suuren rakettijärjestelmän. Mutta ulommalla kiertoradalla sinulla ei ole enää gravitaatiovoimia, jotka vaikuttavat sinuun, sinulla on vain päätenopeus, jonka yrität voittaa, Ahmed selitti.

Ja on olemassa monia tapoja tuottaa voimaa, joka tarvitaan avaruusaluksen suunnan säätämiseen. "Työtyöntö on työntövoimaa", hän sanoi. "Pistät massaa. Heität pois massaa, joten se liikuttaa sinua vastakkaiseen suuntaan. Se on massan määrä ja kuinka nopeasti kulutat sen massan."

Pienissä satelliiteissa tai pienissä satelliiteissa usein käytetty tekniikka on sähkökäyttöinen propulsio. Ne käyttävät sähkövoimaa (usein kerätään aurinkopaneeleilla) ionisoidakseen kaasua. Tämä ionisoitu kaasu pakotetaan sitten ulos satelliitin takaosasta elektronisen tai magneettikentän avulla, jolloin syntyy työntövoima, joka liikuttaa avaruusalusta.

Tämä on erittäin tehokas järjestelmä, joka voi käyttää jopa 90 % vähemmän polttoainetta kuin kemiallinen propulsio.

"Sähkövoimalla massasi on hyvin pieni, etkä todellakaan tarvitse paljon nopeutta antaaksesi työntövoiman", Ahmed sanoi. Ja elektroniset propulsiojärjestelmät voivat ionisoida käytännöllisesti katsoen minkä tahansa materiaalin, joten ne voivat toimia kaiken käytettävissä olevan kanssa.

Elefantti huoneessa: Ydinvoima

Ihmiset ovat usein epämiellyttäviä ajatus ydinvoimasta avaruudessa. Ja ydinvoimaa käytettäessä, erityisesti miehistötehtävissä, on varmasti otettava huomioon turvallisuusnäkökohdat. Mutta ydinvoima voi olla vain se ässä, jonka avulla voimme vierailla kaukaisilla planeetoilla.

"Ydinvoima on itse asiassa erittäin tehokas", Ahmed selitti. Ydinpropulsiojärjestelmä toimii reaktorin kautta, joka tuottaa lämpöä, jota sitten käytetään lämmittämään ponneainetta, joka poistetaan työntövoiman luomiseksi. Se käyttää tätä ponneainetta paljon tehokkaammin kuin kemiallinen propulsio.

Ja se on kestävää, mikä on sen suuri etu. "Kemikaalipohjainen järjestelmä, poltat ponneainetta ja kulutat sitä, eikä sinulla ole sitä enää", Ahmed sanoi. "Päästät sen energian ja menetit sen. Ydinpohjaiseen järjestelmään verrattuna uraani tai plutonium, jota aiot käyttää, on olemassa, eikä se katoa. Se on kestävää, kun ylläpidät ydinreaktoriasi."

Vaikka tämä reaktio on kestävä, sen tuottama lämpö on silti kanavoitava massaksi. Et halua tyhjentää reaktiossa käytettyä uraania tai plutoniumia. Hyödyllistä on, että lämmitettävä materiaali voi olla käytännössä mitä tahansa kaasua tai kiinteää materiaalia, vaikka kaasu on parempi, koska se reagoi paremmin lämmölle.

Avaruudessa ei ole kaasuja käytettäväksi, joten sinun on silti otettava niitä mukaasi. Mutta planeetalla, jolla on ilmakehä, kuten Mars, voisi teoriassa käyttää helposti saatavilla olevia kaasuja, kuten hiilidioksidia, ponneaineena.

NASA tutkii parhaillaan ydinvoimajärjestelmiä erityisesti Marsiin. "NASA: n tavoitteena on minimoida miehistön matka-aika Maan ja Marsin välillä niin lähelle kahteen vuoteen kuin on käytännössä mahdollista. Avaruusydinpropulsiojärjestelmät voisivat mahdollistaa lyhyemmät kokonaistehtäväajat ja parantaa joustavuutta ja tehokkuutta operaation suunnittelijoille, virasto kirjoitti ydinjärjestelmistä. Mutta varmoja päätöksiä ei ole vielä tehty. "On liian aikaista sanoa, mikä propulsiojärjestelmä vie ensimmäiset astronautit Marsiin, koska jokainen lähestymistapa vaatii vielä merkittävää kehitystä."

