Usavršavanje pogona: Kako ćemo odvesti ljude na Mars

Budući da su nedavne misije na Mars, poput NASA-ine Perseverance, Hope iz UAE-a i kineske Tianwen-1 sve postigle porazan uspjeh, moglo bi vam se oprostiti ako mislite da je lako doći do Marsa. Ali postoji velika razlika između slanja rovera ili orbitera na crveni planet i slanja one vrste infrastrukture i tehnologije koja će nam trebati da tamo uspostavimo ljudsku prisutnost.

Kemijska propulzija nas je možda odvela u Sunčev sustav, ali za sljedeću fazu ljudskog istraživanje svemira, trebat će nam nove pogonske tehnologije kao dopuna onima koje smo koristili za posljednjih 50 godina. Kako bismo saznali detalje o tome kako bi mogao izgledati pogon za ekspediciju s posadom na Mars, razgovarali smo s Kareemom Ahmedom, izvanrednim profesorom na Odsjek za strojarstvo i zrakoplovno inženjerstvo Sveučilišta Centralne Floride i stručnjak za najsuvremeniju raketnu propulziju sustava.

Ovaj je članak dio Život na Marsu, serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Stari pouzdani: Sustavi kemijske propulzije koje sada koristimo

Da biste poslali raketu da poleti kroz Zemljinu atmosferu i van nje u svemir, potreban vam je veliki potisak. Morate se suprotstaviti ne samo trenju iz Zemljine atmosfere, već i značajnoj sili gravitacije, koja vuče objekte natrag na zemlju.

Od 1950-ih koristimo isti osnovni princip za pokretanje raketa, koji se zove kemijska propulzija. U biti, zapalite pogonsko gorivo (mješavina goriva i oksidansa) koje stvara toplinu. Ova toplina čini da se materijal unutar rakete širi, koji se zatim gura van iz stražnjeg dijela rakete. Ovo izbacivanje pogonskog goriva stvara potisak, koji gura raketu prema gore ogromnom snagom, i ova sila mu omogućuje da nadvlada učinke gravitacije i pobjegne u svemir izvan našeg planeta.

“Kemijski pogon je samo dodavanje topline pogonskom gorivu vrlo velikom brzinom. Taj pogonski plin, nakon što ga imate na stvarno visokoj temperaturi, širi se vrlo velikom brzinom,” objasnio je Ahmed. “Ta je brzina funkcija količine topline koju unosite. Zamislite to kao da kad dođe do eksplozije, imate ogromnu količinu plina koji se brzo kreće. I to je ta brzina.”

Ovo je velika prednost koju kemijski pogon ima u odnosu na druge vrste pogona koji se razmatraju: Brzina. Kemijski pogon pomaže raketama da idu jako, jako brzo. Ali to nije uvijek najučinkovitija opcija.

"Razmišljajte o tome kao o Priusu protiv Corvette", rekao je Ahmed. "Ako želite vrlo brzo stići od točke A do točke B, teško je nadmašiti pogon temeljen na kemikalijama." Međutim, kada želite biti učinkovitiji, drugi pogonski sustavi mogu doći na svoje. "Ako pokušavate doći od točke A do točke B razumnom brzinom, ali uz visoku učinkovitost, tada pogon na bazi kemikalija možda nije pravi alat."

Poboljšanje sustava kemijske propulzije

Princip kemijskog pogona možda je ostao isti zadnjih nekoliko desetljeća, ali to ne znači da nema poboljšanja u tehnologiji - kao što je istraživanje različitih vrsta goriva.

Učinkovitost vrsta goriva stvar je gustoće energije — koliko se energije može pohraniti određenom količinom goriva. Zato je teško koristiti nešto poput vodika kao gorivo, iako on oslobađa puno topline u kemijskim reakcijama, jer je tako lagan i ima malu gustoću. Teško je pohraniti puno vodika u malom prostoru, tako da to nije vrlo učinkovito gorivo.

Sadašnje rakete najčešće koriste goriva na bazi kerozina - u osnovi isto što i gorivo za mlazne motore - ali trenutno je veliko područje interesa usmjereno na goriva na bazi metana ili prirodnog plina. Ovo gorivo ne bi nužno bilo učinkovitije kao pogonsko gorivo, ali bi bilo znatno jeftinije jer prirodnog plina ima u izobilju i već imamo tehnologiju za njegovo prikupljanje.

"Kad bi SpaceX mogao koristiti prirodni plin za letenje svojim Falconom 9, imali bi puno ušteda i time ubrzali istraživanje svemira", rekao je Ahmed kao primjer. "Ako bismo mogli smanjiti troškove izlaska u vanjsku orbitu, to bi nam svemir učinilo dostupnijim."

