Menyempurnakan Propulsi: Bagaimana Kita Membawa Manusia ke Mars

Dengan misi baru-baru ini ke Mars, seperti Ketekunan NASA, Harapan UEA, dan Tianwen-1 China semuanya sukses besar, Anda dapat dimaafkan jika berpikir bahwa mencapai Mars itu mudah. Tapi ada perbedaan besar antara mengirim penjelajah atau pengorbit ke planet merah dan mengirim jenis infrastruktur dan teknologi yang kita perlukan untuk menghadirkan manusia di sana.

Propulsi kimia mungkin telah membawa kita keluar ke tata surya, tapi untuk fase manusia selanjutnya eksplorasi luar angkasa, kita memerlukan teknologi propulsi baru untuk melengkapi teknologi yang telah kita gunakan selama ini 50 tahun terakhir. Untuk mendapatkan perincian tentang seperti apa propulsi untuk ekspedisi berawak ke Mars, kami berbicara dengan Kareem Ahmed, profesor asosiasi di Departemen Teknik Mekanik dan Dirgantara University of Central Florida dan ahli dalam propulsi roket mutakhir sistem.

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars, seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars

Keandalan lama: Sistem propulsi kimiawi yang kita gunakan sekarang

Untuk mengirim roket terbang melalui atmosfer Bumi dan keluar ke luar angkasa, Anda membutuhkan banyak daya dorong. Anda tidak hanya perlu menangkal gesekan dari atmosfer bumi, tetapi juga gaya gravitasi yang signifikan, yang menarik benda kembali ke tanah.

Sejak tahun 1950-an, kami telah menggunakan prinsip dasar yang sama untuk menggerakkan roket, yang disebut propulsi kimiawi. Pada dasarnya, Anda menyalakan propelan (campuran bahan bakar dan oksidator), yang menghasilkan panas. Panas ini membuat material di dalam roket mengembang, yang kemudian terdorong keluar dari bagian belakang roket. Pengusiran propelan ini menciptakan daya dorong, yang mendorong roket ke atas dengan kekuatan yang luar biasa, dan gaya ini memungkinkannya untuk mengatasi efek gravitasi dan melarikan diri ke luar angkasa di luar planet kita.

“Propulsi berbahan kimia hanya menambahkan panas ke propelan dengan kecepatan sangat cepat. Propelan itu, setelah Anda memilikinya dengan panas yang sangat tinggi, ia mengembang dengan kecepatan yang sangat tinggi, ”jelas Ahmed. “Kecepatan itu adalah fungsi dari seberapa banyak panas yang Anda masukkan. Jadi anggap saja ketika Anda mengalami ledakan, Anda memiliki sejumlah besar gas yang bergerak cepat. Dan itulah kecepatannya.

Ini adalah keuntungan besar propulsi kimia dibandingkan jenis propulsi lain yang dipertimbangkan: Kecepatan. Propulsi kimia membantu roket melaju dengan sangat, sangat cepat. Tapi itu tidak selalu merupakan pilihan yang paling efisien.

“Anggap saja seperti Prius versus Corvette,” kata Ahmed. "Jika Anda ingin berpindah dari titik A ke titik B dengan sangat cepat, sulit untuk mengalahkan tenaga penggerak berbahan kimia." Namun, jika Anda ingin lebih efisien, sistem propulsi lain dapat digunakan sendiri. "Jika Anda mencoba untuk pergi dari titik A ke titik B dengan kecepatan yang masuk akal tetapi dengan efisiensi tinggi, propulsi berbahan kimia mungkin bukan alat yang tepat."

Meningkatkan sistem propulsi kimia

Prinsip propulsi kimia mungkin tetap sama selama beberapa dekade terakhir, tapi itu tidak berarti tidak ada peningkatan yang dilakukan pada teknologinya — seperti penelitian tentang jenis yang berbeda bahan bakar.

