სრულყოფილება მოძრაობა: როგორ მივიყვანთ ადამიანებს მარსზე

მარსზე ბოლო მისიები, როგორიცაა NASA's Perseverance, UAE's Hope და China's Tianwen-1 ყველა წარმატებულად წარიმართა, თქვენ შეიძლება აპატიოთ ფიქრობთ, რომ მარსზე მოხვედრა ადვილია. მაგრამ დიდი განსხვავებაა წითელ პლანეტაზე როვერის ან ორბიტერის გაგზავნასა და ისეთი ინფრასტრუქტურისა და ტექნოლოგიის გაგზავნას შორის, რომელიც დაგვჭირდება იქ ადამიანის ყოფნის დასაყენებლად.

შესაძლოა ქიმიურმა მოძრაობამ მზის სისტემაში გამოგვიყვანოს, მაგრამ ადამიანის შემდეგი ეტაპისთვის კოსმოსის შესწავლით, ჩვენ დაგვჭირდება ახალი მამოძრავებელი ტექნოლოგიები, რათა შევავსოთ ის, რასაც ვიყენებდით ბოლო 50 წელი. დეტალების გასაგებად, თუ როგორი შეიძლება იყოს მარსზე ეკიპაჟის ექსპედიციის ძრავა, ჩვენ ვესაუბრეთ კარიმ აჰმედს, ასოცირებულ პროფესორს. ცენტრალური ფლორიდის უნივერსიტეტის მექანიკური და საჰაერო კოსმოსური ინჟინერიის დეპარტამენტი და უახლესი სარაკეტო ძრავის ექსპერტი სისტემები.

ეს სტატია არის ნაწილი სიცოცხლე მარსზე, 10 ნაწილისგან შემდგარი სერია, რომელიც იკვლევს უახლესი მეცნიერებისა და ტექნოლოგიებს, რომლებიც საშუალებას მისცემს ადამიანებს დაიკავონ მარსი

ძველი საიმედო: ქიმიური ამოძრავების სისტემები, რომლებსაც ახლა ვიყენებთ

რაკეტის გასაგზავნად, რომელიც დედამიწის ატმოსფეროში აფრინდება და კოსმოსში გადის, დიდი ბიძგი გჭირდებათ. თქვენ უნდა დაუპირისპირდეთ არა მხოლოდ დედამიწის ატმოსფეროს ხახუნს, არამედ გრავიტაციის მნიშვნელოვან ძალას, რომელიც აბრუნებს ობიექტებს მიწაზე.

1950-იანი წლებიდან ჩვენ ვიყენებდით იმავე ძირითად პრინციპს რაკეტების დასაყენებლად, რომელსაც ქიმიური ძრავა ეწოდება. არსებითად, თქვენ აანთებთ საწვავს (საწვავის და ჟანგვის ნარევი), რომელიც ქმნის სითბოს. ეს სიცხე აიძულებს რაკეტის შიგნით არსებულ მასალას ფართოვდეს, რომელიც შემდეგ გამოდის რაკეტის უკანა მხრიდან. საწვავის ეს გამოდევნა ქმნის ბიძგს, რომელიც უბიძგებს რაკეტას ზევით უზარმაზარი ძალით და ეს ძალა საშუალებას აძლევს მას გადალახოს გრავიტაციის ეფექტი და გაიქცეს ჩვენი პლანეტის მიღმა სივრცეში.

„ქიმიურ საშუალებებზე დაფუძნებული ძრავა უბრალოდ ამატებს სითბოს ძრავებს ძალიან სწრაფი ტემპებით. ეს საწვავი, როგორც კი ნამდვილად მაღალ სიცხეზე გაქვთ, ის ძალიან მაღალი სიჩქარით ფართოვდება“, - განმარტა აჰმედმა. ”ეს სიჩქარე დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენ სითბოს აყენებთ. ასე რომ, იფიქრეთ იმაზე, რომ როდესაც თქვენ გაქვთ აფეთქება, თქვენ გაქვთ დიდი რაოდენობით გაზი, რომელიც სწრაფად მოძრაობს. და ეს არის სიჩქარე. ”

ეს არის ქიმიურ ამძრავს დიდი უპირატესობა სხვა ტიპის ძრავებთან შედარებით, რომლებიც განიხილება: სიჩქარე. ქიმიური ძრავა ეხმარება რაკეტებს მართლაც, ძალიან სწრაფად სვლაში. მაგრამ ეს ყოველთვის არ არის ყველაზე ეფექტური ვარიანტი.

