Zdokonaľovanie pohonu: Ako dostaneme ľudí na Mars

Vzhľadom na to, že nedávne misie na Mars, ako napríklad Perseverance od NASA, Hope v Spojených arabských emirátoch a čínsky Tianwen-1, boli ohromné, možno vám bude odpustené, keď si myslíte, že dostať sa na Mars je jednoduché. Je však veľký rozdiel medzi vyslaním roveru alebo orbitera na červenú planétu a vyslaním takej infraštruktúry a technológie, ktorú budeme potrebovať, aby sme tam vytvorili ľudskú prítomnosť.

Chemický pohon nás mohol dostať von do slnečnej sústavy, ale pre ďalšiu fázu človeka prieskum vesmíru, budeme potrebovať nové technológie pohonu, ktoré doplnia tie, ktoré sme doteraz používali posledných 50 rokov. Aby sme získali podrobnosti o tom, ako by mohol vyzerať pohon výpravy na Mars s posádkou, porozprávali sme sa s Kareemom Ahmedom, docentom na Katedra mechanického a leteckého inžinierstva University of Central Florida a odborník na špičkový raketový pohon systémov.

Tento článok je súčasťou Život na Marse, 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Staré spoľahlivé: Chemické pohonné systémy, ktoré používame teraz

Ak chcete poslať raketu letiacu hore zemskou atmosférou a von do vesmíru, potrebujete veľký ťah. Musíte čeliť nielen treniu zemskej atmosféry, ale aj významnej gravitačnej sile, ktorá sťahuje predmety späť na zem.

Od 50. rokov 20. storočia používame rovnaký základný princíp na pohon rakiet, nazývaný chemický pohon. V podstate zapálite hnací plyn (zmes paliva a okysličovadla), ktorý vytvára teplo. Toto teplo spôsobí, že materiál vo vnútri rakety sa roztiahne, ktorý je potom vytlačený zo zadnej časti rakety. Toto vypudenie pohonnej látky vytvára ťah, ktorý tlačí raketu nahor obrovskou silou a táto sila mu umožňuje prekonať účinky gravitácie a uniknúť do priestoru za našou planétou.

„Pohon založený na chemikáliách len pridáva teplo do pohonných látok skutočne rýchlymi rýchlosťami. Tá hnacia látka, akonáhle ju máte pri skutočne vysokej teplote, expanduje veľmi vysokou rýchlosťou,“ vysvetlil Ahmed. „Táto rýchlosť je funkciou toho, koľko tepla vložíte. Predstavte si to tak, že keď máte výbuch, máte obrovské množstvo plynu, ktorý sa rýchlo pohybuje. A to je rýchlosť."

Toto je veľká výhoda chemického pohonu oproti iným zvažovaným typom pohonu: Rýchlosť. Chemický pohon pomáha raketám ísť naozaj, naozaj rýchlo. Ale nie vždy je to najefektívnejšia možnosť.

"Premýšľajte o tom ako Prius verzus Corvette," povedal Ahmed. "Ak sa chcete dostať z bodu A do bodu B veľmi rýchlo, je ťažké poraziť chemický pohon." Keď však chcete byť efektívnejší, na svoje si prídu aj iné pohonné systémy. "Ak sa snažíte dostať z bodu A do bodu B rozumnou rýchlosťou, ale s vysokou účinnosťou, potom chemický pohon nemusí byť tým správnym nástrojom."

Zlepšenie chemických pohonných systémov

Princíp chemického pohonu možno posledných niekoľko desaťročí zostal rovnaký, ale to je neznamená, že sa v technológii nevykonávajú žiadne vylepšenia – napríklad výskum rôznych typov paliva.

Efektívnosť typov palív je záležitosťou hustoty energie – koľko energie môže byť uložené v určitom množstve paliva. Preto je ťažké použiť niečo ako vodík ako palivo, aj keď pri chemických reakciách uvoľňuje veľa tepla, pretože je také ľahké a má nízku hustotu. Je ťažké skladovať veľa vodíka v malom priestore, takže to nie je veľmi efektívne palivo.

Súčasné rakety najčastejšie používajú palivá na báze kerozínu – v podstate to isté ako letové palivo – ale veľkou oblasťou záujmu sa práve teraz zameriavajú na palivá na báze metánu alebo zemného plynu. Toto palivo by nemuselo byť nevyhnutne účinnejšie ako pohonná látka, ale bolo by podstatne lacnejšie, keďže zemného plynu je dostatok a už máme technológiu na jeho zber.

„Ak by SpaceX mohla použiť zemný plyn na lietanie so svojím Falconom 9, ušetrili by veľa, a preto by urýchlili prieskum vesmíru,“ uviedol ako príklad Ahmed. "Ak by sme mohli znížiť náklady na výstup na vonkajšiu obežnú dráhu, vesmír by bol pre nás dostupnejší."

Ďalšou oblasťou výskumu je zdokonaľovanie samotných motorov. Ahmedov tím je jednou z niekoľkých skupín pracujúcich na systéme nazývanom rotujúci detonačný raketový motor, ktorý by mohol generovať viac energie z menšieho množstva paliva v porovnaní s tradičnými motormi.

