השלמות הנעה: איך נביא בני אדם למאדים

מכיוון שהמשימות האחרונות למאדים, כמו ההתמדה של נאס"א, התקווה של איחוד האמירויות הערביות וה-Tianwen-1 של סין, כולן היו הצלחות מדהימות, אפשר לסלוח לך על המחשבה שההגעה למאדים היא קלה. אבל יש הבדל גדול בין שליחת רובר או מסלול לכוכב הלכת האדום לבין שליחת סוג התשתית והטכנולוגיה שנצטרך כדי להקים שם נוכחות אנושית.

הנעה כימית אולי הוציאה אותנו אל מערכת השמש, אבל לשלב הבא של האדם חקר החלל, נזדקק לטכנולוגיות הנעה חדשות כדי להשלים את אלו שהשתמשנו בהן 50 השנים האחרונות. כדי לקבל פרטים על איך עשויה להיראות הנעה של משלחת צוותת למאדים, שוחחנו עם כרים אחמד, פרופסור חבר ב המחלקה להנדסת מכונות וחלל באוניברסיטת מרכז פלורידה ומומחה להנעת רקטות חדשנית מערכות.

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים, סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים

ישן אמין: מערכות ההנעה הכימיות שבהן אנו משתמשים כעת

כדי לשלוח רקטה לטוס דרך האטמוספירה של כדור הארץ ולצאת לחלל שמעבר, אתה צריך הרבה דחף. אתה צריך לנטרל לא רק את החיכוך מהאטמוספירה של כדור הארץ, אלא גם את כוח הכבידה המשמעותי, שמושך עצמים בחזרה אל הקרקע.

מאז שנות ה-50, השתמשנו באותו עיקרון בסיסי להנעת רקטות, הנקרא הנעה כימית. בעיקרו של דבר, אתה מצית חומר הנעה (תערובת של דלק ומחמצן), שיוצר חום. חום זה גורם לחומר שבתוך הרקטה להתרחב, ולאחר מכן נדחק החוצה מהגב של הרקטה. הוצאת חומר הנעה זו יוצרת דחף, שדוחף את הרקטה כלפי מעלה בעוצמה אדירה, ו כוח זה מאפשר לו להתגבר על השפעות הכבידה ולברוח אל החלל שמעבר לכוכב הלכת שלנו.

"הנעה מבוססת כימיקלים היא רק הוספת חום לחומרי ההדף בקצבים ממש מהירים. הדחף הזה, ברגע שיש לך אותו בחום ממש גבוה, הוא מתרחב במהירות גבוהה מאוד", הסביר אחמד. "המהירות הזו היא פונקציה של כמות החום שאתה מכניס. אז תחשוב על זה כאילו כשיש לך פיצוץ, יש לך כמות עצומה של גז שזזה מהר. וזו המהירות".

זהו היתרון הגדול שיש להנעה כימית על פני סוגי הנעה אחרים הנחשבים: מהירות. הנעה כימית עוזרת לרקטות ללכת ממש ממש מהר. אבל זו לא תמיד האפשרות היעילה ביותר.

"תחשוב על זה כמו פריוס לעומת קורבט", אמר אחמד. "אם אתה רוצה להגיע מהר מאוד מנקודה A לנקודה B, קשה לנצח הנעה מבוססת כימיקלים." עם זאת, כאשר רוצים להיות יעילים יותר, מערכות הנעה אחרות יכולות לבוא לידי ביטוי. "אם אתה מנסה להגיע מנקודה A לנקודה B במהירות סבירה אך ביעילות גבוהה, אז אולי הנעה מבוססת כימיקלים לא היא הכלי הנכון."

שיפור מערכות הנעה כימיות

עקרון ההנעה הכימית אולי נשאר זהה בעשורים האחרונים, אבל זה זה לא אומר שלא מתבצעים שיפורים בטכנולוגיה - כמו מחקר על סוגים שונים של דלק.