”იფიქრეთ იმაზე, როგორც პრიუსი კორვეტის წინააღმდეგ”, - თქვა აჰმედმა. „თუ გსურთ A წერტილიდან B წერტილამდე ძალიან სწრაფად მიხვიდეთ, ძნელია აჯობოთ ქიმიურ ძრავას“. თუმცა, როდესაც გსურთ იყოთ უფრო ეფექტურები, სხვა მამოძრავებელი სისტემები შეიძლება გამოიყენონ. „თუ თქვენ ცდილობთ A წერტილიდან B წერტილამდე მიხვიდეთ გონივრული სიჩქარით, მაგრამ მაღალი ეფექტურობით, მაშინ ქიმიურზე დაფუძნებული ამძრავი შეიძლება არ იყოს სწორი ინსტრუმენტი.

ქიმიური ამოძრავების სისტემების გაუმჯობესება

ქიმიური ძრავის პრინციპი შეიძლება იგივე დარჩა ბოლო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში, მაგრამ ეს არ ნიშნავს, რომ ტექნოლოგიაში არ ხდება გაუმჯობესებები – როგორიცაა სხვადასხვა ტიპის კვლევა საწვავის.

საწვავის ტიპების ეფექტურობა არის ენერგიის სიმკვრივის საკითხი - რამდენი ენერგია შეიძლება შეინახოს საწვავის გარკვეული რაოდენობით. ამიტომ ძნელია წყალბადის მსგავსი ნივთიერების გამოყენება საწვავად, მიუხედავად იმისა, რომ ის ათავისუფლებს უამრავ სითბოს ქიმიურ რეაქციებში, რადგან ის ძალიან მსუბუქია და აქვს დაბალი სიმკვრივე. ძნელია დიდი რაოდენობით წყალბადის შენახვა მცირე სივრცეში, ამიტომ ეს არ იძლევა ძალიან ეფექტურ საწვავს.

ამჟამინდელი რაკეტები ყველაზე ხშირად იყენებენ ნავთის საწვავს - ძირითადად იგივეა, რაც თვითმფრინავის საწვავი - მაგრამ ახლა ყველაზე დიდი ინტერესის სფერო მეთანზე ან ბუნებრივ აირზე დაფუძნებულ საწვავს ეხება. ეს საწვავი სულაც არ იქნება უფრო ეფექტური, როგორც საწვავი, მაგრამ გაცილებით იაფი იქნება, რადგან ბუნებრივი აირი უხვადაა და ჩვენ უკვე გვაქვს მისი შეგროვების ტექნოლოგია.

„SpaceX-ს რომ შეეძლო ბუნებრივი აირის გამოყენება Falcon 9-ით ფრენისთვის, მათ ექნებათ ბევრი დანაზოგი და, შესაბამისად, დააჩქარებდნენ კოსმოსის შესწავლას“, - თქვა აჰმედმა მაგალითად. ”თუ ჩვენ შევძლებთ გარე ორბიტაზე გასვლის ხარჯების შემცირებას, ეს სივრცეს უფრო ხელმისაწვდომს გახდის ჩვენთვის.”

კვლევის კიდევ ერთი სფეროა თავად ძრავების გაუმჯობესება. აჰმედის გუნდი ერთ-ერთია იმ რამდენიმე ჯგუფიდან, რომელიც მუშაობს სისტემაზე, რომელსაც ეწოდება მბრუნავი დეტონაციური სარაკეტო ძრავა, რომელსაც შეუძლია უფრო მეტი ძალა გამოიმუშაოს ნაკლები საწვავისგან ტრადიციულ ძრავებთან შედარებით.

