Perfecționarea propulsiei: cum vom duce oamenii pe Marte

Având în vedere că misiunile recente pe Marte, cum ar fi Perseverența NASA, Speranța din Emiratele Arabe Unite și Tianwen-1 din China, toate sunt succese zdrobitoare, ați putea fi iertat că credeți că ajungeți pe Marte este ușor. Dar există o mare diferență între a trimite un rover sau orbiter pe planeta roșie și a trimite tipul de infrastructură și tehnologie de care vom avea nevoie pentru a stabili o prezență umană acolo.

Este posibil ca propulsia chimică să ne fi scos în sistemul solar, dar pentru următoarea fază a omului explorarea spațiului, vom avea nevoie de noi tehnologii de propulsie pentru a le completa pe cele pe care le-am folosit pentru ultimii 50 de ani. Pentru a obține detalii despre cum ar putea arăta o propulsie pentru o expediție cu echipaj pe Marte, am vorbit cu Kareem Ahmed, profesor asociat la Departamentul de Inginerie Mecanică și Aerospațială a Universității din Florida Centrală și un expert în propulsia rachetelor de ultimă oră sisteme.

Acest articol face parte din Viata pe Marte, o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Vechi fiabil: sistemele de propulsie chimică pe care le folosim acum

Pentru a trimite o rachetă să zboare în sus prin atmosfera Pământului și în spațiu dincolo, aveți nevoie de multă forță. Trebuie să contracarați nu numai frecarea din atmosfera Pământului, ci și forța semnificativă a gravitației, care trage obiectele înapoi pe sol.

Din anii 1950, am folosit același principiu de bază pentru a alimenta rachetele, numit propulsie chimică. În esență, aprindeți un propulsor (un amestec de combustibil și un oxidant), care creează căldură. Această căldură face ca materialul din interiorul rachetei să se extindă, care este apoi împins afară din spatele rachetei. Această expulzare a propulsorului creează o tracțiune, care împinge racheta în sus cu o forță extraordinară și această forță îi permite să depășească efectele gravitației și să evadeze în spațiul dincolo de planeta noastră.

„Propulsiunea pe bază de substanțe chimice adaugă doar căldură la propulsori la viteze foarte rapide. Acel propulsor, odată ce îl ai la o căldură foarte mare, se extinde cu o viteză foarte mare”, a explicat Ahmed. „Acea viteză este o funcție de cantitatea de căldură pe care o puneți. Așa că gândiți-vă la asta ca atunci când aveți o explozie, aveți o cantitate masivă de gaz care se mișcă rapid. Și aceasta este viteza.”

Acesta este marele avantaj pe care îl are propulsia chimică față de alte tipuri de propulsie fiind luate în considerare: Viteza. Propulsia chimică ajută rachetele să meargă foarte, foarte repede. Dar nu este întotdeauna cea mai eficientă opțiune.

„Gândește-te la asta ca la un Prius versus o Corvette”, a spus Ahmed. „Dacă vrei să ajungi foarte repede de la punctul A la punctul B, este greu să învingi propulsia bazată pe chimicale.” Atunci când vrei să fii mai eficient, totuși, alte sisteme de propulsie pot veni în sine. „Dacă încercați să ajungeți de la punctul A la punctul B la o viteză rezonabilă, dar cu o eficiență ridicată, atunci propulsia chimică ar putea să nu fie instrumentul potrivit.”

Îmbunătățirea sistemelor de propulsie chimică

Principiul propulsiei chimice poate să fi rămas același în ultimele decenii, dar asta nu înseamnă că nu se fac îmbunătățiri ale tehnologiei, cum ar fi cercetarea în diferite tipuri de combustibil.

Eficiența tipurilor de combustibil este o chestiune de densitate energetică - câtă energie poate fi stocată de o anumită cantitate de combustibil. De aceea, este dificil să folosești ceva precum hidrogenul drept combustibil, deși eliberează multă căldură în reacțiile chimice, pentru că este atât de ușor și are densitate scăzută. Este greu să depozitezi o mulțime de hidrogen într-un spațiu mic, așa că nu este un combustibil foarte eficient.

Rachetele actuale folosesc cel mai adesea combustibili pe bază de kerosen - practic același lucru ca și combustibilul pentru avioane - dar marea zonă de interes în acest moment se uită la combustibilii pe bază de metan sau gaze naturale. Acest combustibil nu ar fi neapărat mai eficient ca propulsor, dar ar fi considerabil mai ieftin, deoarece gazul natural este abundent și avem deja tehnologia în vigoare pentru colectarea acestuia.

„Dacă SpaceX ar putea folosi gaze naturale pentru a-și zbura Falcon 9, ar avea multe economii și, prin urmare, ar accelera explorarea spațiului”, a spus Ahmed ca exemplu. „Dacă am putea reduce costul ieșirii pe orbita exterioară, asta ne va face spațiul mai accesibil.”