היעילות של סוגי דלק היא עניין של צפיפות אנרגיה - כמה אנרגיה ניתן לאגור על ידי כמות מסוימת של דלק. זו הסיבה שקשה להשתמש במשהו כמו מימן כדלק, למרות שהוא משחרר הרבה חום בתגובות כימיות, כי הוא כל כך קל ובעל צפיפות נמוכה. קשה לאחסן הרבה מימן בכמות קטנה של שטח, כך שזה לא מייצר דלק יעיל במיוחד.

רקטות נוכחיות משתמשות לרוב בדלקים מבוססי נפט - בעצם אותו דבר כמו דלק סילוני - אבל תחום העניין הגדול כרגע הוא הסתכלות על דלקים מבוססי מתאן או גז טבעי. הדלק הזה לא בהכרח יהיה יעיל יותר כחומר הנעה, אבל הוא יהיה זול משמעותית מכיוון שגז טבעי יש בשפע וכבר יש לנו טכנולוגיה לאיסוף שלו.

"אם SpaceX הייתה יכולה להשתמש בגז טבעי כדי להטיס את ה-Falcon 9 שלהם, היו להם הרבה חיסכון ולכן מאיצים את חקר החלל", אמר אחמד כדוגמה. "אם נוכל להפחית את עלות היציאה למסלול החיצוני, זה הופך את החלל לאפשרי יותר עבורנו."

תחום מחקר נוסף הוא שיפור המנועים עצמם. הצוות של אחמד הוא אחת מכמה קבוצות שעובדות על מערכת הנקראת מנוע רקטות פיצוץ מסתובב, שיכול לייצר יותר כוח מפחות דלק בהשוואה למנועים מסורתיים.

על ידי שליטה קפדנית בכמות המימן והחמצן המוזנים למנוע, ניתן ליצור לחץ בצורה יעילה יותר. זה יכול להקטין את גודלו של מנוע רקטי על ידי ביטול הצורך במדחס חזק מאוד, והוא גם משתמש בדלק בצורה יעילה יותר. הטכנולוגיה בדרך להיות שמישה בקרוב: אחמד אומר שחיל האוויר האמריקני מתכנן לבדוק מנוע כזה עד 2025.

מדוע הנעה כימית לא הולכת לשום מקום

להמראה מכדור הארץ, הנעה מבוססת כימיקלים חיונית. "מגובה הקרקע, הנעה מבוססת כימיקלים הופכת קריטית מכיוון שאתה צריך את כמות הכוח הזו כדי להרחיק את המשקל הזה מהקרקע ועד לגובה רב יותר. להתגבר על כוח הכבידה", הסביר אחמד.

הוא העלה את הדוגמה של SpaceX. כשהחברה משגרת רקטה, מדוע היא לא משתמשת במערכת חשמלית כמו זו המשמשת את טסלה? שתי החברות נמצאות בבעלות אותו אדם, אילון מאסק, כך שבוודאי יוכלו לחלוק טכנולוגיות. אבל מערכת הנעה חשמלית לא יכולה לייצר את כמות הדחף הדרושה כדי להוריד רקטה מהקרקע - היא פשוט לא מפיקה מספיק כוח.

אז נצטרך להמשיך להשתמש בהנעה כימית לשיגור רקטות בעתיד הנראה לעין. אבל זה משתנה ברגע שרקטה נמצאת במסלול. ברגע שהוא התגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ ונמצא בחלל, זה כמו להשתמש בבקרת שיוט. שליטה בחללית בחלל דורשת דחף קטן יחסית, שכן אין חיכוך אוויר או משיכה כבידה כלפי מטה להתמודד איתם. אתה יכול אפילו לעשות שימוש בכוחות כבידה מכוכבי לכת וירחים קרובים.

כך שמערכת הנעה אחרת יכולה להשתלט על פעולות יעילות יותר.

אפשרות יעילה יותר: הנעה חשמלית

ברגע שרקטה נמצאת במסלול, היא תצטרך לעתים קרובות לבצע שינויים במסלול - התאמות קטנות כדי לכוונן את מהירותה ולהבטיח שהיא פונה בכיוון הנכון. זה דורש מערכת דחף. "אתה צריך אלפי ניוטון רק כדי להטיס רכב, כדי לצאת ממצב מהירות אפס ולעלות אותו ולעלות על כוח הכבידה של המשקל שאתה נושא. זו הסיבה שאתה צריך מערכת רקטות גדולה וגדולה. אבל במסלול החיצוני, אין לך כוחות כבידה שמשפיעים עליך יותר, יש לך רק את המהירות הסופית שלך שאתה מנסה להתגבר עליו", הסביר אחמד.