წყალბადისა და ჟანგბადის ოდენობის გულდასმით კონტროლით, რომელიც ძრავში იკვებება, წნევა შეიძლება უფრო ეფექტურად შეიქმნას. ამან შეიძლება შეამციროს სარაკეტო ძრავის ზომა ძალიან მძლავრი კომპრესორის საჭიროების აღმოსაფხვრელად და ასევე საწვავს უფრო ეფექტურად იყენებს. ტექნოლოგია მალე გამოსაყენებლად მიდის: აჰმედი ამბობს, რომ აშშ-ის საჰაერო ძალები გეგმავს ასეთი ძრავის გამოცდას 2025 წლისთვის.

რატომ არ მიდის ქიმიური ძრავა არსად?

დედამიწიდან ასაფრენად ქიმიურ ბაზაზე დაფუძნებული ძრავა აუცილებელია. „მიწის დონიდან, ქიმიურ საყრდენზე დაფუძნებული ძრავა კრიტიკული ხდება, რადგან თქვენ გჭირდებათ ამდენი ძალა იმისთვის, რომ ეს წონა მიწიდან მაღლა ასწიოთ მაღალ სიმაღლეზე. გრავიტაციული ძალის დასაძლევად“, - განმარტა აჰმედმა.

მან მოიყვანა SpaceX-ის მაგალითი. როდესაც კომპანია რაკეტას უშვებს, რატომ არ იყენებს ისეთ ელექტრო სისტემას, როგორსაც ტესლა იყენებს? ორი კომპანია ეკუთვნის ერთსა და იმავე პიროვნებას, ელონ მასკს, ასე რომ, რა თქმა უნდა, მათ შეეძლოთ ტექნოლოგიების გაზიარება. მაგრამ ელექტრული მამოძრავებელი სისტემა ვერ გამოიმუშავებს იმ რაოდენობის ბიძგს, რომელიც საჭიროა რაკეტის მიწიდან ამოსაღებად - ის უბრალოდ არ გამოიმუშავებს საკმარის ძალას.

ასე რომ, ჩვენ უნდა გავაგრძელოთ ქიმიური ძრავის გამოყენება რაკეტების გასაშვებად უახლოეს მომავალში. მაგრამ ეს იცვლება მას შემდეგ, რაც რაკეტა ორბიტაზე მოხვდება. მას შემდეგ რაც გადალახავს დედამიწის გრავიტაციას და კოსმოსში მოხვდება, კრუიზ კონტროლის გამოყენებას ჰგავს. კოსმოსში კოსმოსური ხომალდის კონტროლი მოითხოვს შედარებით მცირე ბიძგს, რადგან არ არსებობს ჰაერის ხახუნი ან დაღმავალი გრავიტაციული მიზიდულობა. თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ გრავიტაციული ძალები ახლომდებარე პლანეტებიდან და მთვარეებიდან.

ასე რომ, სხვა მამოძრავებელ სისტემას შეუძლია უფრო ეფექტური ოპერაციების შესრულება.

უფრო ეფექტური ვარიანტი: ელექტროძრავა

მას შემდეგ, რაც რაკეტა ორბიტაზე მოხვდება, მას ხშირად ჭირდება ტრაექტორიის ცვლილებები - მცირე კორექტირება, რათა შეცვალოს მისი სიჩქარე და უზრუნველყოს ის სწორი მიმართულებით. ეს მოითხოვს საყრდენ სისტემას. ”თქვენ გჭირდებათ ათასობით ნიუტონი მხოლოდ იმისთვის, რომ სატრანსპორტო საშუალების ასაფრენად, ნულოვანი სიჩქარის მდგომარეობიდან გადმოსასვლელად და ასასვლელად და გადალახოთ წონის მიზიდულობის ძალა, რომელსაც თქვენ ატარებთ. ამიტომ გჭირდებათ დიდი, დიდი სარაკეტო სისტემა. მაგრამ გარე ორბიტაზე, თქვენ აღარ გაქვთ გრავიტაციული ძალები, რომლებიც გავლენას ახდენენ თქვენზე, თქვენ უბრალოდ გაქვთ თქვენი ტერმინალური სიჩქარე, რომლის გადალახვას ცდილობთ“, - განმარტა აჰმედმა.