Se ei ole yksi tai toinen; se on kaikki edellä mainitut

Olemme vielä hyvin varhaisessa suunnitteluvaiheessa miehistöineen Mars-matkan suunnittelussa. Meidän on otettava huomioon käytännön vaatimukset sekä tekijät, kuten kustannukset, kun suunnittelemme seuraavia vaiheitamme.

Ahmed ei usko, että yksi propulsiojärjestelmä tulee osoittautumaan massiivisesti paremmaksi kuin muut. Sen sijaan hän näkee yhdistelmän eri järjestelmiä, joita käytetään erityisten tehtävätarpeiden mukaan.

"Sanoisin, että kaikkia kolmea järjestelmää tarvitaan", hän selitti. "Sinulla ei ole täydellistä propulsiojärjestelmää, joka sopisi kaikkiin tehtäviisi." Vaikka on mahdollista käyttää kemiallista propulsiota mihin tahansa tehtävään, se on ei aina tarkoituksenmukaista – hän vertasi tätä viereiseen rakennukseen pääsemiseen Ferrarilla ja polttoaineen tuhlaamiseen, kun voit kävellä.

Miehistöillä Marsiin suuntautuvilla lennoilla "sinun on käytettävä ydinvoimaa, sinun on käytettävä sähköä ja kemikaalipohjaista, jota ilman et selviä", hän sanoi. Voit esimerkiksi käyttää sähkökäyttöistä propulsiojärjestelmää rahdin kuljettamiseen, kuten elinympäristöihin, käyttää ydinvoimaa perustaa luotettava välitysjärjestelmä Maan ja Marsin välille ja lähettää sitten astronautisi käyttämällä kemiallista propulsiota järjestelmä. Tämä johtuu siitä, että ihmiset ovat pohjimmiltaan mojovia laitteita. "Meidän massamme ei ole kevyttä!" hän sanoi. ”Meillä on merkittävä joukko massaa, jopa muutamalle henkilökunnalle. Siksi tarvitset tuota kemiallista propulsiovoimaa."

Olemmeko valmiita Marsiin?

Miehistöllisen Mars-matkan järjestäminen on monimutkaista. Mutta mitä tulee propulsiojärjestelmiin, meillä on tekniikka, jonka avulla voimme lähettää tehtävän sinne huomenna.

"Perinteiset 50-luvun rakettimoottorit vievät sinut sinne", Ahmed sanoi. Rajoittava tekijä osoittautuu jotain proosallisempaa. "Kysymys kuuluu, kuinka paljon se sinulle maksaa."

Rakettien lähettäminen Marsiin kemiallisiin propulsiojärjestelmiin on yksinkertaisesti erittäin kallista. Ja vaikka Marsin tutkimiseen on sekä julkinen että akateeminen halu, tällaiseen tehtävään käytettävissä oleva rahamäärä ei ole loputon. Siksi meidän on kehitettävä ja hyödynnettävä teknologioita, kuten sähkö- tai ydinvoimajärjestelmiä, jotta etsinnästä tulee edullisempaa.

Jopa kemialliseen propulsiokäyttöön teknologian kehitys, kuten pyörivät räjähdysmoottorit tai uudet polttoaineet, voivat auttaa vähentämään kustannuksia, mikä edistää tutkimusta. "Haasteena on kehittää teknisiä järjestelmiä, jotka ovat taloudellisempia kuin nykyiset rakettijärjestelmät", hän sanoi. "50-luvun tekniikka vie sinut Marsiin ilman ongelmia. Se on vain super, super kallista. Ja kukaan ei halua maksaa siitä. Mutta tekniikka on olemassa."

Toimittajien suositukset

• Kosmologinen työmatka: Hankala logistiikka ihmisten saattamiseksi Marsiin
• Astropsykologia: Kuinka pysyä järkevänä Marsissa
• Voimalaitokset muilla planeetoilla: Kuinka tuotamme sähköä Marsissa
• Nesteytys: kuinka tulevat uudisasukkaat luovat ja keräävät vettä Marsiin
• Astromaatalous: Kuinka kasvatamme satoja Marsissa