ויש הרבה דרכים לייצר את הכוח הדרוש כדי להתאים את מהלך החללית. "דחף הוא דחף," הוא אמר. "אתה מזריק מסה. אתה זורק מסה, לכן זה מזיז אותך בכיוון ההפוך. זו כמות המסה, וכמה מהר אתה ממצה את המסה הזו."

טכנולוגיה המשמשת לעתים קרובות בלוויינים קטנים, או smallsats, היא הנעה חשמלית. הם משתמשים בכוח חשמלי (לעתים קרובות נאסף באמצעות פאנלים סולאריים) כדי ליינן דלק גז. הגז המיונן הזה נאלץ לצאת מהחלק האחורי של הלוויין באמצעות שדה אלקטרוני או מגנטי, ויוצר דחף שמניע את החללית.

זוהי מערכת יעילה ביותר שיכולה להשתמש עד 90% פחות דלק מאשר הנעה כימית.

"להנעה חשמלית, המסה שלך קטנה מאוד ואתה לא באמת צריך הרבה מהירות כדי לתת לך את הדחף", אמר אחמד. ומערכות הנעה אלקטרוניות יכולות ליינן כמעט כל חומר, כך שהן יכולות לעבוד עם כל מה שזמין.

הפיל בחדר: הנעה גרעינית

לעתים קרובות אנשים מרגישים לא בנוח עם הרעיון של כוח גרעיני בחלל. ובהחלט יש דאגות בטיחות שיש לקחת בחשבון בעת ​​שימוש בכוח גרעיני, במיוחד עבור משימות צוותים. אבל הנעה גרעינית עשויה להיות רק האס שמאפשר לנו לבקר בכוכבי לכת רחוקים.

"גרעין הוא למעשה יעיל ביותר", הסביר אחמד. מערכת הנעה גרעינית פועלת דרך כור שמייצר חום, המשמש לאחר מכן לחימום חומר הנעה שנפלט ליצירת דחף. הוא משתמש בחומר ההנעה הזה ביעילות רבה יותר מאשר הנעה מבוססת כימיקלים.

וזה בר קיימא, וזה היתרון הגדול שלו. "מערכת מבוססת כימיקלים, אתה שורף חומר הנעה ומתיש אותו, ואין לך אותו יותר", אמר אחמד. "שחררת את האנרגיה הזו ואיבדת אותה. לעומת מערכת מבוססת גרעין, האורניום או הפלוטוניום שבהם אתה הולך להשתמש נמצא שם והוא לא הולך להיעלם. זה בר קיימא כשאתה מחזיק בכור הליבה שלך".

למרות שהתגובה הזו היא בת קיימא, החום שהיא מייצרת עדיין צריך להיות מתועל למסה. לא תרצו למצות את האורניום או הפלוטוניום המשמשים בתגובה. הדבר המועיל הוא שהחומר המתחמם יכול להיות כמעט כל גז או מוצק, אם כי גז עדיף מכיוון שהוא מגיב טוב יותר לחום.

בחלל, אין גזים לשימוש, אז אתה עדיין צריך להביא כמה איתך. אבל על כוכב לכת עם אטמוספירה, כמו מאדים, אתה יכול באופן תיאורטי להשתמש בגזים זמינים כמו פחמן דו חמצני כחומר הנעה.

נאס"א בוחנת כעת מערכות הנעה גרעיניות למשימות למאדים במיוחד. "המטרה של נאס"א היא למזער את הזמן שהצוות נוסע בין כדור הארץ למאדים לקרוב לשנתיים ככל שהדבר מעשי. מערכות הנעה גרעיניות בחלל יכולות לאפשר זמני משימה קצרים יותר ולספק גמישות ויעילות משופרים למתכנני המשימה", הסוכנות כתב על מערכות גרעיניות. אבל עדיין לא התקבלו החלטות מוצקות. "מוקדם מדי לומר איזו מערכת הנעה תיקח את האסטרונאוטים הראשונים למאדים, מכיוון שנותר פיתוח משמעותי הנדרש לכל גישה."