და არსებობს უამრავი გზა კოსმოსური ხომალდის კურსის რეგულირებისთვის საჭირო ძალის შესაქმნელად. „თრუსტი დარტყმაა“, თქვა მან. „შენ მასას ატარებ. თქვენ აგდებთ მასას, ამიტომ ის საპირისპირო მიმართულებით გიბიძგებთ. ეს არის მასის რაოდენობა და რამდენად სწრაფად ამოწურავთ ამ მასას“.

ტექნოლოგია, რომელიც ხშირად გამოიყენება პატარა თანამგზავრებში, ან პატარა სკამები, არის ელექტროძრავა. ისინი იყენებენ ელექტროენერგიას (ხშირად გროვდება მზის პანელების გამოყენებით) გაზის საწვავის იონიზაციისთვის. ეს იონიზებული გაზი შემდეგ იძულებით გამოდის სატელიტის უკანა მხარეს ელექტრონული ან მაგნიტური ველის გამოყენებით, რაც ქმნის ბიძგს, რომელიც მოძრაობს კოსმოსურ ხომალდს.

ეს არის ძალიან ეფექტური სისტემა, რომლის გამოყენება შესაძლებელია მდე 90%-ით ნაკლები საწვავი ვიდრე ქიმიური ძრავა.

”ელექტრული ძრავისთვის, თქვენი მასა ძალიან მცირეა და თქვენ ნამდვილად არ გჭირდებათ დიდი სიჩქარე, რათა მოგცეთ ბიძგი”, - თქვა აჰმედმა. ელექტროძრავის სისტემებს შეუძლიათ პრაქტიკულად ნებისმიერი მასალის იონიზაცია, ასე რომ მათ შეუძლიათ იმუშაონ ყველაფერთან, რაც ხელმისაწვდომია.

სპილო ოთახში: ბირთვული ძრავა

ადამიანებს ხშირად უხერხულნი არიან კოსმოსში ბირთვული ენერგიის იდეით. და, რა თქმა უნდა, არსებობს უსაფრთხოების საკითხები, რომლებიც გასათვალისწინებელია ბირთვული ენერგიის გამოყენებისას, განსაკუთრებით ეკიპაჟის მისიებისთვის. მაგრამ ბირთვული მოძრაობა შეიძლება იყოს ის ტუზი, რომელიც საშუალებას გვაძლევს მოვინახულოთ შორეული პლანეტები.

"ბირთვული რეალურად ძალიან ეფექტურია", - განმარტა აჰმედმა. ბირთვული მამოძრავებელი სისტემა მუშაობს რეაქტორის მეშვეობით, რომელიც წარმოქმნის სითბოს, რომელიც შემდეგ გამოიყენება საწვავის გასათბობად, რომელიც გამოიდევნება ბიძგის შესაქმნელად. ის ამ საწვავს ბევრად უფრო ეფექტურად იყენებს, ვიდრე ქიმიურ ძრავას.