Efisiensi jenis bahan bakar adalah masalah kepadatan energi — berapa banyak energi yang dapat disimpan oleh sejumlah bahan bakar tertentu. Itu sebabnya sulit untuk menggunakan sesuatu seperti hidrogen sebagai bahan bakar, meskipun melepaskan banyak panas dalam reaksi kimia, karena sangat ringan dan memiliki kerapatan rendah. Sulit untuk menyimpan banyak hidrogen dalam ruang kecil, sehingga tidak menghasilkan bahan bakar yang sangat efisien.

Roket saat ini paling sering menggunakan bahan bakar berbasis minyak tanah - pada dasarnya sama dengan bahan bakar jet - tetapi area minat yang besar saat ini adalah melihat bahan bakar berbasis metana atau gas alam. Bahan bakar ini belum tentu lebih efektif sebagai propelan, tetapi akan jauh lebih murah karena gas alam melimpah dan kami sudah memiliki teknologi untuk mengumpulkannya.

“Jika SpaceX dapat menggunakan gas alam untuk menerbangkan Falcon 9 mereka, mereka akan memiliki banyak penghematan dan karenanya mempercepat eksplorasi ruang angkasa,” kata Ahmed sebagai contoh. “Jika kita dapat mengurangi biaya untuk mencapai orbit luar, itu membuat ruang angkasa lebih mudah dijangkau oleh kita.”

Bidang penelitian lainnya adalah meningkatkan mesin itu sendiri. Tim Ahmed adalah salah satu dari beberapa kelompok yang mengerjakan sistem yang disebut mesin roket detonasi berputar, yang dapat menghasilkan lebih banyak tenaga dari bahan bakar yang lebih sedikit dibandingkan dengan mesin tradisional.

Dengan hati-hati mengontrol jumlah hidrogen dan oksigen yang dimasukkan ke dalam mesin, tekanan dapat dibuat lebih efektif. Ini dapat mengurangi ukuran mesin roket dengan menghilangkan kebutuhan akan kompresor yang sangat bertenaga, dan juga menggunakan bahan bakar dengan lebih efisien. Teknologi ini akan segera dapat digunakan: Ahmed mengatakan Angkatan Udara AS berencana untuk menguji mesin semacam itu pada tahun 2025.

Mengapa propulsi kimia tidak ke mana-mana

Untuk lepas landas dari Bumi, propulsi berbasis kimia sangat penting. “Dari permukaan tanah, propulsi berbasis bahan kimia menjadi sangat penting karena Anda membutuhkan tenaga sebesar itu untuk mendorong beban itu dari permukaan tanah ke ketinggian yang lebih tinggi. Untuk mengatasi gaya gravitasi,” jelas Ahmed.

Dia mengemukakan contoh SpaceX. Ketika perusahaan meluncurkan roket, mengapa tidak menggunakan sistem kelistrikan seperti yang digunakan Tesla? Kedua perusahaan tersebut dimiliki oleh orang yang sama, Elon Musk, jadi tentunya mereka bisa berbagi teknologi. Tetapi sistem propulsi listrik tidak dapat menghasilkan jumlah daya dorong yang diperlukan untuk membuat roket lepas landas - itu tidak menghasilkan daya yang cukup.

Jadi kita harus terus menggunakan propulsi kimia untuk meluncurkan roket di masa mendatang. Tapi ini berubah begitu roket berada di orbit. Setelah mengatasi gravitasi bumi dan berada di luar angkasa, itu seperti menggunakan cruise control. Mengontrol pesawat ruang angkasa di ruang angkasa membutuhkan daya dorong yang relatif kecil, karena tidak ada gesekan udara atau tarikan gravitasi ke bawah yang harus dihadapi. Anda bahkan dapat memanfaatkan gaya gravitasi dari planet dan bulan terdekat.

Jadi sistem propulsi yang berbeda dapat mengambil alih operasi yang lebih efisien.