זה לא זה או אחר; זה כל האמור לעיל

אנחנו עדיין מאוד בשלבי תכנון מוקדמים של משימה צוותת למאדים. אנחנו צריכים לשקול דרישות מעשיות כמו גם גורמים כמו עלות כשמדובר בתכנון הצעדים הבאים שלנו.

אחמד לא חושב שמערכת הנעה אחת הולכת להוכיח את עצמה עדיפה באופן מסיבי על האחרות. במקום זאת, הוא רואה בעיני רוחו שילוב של מערכות שונות המשמשות בהתאם לצרכי המשימה הספציפיים.

"הייתי אומר שיהיה צורך בכל שלוש המערכות", הסביר. "אין לך מערכת הנעה מושלמת שמתאימה לכל המשימות שלך." אמנם אפשר להשתמש בהנעה כימית לכל משימה, אבל זה לא תמיד מתאים - הוא השווה את זה להגעה לבניין סמוך באמצעות פרארי ולבזבוז שלל דלק כשהיית יכול פשוט לָלֶכֶת.

עבור משימות צוות למאדים, "תצטרך להשתמש בגרעין, תצטרך להשתמש בחשמל ובכימיקלים שאתה לא יכול לברוח בלעדיו", אמר. לדוגמה, אתה יכול להשתמש במערכת הנעה חשמלית לאספקת מטען כמו בתי גידול, להשתמש בהנעה גרעינית להקים מערכת ממסר אמינה בין כדור הארץ למאדים, ולאחר מכן לשלוח את האסטרונאוטים שלך באמצעות הנעה כימית מערכת. זה בגלל שבני אדם הם, בעצם, חלקי חומרה נכבדים. "המסה שלנו אינה קלה!" הוא אמר. "אנחנו כמות משמעותית של מסה, אפילו רק עבור כמה עובדים. לכן אתה צריך את ההנעה המבוססת על כימיקלים."

האם אנחנו מוכנים למאדים?

ישנן מורכבויות רבות בארגון משימה עם צוות למאדים. אבל כשזה מגיע למערכות הנעה, יש לנו את הטכנולוגיה לשלוח לשם מחר משימה.

"מנועי הטילים המסורתיים מבוססי שנות ה-50 יביאו אותך לשם", אמר אחמד. הגורם המגביל מתברר כמשהו פרוזאי יותר. "השאלה היא כמה זה יעלה לך."

שליחת רקטות למאדים באמצעות מערכות הנעה מבוססות כימיקלים פשוט מאוד מאוד יקרה. ולמרות שיש גם תיאבון ציבורי וגם אקדמי לחקר נוסף של מאדים, כמות הכסף הזמינה למשימה כזו אינה אינסופית. לכן, נצטרך לפתח ולנצל טכנולוגיות כמו מערכות הנעה חשמליות או גרעיניות כדי להפוך את החקר למשתלם יותר.

אפילו בתחום ההנעה המבוססת על כימיקלים, פיתוחים בטכנולוגיה, כמו מנועי פיצוץ סיבובים או דלקים חדשים, יכולים לסייע בהפחתת עלויות, מה שיקדם יותר חיפושים. "האתגר הוא לפתח מערכות הנדסיות שהן חסכוניות יותר ממערכות הרקטות הנוכחיות", אמר. "טכנולוגיית שנות ה-50 תביא אותך למאדים ללא בעיה. זה פשוט סופר, סופר יקר. ואף אחד לא ירצה לשלם על זה. אבל הטכנולוגיה קיימת".

המלצות עורכים

• נסיעה קוסמולוגית: הלוגיסטיקה המסובכת של העלאת אנשים על מאדים
• אסטרופסיכולוגיה: איך להישאר שפוי על מאדים
• תחנות כוח בכוכבי לכת אחרים: איך ניצור חשמל על מאדים
• הידרציה לקציר: כיצד מתיישבים עתידיים ייצרו ויאספו מים על מאדים
• אסטרו חקלאות: איך נצמיח יבולים על מאדים