და ის მდგრადია, რაც მისი დიდი სარგებელია. ”ქიმიურ სისტემაზე დაფუძნებული სისტემა, თქვენ წვავთ საწვავს და ამოწურავთ მას და აღარ გაქვთ ის”, - თქვა აჰმედმა. ”თქვენ გაათავისუფლეთ ეს ენერგია და დაკარგეთ იგი. ბირთვულ სისტემაზე დაფუძნებული სისტემის წინააღმდეგ, ურანი ან პლუტონიუმი, რომელსაც თქვენ გამოიყენებთ, არის და ის არ გაქრება. ეს მდგრადია, რადგან თქვენ ინარჩუნებთ თქვენს ძირითად რეაქტორს. ”

მიუხედავად იმისა, რომ ეს რეაქცია მდგრადია, მასში წარმოქმნილი სითბო მაინც უნდა გადაიტანოს მასაში. თქვენ არ გსურთ გამოწუროთ რეაქციაში გამოყენებული ურანი ან პლუტონიუმი. სასარგებლო ის არის, რომ გაცხელებული მასალა შეიძლება იყოს პრაქტიკულად ნებისმიერი აირი ან მყარი, თუმცა გაზი სასურველია, რადგან ის უკეთესად რეაგირებს სიცხეზე.

სივრცეში არ არის გამოსაყენებელი აირები, ასე რომ თქვენ მაინც დაგჭირდებათ თან წაიღოთ. მაგრამ ატმოსფეროს მქონე პლანეტაზე, როგორიცაა მარსი, თეორიულად შეგიძლიათ გამოიყენოთ ადვილად ხელმისაწვდომი აირები, როგორიცაა ნახშირორჟანგი, როგორც ძრავა.

NASA ამჟამად ეძებს ბირთვული ძრავის სისტემებს მარსზე მისიებისთვის. „NASA-ს მიზანია მინიმუმამდე დაიყვანოს ეკიპაჟის დედამიწასა და მარსს შორის მოგზაურობის დრო ორ წლამდე, რაც პრაქტიკულია. კოსმოსური ბირთვული ამოძრავების სისტემებს შეუძლიათ მისიის მთლიანი დროის მოკლე დრო და უზრუნველყონ მისიის დიზაინერებისთვის გაძლიერებული მოქნილობა და ეფექტურობა. წერდა ბირთვული სისტემების შესახებ. მაგრამ მტკიცე გადაწყვეტილებები ჯერ არ არის მიღებული. „ძალიან ადრეა იმის თქმა, თუ რა ძრავის სისტემა მიიყვანს პირველ ასტრონავტებს მარსზე, რადგან რჩება მნიშვნელოვანი განვითარება, რომელიც საჭიროა თითოეული მიდგომისთვის“.

ეს არ არის არც ერთი და არც მეორე; ეს არის ყოველივე ზემოთქმული

ჩვენ ჯერ კიდევ ძალიან ადრე ვართ მარსზე ეკიპაჟის მისიის დაგეგმვის ეტაპებზე. ჩვენ უნდა გავითვალისწინოთ პრაქტიკული მოთხოვნები, ისევე როგორც ფაქტორები, როგორიცაა ღირებულება, როდესაც საქმე ეხება ჩვენი შემდეგი ნაბიჯების დაგეგმვას.

აჰმედი არ ფიქრობს, რომ ერთი მამოძრავებელი სისტემა სხვებზე მასიურად აღმატებული იქნება. ამის ნაცვლად, ის ითვალისწინებს სხვადასხვა სისტემების კომბინაციას, რომელიც გამოიყენება კონკრეტული მისიის საჭიროებების შესაბამისად.

”მე ვიტყოდი, რომ სამივე სისტემა იქნება საჭირო,” - განმარტა მან. ”თქვენ არ გაქვთ სრულყოფილი მამოძრავებელი სისტემა, რომელიც მოერგება თქვენს ყველა მისიას.” მიუხედავად იმისა, რომ შესაძლებელია ქიმიური ძრავის გამოყენება ნებისმიერი მისიისთვის, ეს ასეა ყოველთვის არ არის მიზანშეწონილი - მან ეს შეადარა მეზობელ კორპუსში ფერარის გამოყენებით მისვლას და საწვავის ფლანგვას, როცა უბრალოდ შეგეძლო ფეხით.

