Doskonalenie napędu: jak zabierzemy ludzi na Marsa

Biorąc pod uwagę, że ostatnie misje na Marsa, takie jak Perseverance NASA, Hope ZEA i chińska Tianwen-1, odniosły miażdżący sukces, można wybaczyć myślenie, że dotarcie na Marsa jest łatwe. Istnieje jednak duża różnica między wysłaniem łazika lub orbitera na czerwoną planetę a wysłaniem infrastruktury i technologii, których będziemy potrzebować, aby tam umieścić ludzi.

Napęd chemiczny mógł zabrać nas do Układu Słonecznego, ale do następnej fazy człowieka eksploracji kosmosu, będziemy potrzebować nowych technologii napędowych, które uzupełnią te, których używamy do tej pory ostatnie 50 lat. Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat tego, jak mógłby wyglądać napęd ekspedycji załogowej na Marsa, rozmawialiśmy z Kareemem Ahmedem, profesorem nadzwyczajnym w na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej University of Central Florida oraz ekspertem w dziedzinie najnowocześniejszych napędów rakietowych systemy.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które pozwolą ludziom okupować Marsa

Stare niezawodne: chemiczne systemy napędowe, których używamy teraz

Aby wysłać rakietę lecącą w górę przez ziemską atmosferę i w kosmos, potrzebujesz dużego ciągu. Trzeba przeciwdziałać nie tylko tarciu atmosfery ziemskiej, ale także znacznej sile grawitacji, która ściąga obiekty z powrotem na ziemię.

Od lat pięćdziesiątych używamy tej samej podstawowej zasady do napędzania rakiet, zwanej napędem chemicznym. Zasadniczo zapalasz propelent (mieszankę paliwa i utleniacza), który wytwarza ciepło. Ciepło to powoduje rozszerzanie się materiału wewnątrz rakiety, który jest następnie wypychany z tyłu rakiety. To wyrzucenie paliwa tworzy ciąg, który popycha rakietę w górę z ogromną siłą i siła ta pozwala mu przezwyciężyć skutki grawitacji i uciec w przestrzeń poza naszą planetą.

„Napęd oparty na chemii polega na dodawaniu ciepła do materiałów pędnych w naprawdę szybkim tempie. Ten propelent, gdy ma się go w naprawdę wysokiej temperaturze, rozszerza się z bardzo dużą prędkością” – wyjaśnił Ahmed. „Ta prędkość jest funkcją ilości ciepła, które wprowadzasz. Więc pomyśl o tym tak, jakbyś miał eksplozję, masz ogromną ilość gazu, który porusza się szybko. I to jest prędkość.”

Jest to wielka przewaga napędu chemicznego nad innymi branymi pod uwagę rodzajami napędu: Szybkość. Napęd chemiczny pomaga rakietom lecieć naprawdę, bardzo szybko. Ale nie zawsze jest to najbardziej wydajna opcja.

„Pomyśl o tym jak o Priusie kontra Corvetcie” – powiedział Ahmed. „Jeśli chcesz bardzo szybko dostać się z punktu A do punktu B, trudno jest pokonać napęd chemiczny”. Jeśli jednak chcesz być bardziej wydajny, inne systemy napędowe mogą się przydać. „Jeśli próbujesz dostać się z punktu A do punktu B z rozsądną prędkością, ale z wysoką wydajnością, to napęd chemiczny może nie być właściwym narzędziem”.

Ulepszanie chemicznych układów napędowych

Zasada napędu chemicznego mogła pozostać taka sama przez ostatnie kilka dziesięcioleci, ale to nie oznacza, że ​​nie wprowadza się ulepszeń w technologii — takich jak badania różnych typów paliwa.