Drugo područje istraživanja je poboljšanje samih motora. Ahmedov tim jedna je od nekoliko skupina koje rade na sustavu zvanom rotirajući detonacijski raketni motor, koji bi mogao generirati više snage s manje goriva u usporedbi s tradicionalnim motorima.

Pažljivim kontroliranjem količine vodika i kisika koji se unose u motor, tlak se može stvoriti učinkovitije. To može smanjiti veličinu raketnog motora eliminirajući potrebu za vrlo snažnim kompresorom, a također učinkovitije koristi gorivo. Tehnologija je na putu da uskoro postane upotrebljiva: Ahmed kaže da američke zračne snage planiraju testirati takav motor do 2025.

Zašto kemijski pogon ne ide nikamo

Za polijetanje sa Zemlje bitan je kemijski pogon. „Od razine tla, pogon temeljen na kemikalijama postaje kritičan jer vam je potrebna tolika količina snage da se ta težina skine s tla sve do veće nadmorske visine. Da prevlada gravitacijsku silu”, objasnio je Ahmed.

Iznio je primjer SpaceX-a. Kada tvrtka lansira raketu, zašto ne koristi električni sustav kakav je koristio Tesla? Dvije tvrtke su u vlasništvu iste osobe, Elona Muska, tako da sigurno mogu dijeliti tehnologije. Ali električni pogonski sustav ne može generirati količinu potiska potrebnu da se raketa odvoji od zemlje - on jednostavno ne proizvodi dovoljno snage.

Stoga ćemo morati nastaviti koristiti kemijski pogon za lansiranje raketa u doglednoj budućnosti. Ali to se mijenja kada je raketa u orbiti. Nakon što svlada Zemljinu gravitaciju i nađe se u svemiru, to je kao da koristi tempomat. Upravljanje svemirskom letjelicom u svemiru zahtijeva relativno mali potisak, budući da nema trenja zraka ili gravitacijske sile prema dolje. Možete čak iskoristiti gravitacijske sile s obližnjih planeta i mjeseca.

Dakle, drugačiji pogonski sustav može preuzeti za učinkovitije operacije.

Učinkovitija opcija: električni pogon

Jednom kada raketa bude u orbiti, često će trebati mijenjati putanju - male prilagodbe kako bi prilagodili svoju brzinu i osigurali da ide u pravom smjeru. Za to je potreban sustav potiska. “Potrebne su vam tisuće newtona samo da upravljate vozilom, da izađete iz stanja nulte brzine i da ga podignete i prevladate gravitacijsku silu težine koju nosite. Zato vam je potreban veliki, veliki raketni sustav. Ali u vanjskoj orbiti više nemate gravitacijskih sila koje utječu na vas, imate samo svoju krajnju brzinu koju pokušavate prevladati,” objasnio je Ahmed.

Postoji mnogo načina za generiranje sile potrebne za podešavanje kursa svemirske letjelice. "Potisak je potisak", rekao je. “Ubrizgavate masu. Odbacujete masu, dakle ona vas pokreće u suprotnom smjeru. To je količina mase i koliko brzo iscrpljujete tu masu.”

Tehnologija koja se često koristi u malim satelitima ili malim satelitima je električni pogon. Oni koriste električnu energiju (često prikupljenu pomoću solarnih ploča) za ionizaciju plinskog pogonskog goriva. Ovaj ionizirani plin se potom istiskuje iz stražnjeg dijela satelita pomoću elektroničkog ili magnetskog polja, stvarajući potisak koji pokreće letjelicu.

Ovo je iznimno učinkovit sustav koji može koristiti do 90% manje goriva nego kemijski pogon.

"Za električni pogon, vaša masa je vrlo mala i zapravo vam ne treba velika brzina da biste dobili potisak", rekao je Ahmed. A elektronički pogonski sustavi mogu ionizirati gotovo svaki materijal, tako da mogu raditi sa svime što je dostupno.

Slon u sobi: Nuklearni pogon

Ljudima je često neugodna ideja nuklearne energije u svemiru. I svakako postoje sigurnosni problemi koji se moraju uzeti u obzir kada se koristi nuklearna energija, posebno za misije s posadom. Ali nuklearni pogon mogao bi biti pravi as koji nam omogućuje da posjetimo daleke planete.

"Nuklearna energija je zapravo vrlo učinkovita", objasnio je Ahmed. Nuklearni pogonski sustav radi kroz reaktor koji stvara toplinu, koja se zatim koristi za zagrijavanje pogonskog goriva koje se izbacuje radi stvaranja potiska. Koristi ovo pogonsko gorivo daleko učinkovitije od pogona temeljenog na kemikalijama.

I održiv je, što je njegova velika prednost. "Sustav temeljen na kemikalijama, sagorijevate pogonsko gorivo i iscrpljujete ga, i više ga nemate", rekao je Ahmed. “Oslobodio si tu energiju i izgubio si je. Za razliku od nuklearnog sustava, uran ili plutonij koji ćete upotrijebiti postoji i neće nestati. Održivo je dok održavate svoju jezgru reaktora.”