Pilihan yang lebih efisien: Propulsi listrik

Setelah roket berada di orbit, sering kali perlu melakukan perubahan lintasan - penyesuaian kecil untuk mengubah kecepatannya dan memastikannya mengarah ke arah yang benar. Ini membutuhkan sistem dorong. “Anda membutuhkan ribuan newton hanya untuk menerbangkan kendaraan, untuk keluar dari keadaan kecepatan nol dan untuk mengangkatnya serta mengatasi gaya gravitasi dari beban yang Anda bawa. Itu sebabnya Anda membutuhkan sistem roket yang sangat besar. Tetapi di orbit luar, Anda tidak memiliki gaya gravitasi yang memengaruhi Anda lagi, Anda hanya memiliki kecepatan terminal yang Anda coba atasi, ”jelas Ahmed.

Dan ada banyak cara untuk menghasilkan gaya yang dibutuhkan untuk menyesuaikan arah pesawat ruang angkasa. “Dorongan adalah dorongan,” katanya. “Anda menyuntikkan massa. Anda membuang massa, oleh karena itu massa bergerak ke arah yang berlawanan. Itu adalah jumlah massa, dan seberapa cepat Anda menghabiskan massa itu.”

Sebuah teknologi yang sering digunakan pada satelit kecil, atau satelit kecil, adalah propulsi listrik. Mereka menggunakan tenaga listrik (sering dikumpulkan menggunakan panel surya) untuk mengionisasi propelan gas. Gas terionisasi ini kemudian dipaksa keluar dari bagian belakang satelit menggunakan medan elektronik atau magnet, menciptakan daya dorong yang menggerakkan pesawat luar angkasa.

Ini adalah sistem yang sangat efisien yang dapat menggunakan hingga Bahan bakar 90% lebih sedikit daripada propulsi kimia.

“Untuk penggerak listrik, massa Anda sangat kecil dan Anda tidak benar-benar membutuhkan banyak kecepatan untuk memberi Anda daya dorong,” kata Ahmed. Dan sistem propulsi elektronik dapat mengionisasi hampir semua bahan, sehingga dapat bekerja dengan apa pun yang tersedia.

Gajah di dalam ruangan: Propulsi nuklir

Orang sering merasa tidak nyaman dengan gagasan tenaga nuklir di luar angkasa. Dan tentunya ada masalah keamanan yang harus diperhatikan saat menggunakan tenaga nuklir, terutama untuk misi berawak. Tapi propulsi nuklir mungkin saja menjadi kartu as yang memungkinkan kita mengunjungi planet yang jauh.

“Nuklir sebenarnya sangat efisien,” jelas Ahmed. Sistem propulsi nuklir bekerja melalui reaktor yang menghasilkan panas, yang kemudian digunakan untuk memanaskan propelan yang dikeluarkan untuk menciptakan daya dorong. Ini menggunakan propelan ini jauh lebih efisien daripada propulsi berbasis kimia.

Dan itu berkelanjutan, yang merupakan keuntungan besarnya. “Sistem berbasis bahan kimia, Anda membakar propelan dan menghabiskannya, dan Anda tidak lagi memilikinya,” kata Ahmed. “Anda melepaskan energi itu dan Anda kehilangannya. Dibandingkan dengan sistem berbasis nuklir, uranium atau plutonium yang akan Anda gunakan ada di sana dan tidak akan hilang. Ini berkelanjutan saat Anda mempertahankan reaktor inti Anda.

Meskipun reaksi ini berkelanjutan, namun panas yang dihasilkannya tetap perlu disalurkan menjadi massa. Anda tidak ingin menghabiskan uranium atau plutonium yang digunakan dalam reaksi. Hal yang membantu adalah bahwa bahan yang dipanaskan dapat berupa gas atau padatan apa saja, meskipun gas lebih disukai karena lebih baik merespon panas.

Di luar angkasa, tidak ada gas untuk digunakan, jadi Anda masih perlu membawanya. Tapi di planet dengan atmosfer, seperti Mars, secara teoritis Anda bisa menggunakan gas yang tersedia seperti karbon dioksida sebagai propelan.