Un alt domeniu de cercetare este îmbunătățirea motoarelor în sine. Echipa lui Ahmed este unul dintre mai multe grupuri care lucrează la un sistem numit motor de rachetă cu detonare rotativă, care ar putea genera mai multă putere din mai puțin combustibil în comparație cu motoarele tradiționale.

Controlând cu atenție cantitatea de hidrogen și oxigen introdusă într-un motor, presiunea poate fi creată mai eficient. Acest lucru poate reduce dimensiunea unui motor rachetă eliminând necesitatea unui compresor foarte puternic și folosește combustibilul mai eficient. Tehnologia este pe cale să fie utilizabilă în curând: Ahmed spune că Forțele Aeriene ale SUA intenționează să testeze un astfel de motor până în 2025.

De ce propulsia chimică nu merge nicăieri

Pentru decolarea de pe Pământ, propulsia chimică este esențială. „De la nivelul solului, propulsia pe bază de substanțe chimice devine critică, deoarece aveți nevoie de acea cantitate de putere pentru a elimina acea greutate de la sol până la altitudine mai mare. Pentru a trece peste forța gravitațională”, a explicat Ahmed.

El a adus în discuție exemplul SpaceX. Când compania lansează o rachetă, de ce nu folosește un sistem electric ca cel folosit de Tesla? Cele două companii sunt deținute de aceeași persoană, Elon Musk, așa că cu siguranță ar putea împărtăși tehnologii. Dar un sistem de propulsie electrică nu poate genera cantitatea de forță necesară pentru a scoate o rachetă de pe sol - pur și simplu nu produce suficientă putere.

Așa că va trebui să continuăm să folosim propulsia chimică pentru lansarea de rachete în viitorul apropiat. Dar acest lucru se schimbă odată ce o rachetă este pe orbită. Odată ce a depășit gravitația Pământului și se află în spațiu, este ca și cum ați folosi controlul vitezei de croazieră. Controlul unei nave spațiale în spațiu necesită o forță relativ mică, deoarece nu există frecare a aerului sau atracție gravitațională în jos. Puteți chiar să utilizați forțele gravitaționale de pe planetele și lunile din apropiere.

Deci un alt sistem de propulsie poate prelua pentru operațiuni mai eficiente.

O optiune mai eficienta: Propulsie electrica

Odată ce o rachetă este pe orbită, va trebui adesea să facă schimbări de traiectorie - mici ajustări pentru a-și ajusta viteza și a se asigura că se îndreaptă în direcția corectă. Acest lucru necesită un sistem de împingere. „Ai nevoie de mii de newtoni doar pentru a pilota un vehicul, pentru a coborî din starea de viteză zero și pentru a-l ridica și a depăși forța gravitațională a greutății pe care o porți. De aceea ai nevoie de un sistem de rachete mare, mare. Dar pe orbita exterioară, nu mai aveți forțe gravitaționale care vă influențează, aveți doar viteza terminală pe care încercați să o depășiți”, a explicat Ahmed.

Și există o mulțime de modalități de a genera forța necesară pentru a ajusta cursul unei nave spațiale. „Trust este împingere”, a spus el. „Injectezi masă. Arunci masa, prin urmare te mișcă în direcția opusă. Este cantitatea de masă și cât de repede epuizați acea masă.”

O tehnologie folosită adesea în sateliții mici, sau smallsats, este propulsia electrică. Ei folosesc energie electrică (deseori colectată cu ajutorul panourilor solare) pentru a ioniza un gaz propulsor. Acest gaz ionizat este apoi forțat să iasă din spatele satelitului folosind un câmp electronic sau magnetic, creând o forță care mișcă nava spațială.

Acesta este un sistem extrem de eficient care poate folosi până la Cu 90% mai puțin combustibil decât propulsia chimică.

„Pentru propulsia electrică, masa ta este foarte mică și nu ai nevoie de multă viteză pentru a-ți da forța”, a spus Ahmed. Iar sistemele electronice de propulsie pot ioniza practic orice material, astfel încât să poată lucra cu orice este disponibil.

Elefantul din cameră: propulsie nucleară

Oamenii sunt adesea incomod cu ideea energiei nucleare în spațiu. Și cu siguranță există preocupări de siguranță care trebuie luate în considerare atunci când se utilizează energia nucleară, în special pentru misiunile cu echipaj. Dar propulsia nucleară ar putea fi doar asul care ne permite să vizităm planete îndepărtate.

„Nuclearul este de fapt foarte eficient”, a explicat Ahmed. Un sistem de propulsie nucleară funcționează printr-un reactor care generează căldură, care este apoi folosită pentru a încălzi un propulsor care este expulzat pentru a crea forță. Utilizează acest propulsor mult mai eficient decât propulsia pe bază de substanțe chimice.

Și este sustenabil, care este marele său beneficiu. „Un sistem pe bază de substanțe chimice, ardeți propulsorul și îl epuizați și nu îl mai aveți”, a spus Ahmed. „Ai eliberat acea energie și ai pierdut-o. Spre deosebire de un sistem bazat pe nuclear, uraniul sau plutoniul pe care o veți folosi sunt acolo și nu va dispărea. Este sustenabil pe măsură ce vă mențineți reactorul central.”