მარსზე ეკიპაჟის მქონე მისიებისთვის, „თქვენ მოგიწევთ ბირთვული, ელექტროენერგიის გამოყენება და ქიმიურ ბაზაზე, რომლის გარეშეც არ შეგიძლიათ გაქცევა“, - თქვა მან. მაგალითად, თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ელექტრული მამოძრავებელი სისტემა ტვირთის მიწოდებისთვის, როგორიცაა ჰაბიტატი, გამოიყენეთ ბირთვული მოძრაობა დააყენეთ საიმედო სარელეო სისტემა დედამიწასა და მარსს შორის და შემდეგ გაგზავნეთ თქვენი ასტრონავტები ქიმიური ძრავის გამოყენებით სისტემა. ეს იმიტომ, რომ ადამიანები, არსებითად, მძიმე აპარატურაა. ”ჩვენი მასა არ არის მსუბუქი!” მან თქვა. ”ჩვენ ვართ მნიშვნელოვანი მასა, თუნდაც მხოლოდ რამდენიმე პერსონალისთვის. ამიტომ თქვენ გჭირდებათ ეს ქიმიკაზე დაფუძნებული ძრავა. ”

მზად ვართ მარსისთვის?

მარსზე ეკიპაჟის მისიის მოწყობასთან დაკავშირებით ბევრი სირთულეა. მაგრამ რაც შეეხება მამოძრავებელ სისტემებს, ჩვენ გვაქვს ტექნოლოგია ხვალ იქ მისიის გაგზავნისთვის.

”50-იანი წლების ტრადიციული სარაკეტო ძრავები მიგიყვანთ იქ”, - თქვა აჰმედმა. შემზღუდველი ფაქტორი რაღაც უფრო პროზაული გამოდის. ”საკითხავია, რამდენი დაგიჯდებათ.”

მარსზე რაკეტების გაგზავნა ქიმიურ სავალუტო სისტემების გამოყენებით უბრალოდ ძალიან, ძალიან ძვირია. და მიუხედავად იმისა, რომ არსებობს როგორც საზოგადოების, ასევე აკადემიური მადა მარსის მეტი გამოკვლევისთვის, ასეთი მისიისთვის ხელმისაწვდომი თანხის რაოდენობა უსასრულო არ არის. აქედან გამომდინარე, ჩვენ უნდა შევიმუშაოთ და გამოვიყენოთ ისეთი ტექნოლოგიები, როგორიცაა ელექტრო ან ატომური მამოძრავებელი სისტემები, რათა კვლევა უფრო ხელმისაწვდომი გავხადოთ.

ქიმიურ ძრავებზე დაფუძნებული ძრავის სფეროშიც კი, ტექნოლოგიების განვითარება, როგორიცაა ბრუნვითი დეტონაციის ძრავები ან ახალი საწვავი, შეიძლება დაეხმაროს ხარჯების შემცირებას, რაც ხელს შეუწყობს უფრო მეტ კვლევას. ”გამოწვევა არის საინჟინრო სისტემების განვითარება, რომლებიც უფრო ეკონომიურია, ვიდრე დღევანდელი სარაკეტო სისტემები,” - თქვა მან. „50-იანი წლების ტექნოლოგია უპრობლემოდ მიგიყვანთ მარსზე. ეს უბრალოდ სუპერ, სუპერ ძვირია. და არავის არ სურს ამის გადახდა. მაგრამ ტექნოლოგია არსებობს. ”

რედაქტორების რეკომენდაციები

• კოსმოლოგიური მგზავრობა: მარსზე ადამიანების დაყენების რთული ლოგისტიკა
• ასტროფსიქოლოგია: როგორ შევინარჩუნოთ გონება მარსზე
• ელექტროსადგურები სხვა პლანეტებზე: როგორ გამოვიმუშავებთ ელექტროენერგიას მარსზე
• მოსავლის დატენიანება: როგორ შექმნიან და შეაგროვებენ წყალს მარსზე მომავალი დევნილები
• ასტროსოფლის მეურნეობა: როგორ მოვიყვანთ ნათესებს მარსზე