NASA saat ini sedang mencari sistem propulsi nuklir untuk misi ke Mars secara khusus. “Tujuan NASA adalah untuk meminimalkan waktu perjalanan kru antara Bumi dan Mars hingga hampir dua tahun. Sistem propulsi nuklir luar angkasa dapat memungkinkan waktu misi total yang lebih singkat dan memberikan fleksibilitas dan efisiensi yang lebih baik bagi perancang misi,” agensi tersebut menulis tentang sistem nuklir. Tapi belum ada keputusan tegas yang dibuat. “Masih terlalu dini untuk mengatakan sistem propulsi apa yang akan membawa astronot pertama ke Mars, karena masih diperlukan pengembangan signifikan untuk setiap pendekatan.”

Itu bukan satu atau yang lain; itu semua di atas

Kami masih dalam tahap perencanaan awal misi berawak ke Mars. Kita perlu mempertimbangkan persyaratan praktis serta faktor seperti biaya saat merencanakan langkah selanjutnya.

Ahmed tidak berpikir bahwa satu sistem propulsi akan membuktikan dirinya jauh lebih unggul dari yang lain. Sebaliknya, dia membayangkan kombinasi dari berbagai sistem yang digunakan sesuai dengan kebutuhan misi tertentu.

“Saya akan mengatakan ketiga sistem akan dibutuhkan,” jelasnya. “Kamu tidak memiliki sistem propulsi sempurna yang sesuai dengan semua misimu.” Meskipun dimungkinkan untuk menggunakan propulsi kimia untuk misi apa pun, itu tidak selalu tepat — dia membandingkan ini dengan pergi ke gedung sebelah menggunakan Ferrari dan membuang banyak bahan bakar saat Anda bisa berjalan.

Untuk misi berawak ke Mars, "Anda harus menggunakan nuklir, Anda harus menggunakan listrik, dan bahan kimia yang tidak dapat Anda hindari," katanya. Misalnya, Anda mungkin menggunakan sistem propulsi listrik untuk mengirimkan kargo seperti habitat, gunakan propulsi nuklir untuk menyiapkan sistem relai yang andal antara Bumi dan Mars, lalu mengirim astronot Anda menggunakan propulsi kimia sistem. Itu karena manusia, pada dasarnya, adalah perangkat keras yang kuat. "Massa kita tidak ringan!" dia berkata. “Kami adalah massa yang signifikan, bahkan untuk beberapa personel saja. Oleh karena itu Anda membutuhkan tenaga penggerak berbahan kimia itu.”

Apakah kita siap untuk Mars?

Ada banyak kerumitan dalam mengatur misi berawak ke Mars. Namun jika menyangkut sistem propulsi, kami memiliki teknologi untuk mengirim misi ke sana besok.

“Motor roket tradisional berbasis tahun 50-an akan membawa Anda ke sana,” kata Ahmed. Faktor pembatas ternyata menjadi sesuatu yang lebih membosankan. "Pertanyaannya adalah berapa biayanya."

Mengirim roket ke Mars menggunakan sistem propulsi berbahan kimia sangat, sangat mahal. Dan meskipun ada keinginan publik dan akademisi untuk eksplorasi Mars lebih lanjut, jumlah uang yang tersedia untuk misi semacam itu tidak terbatas. Oleh karena itu, kita perlu mengembangkan dan mengeksploitasi teknologi seperti sistem propulsi listrik atau nuklir agar eksplorasi lebih terjangkau.

Bahkan di bidang propulsi berbasis bahan kimia, perkembangan teknologi, seperti mesin detonasi rotasi atau bahan bakar baru, dapat membantu mengurangi biaya, yang akan mendorong lebih banyak eksplorasi. “Tantangannya adalah mengembangkan sistem rekayasa yang lebih ekonomis daripada sistem roket saat ini,” ujarnya. “Teknologi tahun 50-an akan membawa Anda ke Mars tanpa masalah. Itu sangat, sangat mahal. Dan tidak ada yang mau membayar untuk itu. Tapi teknologinya ada di sana.”

Rekomendasi Editor

• Perjalanan kosmologis: Logistik rumit untuk menempatkan orang di Mars
• Astropsikologi: Cara tetap waras di Mars
• Pembangkit listrik di planet lain: Bagaimana kita akan menghasilkan listrik di Mars
• Memanen hidrasi: Bagaimana pemukim masa depan akan membuat dan mengumpulkan air di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita menanam tanaman di Mars