Efektywność rodzajów paliw zależy od gęstości energii — ile energii można zmagazynować przy określonej ilości paliwa. Dlatego trudno jest używać czegoś takiego jak wodór jako paliwa, mimo że uwalnia dużo ciepła w reakcjach chemicznych, ponieważ jest tak lekki i ma małą gęstość. Trudno jest przechowywać dużo wodoru na małej przestrzeni, więc nie jest to bardzo wydajne paliwo.

Obecne rakiety najczęściej wykorzystują paliwa na bazie nafty – w zasadzie to samo, co paliwo do silników odrzutowych – ale obecnie dużym obszarem zainteresowania są paliwa na bazie metanu lub gazu ziemnego. Paliwo to niekoniecznie byłoby bardziej skuteczne jako paliwo, ale byłoby znacznie tańsze, ponieważ gazu ziemnego jest pod dostatkiem i mamy już technologię jego pozyskiwania.

„Gdyby SpaceX mógł używać gazu ziemnego do latania Falconem 9, mieliby dużo oszczędności, a tym samym przyspieszyli eksplorację kosmosu” – powiedział Ahmed jako przykład. „Gdybyśmy mogli obniżyć koszty wydostania się na orbitę zewnętrzną, przestrzeń kosmiczna byłaby dla nas bardziej osiągalna”.

Kolejnym obszarem badań jest ulepszanie samych silników. Zespół Ahmeda jest jedną z kilku grup pracujących nad systemem zwanym silnikiem rakietowym z wirującą detonacją, który mógłby generować większą moc przy mniejszym zużyciu paliwa w porównaniu z tradycyjnymi silnikami.

Starannie kontrolując ilość wodoru i tlenu dostarczanych do silnika, można skuteczniej wytworzyć ciśnienie. Może to zmniejszyć rozmiar silnika rakietowego, eliminując potrzebę stosowania bardzo mocnej sprężarki, a także wydajniej zużywa paliwo. Technologia wkrótce stanie się użyteczna: Ahmed mówi, że Siły Powietrzne USA planują przetestować taki silnik do 2025 roku.

Dlaczego napęd chemiczny nigdzie się nie wybiera

Do startu z Ziemi niezbędny jest napęd chemiczny. „Z poziomu gruntu napęd chemiczny staje się krytyczny, ponieważ potrzebna jest taka moc, aby przenieść ten ciężar z ziemi na większą wysokość. Aby przezwyciężyć siłę grawitacji - wyjaśnił Ahmed.

Przywołał przykład SpaceX. Kiedy firma wystrzeliwuje rakietę, dlaczego nie korzysta z systemu elektrycznego, takiego jak używany przez Teslę? Obie firmy są własnością tej samej osoby, Elona Muska, więc z pewnością mogą dzielić się technologiami. Ale elektryczny układ napędowy nie jest w stanie wytworzyć siły ciągu potrzebnej do oderwania rakiety od ziemi — po prostu nie wytwarza wystarczającej mocy.

Dlatego w dającej się przewidzieć przyszłości będziemy musieli nadal używać napędu chemicznego do wystrzeliwania rakiet. Ale to się zmienia, gdy rakieta znajdzie się na orbicie. Gdy pokona grawitację Ziemi i znajdzie się w kosmosie, przypomina korzystanie z tempomatu. Sterowanie statkiem kosmicznym w kosmosie wymaga stosunkowo niewielkiego ciągu, ponieważ nie ma tarcia powietrza ani przyciągania grawitacyjnego skierowanego w dół. Możesz nawet wykorzystać siły grawitacyjne z pobliskich planet i księżyców.

Tak więc inny układ napędowy może przejąć kontrolę nad wydajniejszymi operacjami.

Bardziej wydajna opcja: napęd elektryczny

Gdy rakieta znajdzie się na orbicie, często będzie musiała dokonać zmian trajektorii — drobnych korekt w celu dostosowania jej prędkości i upewnienia się, że zmierza we właściwym kierunku. Wymaga to systemu ciągu. „Potrzebujesz tysięcy niutonów, aby latać pojazdem, wyjść ze stanu zerowej prędkości, podnieść go i pokonać siłę grawitacji ciężaru, który nosisz. Dlatego potrzebujesz dużego, dużego systemu rakietowego. Ale na orbicie zewnętrznej nie działają już na ciebie siły grawitacyjne, po prostu masz prędkość końcową, którą próbujesz pokonać” – wyjaśnił Ahmed.