Iako je ova reakcija održiva, ipak se toplina koju stvara i dalje treba usmjeriti u masu. Ne biste htjeli iscrpiti uran ili plutonij koji se koristi u reakciji. Korisno je to što materijal koji se zagrijava može biti praktički bilo koji plin ili krutina, iako je plin poželjniji jer bolje reagira na toplinu.

U svemiru nema plinova za korištenje, pa biste ih ipak trebali ponijeti sa sobom. Ali na planetu s atmosferom, poput Marsa, teoretski biste mogli koristiti lako dostupne plinove poput ugljičnog dioksida kao pogonsko gorivo.

NASA trenutno razmatra nuklearne pogonske sustave posebno za misije na Mars. “NASA-in cilj je minimizirati vrijeme putovanja posade između Zemlje i Marsa na dvije godine koliko je to praktično. Svemirski nuklearni pogonski sustavi mogli bi omogućiti kraće ukupno vrijeme misije i pružiti poboljšanu fleksibilnost i učinkovitost dizajnerima misija,” agencija pisao o nuklearnim sustavima. Ali još uvijek nisu donesene čvrste odluke. "Prerano je reći koji će pogonski sustav odvesti prve astronaute na Mars, budući da ostaje značajan razvoj potreban za svaki pristup."

Nije jedno ili drugo; to je sve od navedenog

Još uvijek smo u ranim fazama planiranja misije na Mars s posadom. Moramo uzeti u obzir praktične zahtjeve kao i čimbenike poput cijene kada je u pitanju planiranje naših sljedećih koraka.

Ahmed ne misli da će se jedan pogonski sustav pokazati znatno superiornijim od ostalih. Umjesto toga, on predviđa kombinaciju različitih sustava koji se koriste prema specifičnim potrebama misije.

"Rekao bih da će sva tri sustava biti potrebna", objasnio je. "Nemate savršen pogonski sustav koji odgovara svim vašim misijama." Iako je moguće koristiti kemijski pogon za bilo koju misiju, jest nije uvijek prikladno — usporedio je to s dolaskom do susjedne zgrade pomoću Ferrarija i trošenjem gomile goriva kada samo možete hodati.

Za misije s posadom na Mars, "morat ćete koristiti nuklearnu, morat ćete koristiti električnu i kemijsku bez koje ne možete pobjeći", rekao je. Na primjer, možete koristiti električni pogonski sustav za dostavu tereta poput staništa, koristiti nuklearni pogon postaviti pouzdani relejni sustav između Zemlje i Marsa, a zatim poslati svoje astronaute koristeći kemijski pogon sustav. To je zato što su ljudi, u biti, veliki komadi hardvera. “Naša masa nije svjetlo!” On je rekao. “Mi smo značajna masa, čak i za samo nekoliko ljudi. Stoga vam je potreban taj kemijski pogon.”

Jesmo li spremni za Mars?

Mnogo je složenosti oko organiziranja misije s posadom na Mars. Ali kada je riječ o pogonskim sustavima, imamo tehnologiju za slanje misije tamo sutra.

"Tradicionalni raketni motori iz 50-ih će vas dovesti tamo", rekao je Ahmed. Ispada da je ograničavajući faktor nešto prozaičnije. “Pitanje je koliko će vas to koštati.”

Slanje raketa na Mars pomoću kemijskih pogonskih sustava jednostavno je vrlo, vrlo skupo. I dok postoji i javni i akademski apetit za dodatnim istraživanjem Marsa, količina novca dostupna za takvu misiju nije beskonačna. Stoga ćemo morati razviti i iskoristiti tehnologije poput električnih ili nuklearnih pogonskih sustava kako bismo istraživanje učinili pristupačnijim.

Čak iu području pogona temeljenog na kemikalijama, razvoj tehnologije, poput rotacijskih detonacijskih motora ili novih goriva, može pomoći u smanjenju troškova, što će potaknuti više istraživanja. "Izazov je razvoj inženjerskih sustava koji su ekonomičniji od trenutnih raketnih sustava", rekao je. “Tehnologija 50-ih će vas odvesti na Mars bez problema. Jednostavno je super, super skupo. I nitko to neće htjeti platiti. Ali tehnologija je tu.”

Preporuke urednika

• Kozmološko putovanje na posao: Zamršena logistika slanja ljudi na Mars
• Astropsihologija: Kako ostati zdrav na Marsu
• Elektrane na drugim planetima: Kako ćemo proizvoditi električnu energiju na Marsu
• Žetva hidratacije: Kako će budući doseljenici stvarati i skupljati vodu na Marsu
• Astropoljoprivreda: Kako ćemo uzgajati usjeve na Marsu