Chiar dacă această reacție este durabilă, totuși, căldura pe care o generează trebuie încă canalizată într-o masă. Nu ați dori să epuizați uraniul sau plutoniul folosit în reacție. Lucrul util este că materialul care este încălzit poate fi practic orice gaz sau solid, deși gazul este de preferat, deoarece răspunde mai bine la căldură.

În spațiu, nu există gaze de folosit, așa că va trebui totuși să aduci câteva cu tine. Dar pe o planetă cu atmosferă, cum ar fi Marte, teoretic ai putea folosi gaze ușor disponibile, cum ar fi dioxidul de carbon, ca propulsor.

NASA caută în prezent sisteme de propulsie nucleară pentru misiuni pe Marte în mod specific. „Obiectivul NASA este de a minimiza timpul de călătorie al echipajului între Pământ și Marte la cât mai aproape de doi ani, cât este posibil. Sistemele de propulsie nucleară spațială ar putea permite timpi totale de misiune mai scurti și ar putea oferi o flexibilitate și o eficiență sporite pentru proiectanții de misiuni”, a spus agenția. a scris despre sistemele nucleare. Dar încă nu au fost luate decizii ferme. „Este prea devreme să spunem ce sistem de propulsie îi va duce pe primii astronauți pe Marte, deoarece rămâne o dezvoltare semnificativă necesară pentru fiecare abordare.”

Nu este una sau alta; este toate cele de mai sus

Ne aflăm încă în primele etape de planificare a unei misiuni cu echipaj pe Marte. Trebuie să luăm în considerare cerințele practice, precum și factori precum costul atunci când vine vorba de planificarea următorilor pași.

Ahmed nu crede că un sistem de propulsie se va dovedi cu mult superior celorlalte. În schimb, el prevede o combinație de sisteme diferite utilizate în funcție de nevoile specifice ale misiunii.

„Aș spune că toate cele trei sisteme vor fi necesare”, a explicat el. „Nu ai un sistem de propulsie perfect care să se potrivească tuturor misiunilor tale.” Deși este posibil să folosiți propulsia chimică pentru orice misiune, este nu întotdeauna adecvat - el a comparat asta cu a ajunge într-o clădire de alături folosind un Ferrari și a risipi o grămadă de combustibil atunci când ai putea doar mers pe jos.

Pentru misiunile cu echipaj pe Marte, „va trebui să folosiți energia nucleară, va trebui să folosiți electricitate și substanțe chimice fără de care nu puteți scăpa”, a spus el. De exemplu, ați putea folosi un sistem de propulsie electrică pentru livrarea mărfurilor, cum ar fi habitate, utilizați propulsia nucleară pentru a configura un sistem de relee fiabil între Pământ și Marte și apoi trimiteți-vă astronauții folosind o propulsie chimică sistem. Asta pentru că oamenii sunt, în esență, piese masive de hardware. „Masa noastră nu este lumină!” el a spus. „Suntem o cantitate semnificativă de masă, chiar și pentru doar câțiva personal. Prin urmare, aveți nevoie de acea propulsie chimică.”

Suntem pregătiți pentru Marte?

Există multe complexități în aranjarea unei misiuni cu echipaj pe Marte. Dar când vine vorba de sisteme de propulsie, avem tehnologia pentru a trimite o misiune acolo mâine.

„Motoarele rachete tradiționale din anii ’50 te vor duce acolo”, a spus Ahmed. Factorul limitativ se dovedește a fi ceva mai prozaic. „Întrebarea este cât de mult te va costa.”

Trimiterea de rachete pe Marte folosind sisteme de propulsie chimice este pur și simplu foarte, foarte costisitoare. Și deși există atât un apetit public, cât și unul academic pentru mai multă explorare a Marte, suma de bani disponibilă pentru o astfel de misiune nu este nesfârșită. Prin urmare, va trebui să dezvoltăm și să exploatăm tehnologii precum sistemele de propulsie electrică sau nucleară pentru a face explorarea mai accesibilă.

Chiar și în domeniul propulsiei chimice, evoluțiile tehnologiei, cum ar fi motoarele de detonare cu rotație sau combustibilii noi, pot ajuta la reducerea costurilor, ceea ce va promova mai multă explorare. „Provocarea este dezvoltarea sistemelor de inginerie care sunt mai economice decât sistemele actuale de rachete”, a spus el. „Tehnologia anilor ’50 te va duce pe Marte fără probleme. Este doar super, super scump. Și nimeni nu va dori să plătească pentru asta. Dar tehnologia este acolo.”

Recomandările editorilor

• O navetă cosmologică: logistica complicată a punerii oamenilor pe Marte
• Astropsihologie: Cum să rămâneți sănătoși pe Marte
• Centrale electrice de pe alte planete: Cum vom genera electricitate pe Marte
• Recoltarea hidratării: cum vor crea și colecta apă pe Marte viitorii coloniști
• Astroagricultura: Cum vom crește culturi pe Marte