Istnieje wiele sposobów na wygenerowanie siły potrzebnej do dostosowania kursu statku kosmicznego. — Pchnięcie to pchnięcie — powiedział. „Wstrzykujesz masę. Odrzucasz masę, dlatego porusza cię w przeciwnym kierunku. To ilość masy i to, jak szybko ją wyczerpujesz”.

Technologią często stosowaną w małych satelitach lub małych satelitach jest napęd elektryczny. Wykorzystują energię elektryczną (często gromadzoną za pomocą paneli słonecznych) do jonizacji gazu pędnego. Ten zjonizowany gaz jest następnie wypychany z tyłu satelity za pomocą pola elektronicznego lub magnetycznego, tworząc ciąg, który porusza statkiem kosmicznym.

Jest to niezwykle wydajny system, który może wykorzystać do 90% mniej paliwa niż napęd chemiczny.

„W przypadku napędu elektrycznego twoja masa jest bardzo mała i tak naprawdę nie potrzebujesz dużej prędkości, aby uzyskać ciąg” – powiedział Ahmed. A elektroniczne układy napędowe mogą jonizować praktycznie każdy materiał, więc mogą pracować z tym, co jest dostępne.

Słoń w pokoju: napęd jądrowy

Ludzie często czują się niekomfortowo z myślą o energii jądrowej w kosmosie. Z pewnością istnieją kwestie bezpieczeństwa, które należy wziąć pod uwagę podczas korzystania z energii jądrowej, zwłaszcza w przypadku misji z załogą. Ale napęd jądrowy może być po prostu asem, który pozwala nam odwiedzać odległe planety.

„Jądrowa jest w rzeczywistości bardzo wydajna” – wyjaśnił Ahmed. Jądrowy układ napędowy działa poprzez reaktor, który wytwarza ciepło, które jest następnie wykorzystywane do podgrzewania paliwa, które jest wyrzucane w celu wytworzenia ciągu. Wykorzystuje ten propelent znacznie wydajniej niż napęd chemiczny.

I jest trwały, co jest jego dużą zaletą. „System oparty na chemii, spalasz propelent i wyczerpujesz go, i już go nie masz” – powiedział Ahmed. „Uwolniłeś tę energię i ją straciłeś. W przeciwieństwie do systemu opartego na broni jądrowej, uran lub pluton, których zamierzasz użyć, są tam i nie znikną. Jest zrównoważony, ponieważ utrzymujesz swój główny reaktor. ”

Mimo że ta reakcja jest trwała, ciepło, które generuje, nadal musi być kierowane do masy. Nie chciałbyś wyczerpać uranu lub plutonu używanego w reakcji. Pomocne jest to, że ogrzewanym materiałem może być praktycznie dowolny gaz lub ciało stałe, chociaż preferowany jest gaz, ponieważ lepiej reaguje na ciepło.

W kosmosie nie ma gazów do wykorzystania, więc nadal musisz zabrać ze sobą trochę gazów. Ale na planecie z atmosferą, takiej jak Mars, teoretycznie można użyć łatwo dostępnych gazów, takich jak dwutlenek węgla, jako propelenta.

NASA bada obecnie systemy napędu jądrowego do misji na Marsa. „Celem NASA jest skrócenie czasu podróży załogi między Ziemią a Marsem do maksymalnie dwóch lat, na ile jest to praktyczne. Kosmiczne jądrowe systemy napędowe mogą umożliwić skrócenie całkowitego czasu trwania misji oraz zapewnić większą elastyczność i wydajność projektantom misji”, agencja pisał o systemach jądrowych. Ale nie ma jeszcze żadnych wiążących decyzji. „Jest zbyt wcześnie, aby powiedzieć, jaki system napędowy zabierze pierwszych astronautów na Marsa, ponieważ dla każdego podejścia wymagany jest znaczny rozwój”.