Starostlivým riadením množstva vodíka a kyslíka dodávaného do motora je možné účinnejšie vytvárať tlak. To môže znížiť veľkosť raketového motora odstránením potreby veľmi výkonného kompresora a tiež efektívnejšie využíva palivo. Technológia je na ceste k tomu, aby bola čoskoro použiteľná: Ahmed hovorí, že americké letectvo plánuje testovať takýto motor do roku 2025.

Prečo chemický pohon nikam nevedie

Pre vzlet zo Zeme je nevyhnutný chemický pohon. „Z úrovne zeme sa chemický pohon stáva kritickým, pretože takéto množstvo energie potrebujete na to, aby ste túto váhu dostali od zeme až do vyššej nadmorskej výšky. Aby som prekonal gravitačnú silu,“ vysvetlil Ahmed.

Uviedol príklad SpaceX. Keď spoločnosť vypustí raketu, prečo nepoužíva elektrický systém, aký používa Tesla? Obe spoločnosti vlastní tá istá osoba, Elon Musk, takže určite môžu zdieľať technológie. Ale elektrický pohonný systém nemôže generovať množstvo ťahu potrebné na to, aby sa raketa dostala zo zeme – jednoducho nevyrába dostatok energie.

Takže v dohľadnej budúcnosti budeme musieť pokračovať v používaní chemického pohonu na spúšťanie rakiet. To sa však zmení, keď sa raketa dostane na obežnú dráhu. Keď prekoná zemskú gravitáciu a je vo vesmíre, je to ako používať tempomat. Ovládanie kozmickej lode vo vesmíre si vyžaduje relatívne malý ťah, pretože tu nie je žiadne trenie vzduchu ani gravitácia smerom nadol. Môžete dokonca využiť gravitačné sily z blízkych planét a mesiacov.

Takže iný pohonný systém môže prevziať efektívnejšie operácie.

Efektívnejšia možnosť: Elektrický pohon

Akonáhle je raketa na obežnej dráhe, bude často musieť vykonať zmeny trajektórie - malé úpravy, aby sa vylepšila jej rýchlosť a zabezpečilo sa, že smeruje správnym smerom. To si vyžaduje ťahový systém. „Potrebujete tisíce newtonov, aby ste mohli lietať s vozidlom, dostať sa z nulovej rýchlosti a dostať ho hore a prekonať gravitačnú silu závažia, ktoré nesiete. Preto potrebujete veľký, veľký raketový systém. Ale na vonkajšej obežnej dráhe vás už neovplyvňujú gravitačné sily, máte len svoju konečnú rýchlosť, ktorú sa snažíte prekonať,“ vysvetlil Ahmed.

A existuje veľa spôsobov, ako vytvoriť silu potrebnú na úpravu kurzu kozmickej lode. "Ťah je ťah," povedal. „Podávaš injekciu hmoty. Odhadzujete hmotu, preto vás to posúva opačným smerom. Je to množstvo hmoty a ako rýchlo tú hmotu vyčerpávaš."

Technológia, ktorá sa často používa v malých satelitoch alebo malých satelitoch, je elektrický pohon. Používajú elektrickú energiu (často zbieranú pomocou solárnych panelov) na ionizáciu plynovej hnacej látky. Tento ionizovaný plyn je potom vytlačený zo zadnej časti satelitu pomocou elektronického alebo magnetického poľa, čím sa vytvorí ťah, ktorý pohybuje kozmickou loďou.

Ide o mimoriadne efektívny systém, ktorý dokáže využiť až O 90% menej paliva než chemický pohon.

"V prípade elektrického pohonu je vaša hmotnosť veľmi malá a skutočne nepotrebujete veľkú rýchlosť, aby ste získali ťah," povedal Ahmed. A elektronické pohonné systémy dokážu ionizovať prakticky akýkoľvek materiál, takže môžu pracovať s čímkoľvek, čo je k dispozícii.

Slon v miestnosti: Jadrový pohon

Ľuďom je často nepríjemná predstava jadrovej energie vo vesmíre. A určite existujú bezpečnostné obavy, ktoré je potrebné zvážiť pri využívaní jadrovej energie, najmä pri misiách s posádkou. Ale jadrový pohon môže byť len eso, ktoré nám umožňuje navštíviť vzdialené planéty.

„Jadrová energia je v skutočnosti vysoko efektívna,“ vysvetlil Ahmed. Jadrový pohonný systém funguje prostredníctvom reaktora, ktorý generuje teplo, ktoré sa potom používa na ohrievanie hnacej látky, ktorá sa vytláča na vytvorenie ťahu. Využíva túto pohonnú látku oveľa efektívnejšie ako pohon na chemickej báze.

A je udržateľný, čo je jeho veľká výhoda. "Systém založený na chemikáliách, spálite pohonnú látku a vyčerpáte ju a už ju nemáte," povedal Ahmed. „Uvoľnil si tú energiu a stratil si ju. Na rozdiel od jadrového systému, urán alebo plutónium, ktoré budete používať, tam sú a nezmiznú. Je to udržateľné, keď udržiavate svoj aktívny reaktor."