To nie jest ani jedno, ani drugie; to wszystko z powyższego

Nadal jesteśmy na bardzo wczesnym etapie planowania załogowej misji na Marsa. Planując kolejne kroki, musimy wziąć pod uwagę wymagania praktyczne, a także czynniki takie jak koszty.

Ahmed nie uważa, że ​​jeden system napędowy okaże się znacznie lepszy od innych. Zamiast tego przewiduje kombinację różnych systemów używanych zgodnie z konkretnymi potrzebami misji.

„Powiedziałbym, że wszystkie trzy systemy będą potrzebne” — wyjaśnił. „Nie masz idealnego układu napędowego, który pasowałby do wszystkich twoich misji”. Chociaż możliwe jest użycie napędu chemicznego do dowolnej misji, jest to możliwe nie zawsze właściwe — porównał to do dojechania ferrari do sąsiedniego budynku i zmarnowania kupy paliwa, kiedy można po prostu chodzić.

W przypadku misji załogowych na Marsa „będziesz musiał użyć energii jądrowej, elektrycznej i chemicznej, bez której nie możesz uciec” – powiedział. Na przykład możesz użyć elektrycznego układu napędowego do dostarczania ładunków, takich jak siedliska, użyć napędu jądrowego ustanowić niezawodny system przekaźnikowy między Ziemią a Marsem, a następnie wysłać swoich astronautów za pomocą napędu chemicznego system. To dlatego, że ludzie są w zasadzie potężnymi kawałkami sprzętu. „Nasza masa nie jest lekka!” powiedział. „Jesteśmy znaczną masą, nawet jak na zaledwie kilka osób. Dlatego potrzebujesz tego napędu opartego na chemii.

Czy jesteśmy gotowi na Marsa?

Organizowanie misji załogowej na Marsa wiąże się z wieloma zawiłościami. Ale jeśli chodzi o układy napędowe, mamy technologię, aby jutro wysłać tam misję.

„Dostarczą cię tam tradycyjne silniki rakietowe z lat 50.”, powiedział Ahmed. Czynnikiem ograniczającym okazuje się coś bardziej prozaicznego. „Pytanie brzmi, ile to będzie kosztować”.

Wysyłanie rakiet na Marsa za pomocą chemicznych systemów napędowych jest po prostu bardzo, bardzo drogie. I chociaż zarówno społeczeństwo, jak i środowisko akademickie ma apetyt na dalszą eksplorację Marsa, ilość pieniędzy dostępnych na taką misję nie jest nieskończona. Dlatego będziemy musieli opracować i wykorzystać technologie, takie jak elektryczne lub jądrowe systemy napędowe, aby eksploracja była bardziej przystępna cenowo.

Nawet w dziedzinie napędów chemicznych rozwój technologii, takich jak silniki z detonacją rotacyjną lub nowe paliwa, może pomóc obniżyć koszty, co zachęci do większej eksploracji. „Wyzwanie polega na opracowaniu systemów inżynieryjnych, które są bardziej ekonomiczne niż obecne systemy rakietowe” – powiedział. „Technologia z lat 50. zabierze Cię na Marsa bez problemu. To jest po prostu super, super drogie. I nikt nie będzie chciał za to płacić. Ale technologia istnieje”.

Zalecenia redaktorów

• Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka umieszczania ludzi na Marsie
• Astropsychologia: Jak zachować rozsądek na Marsie
• Elektrownie na innych planetach: jak będziemy generować energię elektryczną na Marsie
• Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie
• Astrorolnictwo: Jak będziemy uprawiać rośliny na Marsie