Aj keď je táto reakcia udržateľná, teplo, ktoré generuje, musí byť stále smerované do hmoty. Nechceli by ste vyčerpať urán alebo plutónium použité v reakcii. Užitočnou vecou je, že materiálom, ktorý sa zahrieva, môže byť prakticky akýkoľvek plyn alebo pevná látka, aj keď plyn je výhodnejší, pretože lepšie reaguje na teplo.

Vo vesmíre nie sú žiadne plyny, ktoré by ste mohli použiť, takže by ste si stále mali nejaké priniesť so sebou. Ale na planéte s atmosférou, ako je Mars, by ste teoreticky mohli ako pohonnú látku použiť ľahko dostupné plyny, ako je oxid uhličitý.

NASA v súčasnosti skúma systémy jadrového pohonu pre misie konkrétne na Mars. „Cieľom NASA je minimalizovať čas, ktorý posádka cestuje medzi Zemou a Marsom, na dva roky, ako je to praktické. Vesmírne nukleárne pohonné systémy by mohli umožniť kratšie celkové časy misií a poskytnúť väčšiu flexibilitu a efektivitu pre projektantov misií, “agentúra písal o jadrových systémoch. Ale zatiaľ neboli prijaté žiadne pevné rozhodnutia. "Je príliš skoro povedať, aký pohonný systém dopraví prvých astronautov na Mars, pretože každý prístup si vyžaduje značný vývoj."

Nie je to jedno alebo druhé; je to všetko vyššie uvedené

Stále sme v počiatočných fázach plánovania misie na Mars s posádkou. Pri plánovaní našich ďalších krokov musíme zvážiť praktické požiadavky, ako aj faktory, ako sú náklady.

Ahmed si nemyslí, že jeden pohonný systém sa ukáže ako výrazne lepší ako ostatné. Namiesto toho si predstavuje kombináciu rôznych systémov používaných podľa špecifických potrieb misie.

"Povedal by som, že budú potrebné všetky tri systémy," vysvetlil. "Nemáte dokonalý pohonný systém, ktorý by vyhovoval všetkým vašim misiám." Aj keď je možné použiť chemický pohon na akúkoľvek misiu, je to tak nie vždy vhodné – prirovnal to k tomu, ako sa dostať do susednej budovy pomocou Ferrari a míňať veľa paliva, keď chodiť.

Pre misie s posádkou na Mars „budete musieť použiť jadrové, elektrické a chemické látky, bez ktorých sa nezaobídete,“ povedal. Môžete napríklad použiť elektrický pohonný systém na doručovanie nákladu ako biotopy, použiť jadrový pohon vytvoriť spoľahlivý prenosový systém medzi Zemou a Marsom a potom poslať svojich astronautov pomocou chemického pohonu systému. Je to preto, že ľudia sú v podstate statné kusy hardvéru. "Naša hmotnosť nie je ľahká!" povedal. „Sme značná masa, dokonca aj pre pár zamestnancov. Preto potrebujete ten chemický pohon."

Sme pripravení na Mars?

Organizácia misie na Mars s posádkou je veľmi komplikovaná. Ale pokiaľ ide o pohonné systémy, máme technológiu na to, aby sme tam zajtra vyslali misiu.

„Tradičné raketové motory z 50. rokov vás tam dostanú,“ povedal Ahmed. Limitujúcim faktorom sa ukazuje byť niečo prozaickejšie. "Otázka je, koľko ťa to bude stáť."

Vyslanie rakiet na Mars pomocou chemických pohonných systémov je jednoducho veľmi, veľmi drahé. A hoci existuje verejná aj akademická chuť na ďalšie skúmanie Marsu, množstvo peňazí dostupných na takúto misiu nie je nekonečné. Preto budeme musieť vyvinúť a využívať technológie, ako sú elektrické alebo jadrové pohonné systémy, aby bol prieskum cenovo dostupnejší.

Dokonca aj v oblasti chemického pohonu môže vývoj technológie, ako sú rotačné detonačné motory alebo nové palivá, pomôcť znížiť náklady, čo podporí väčší prieskum. "Výzvou je vývoj inžinierskych systémov, ktoré sú ekonomickejšie ako súčasné raketové systémy," povedal. „Technológia 50. rokov vás bez problémov dostane na Mars. Je to jednoducho super, super drahé. A nikto za to nebude chcieť platiť. Ale technológia tam je."

Odporúčania redaktorov

• Kozmologické dochádzanie: Zložitá logistika umiestňovania ľudí na Mars
• Astropsychológia: Ako si zachovať rozum na Marse
• Elektrárne na iných planétach: Ako budeme vyrábať elektrinu na Marse
• Zber hydratácie: Ako budú budúci osadníci vytvárať a zbierať vodu na Marse
• Astropoľnohospodárstvo: Ako budeme pestovať plodiny na Marse