Izpopolnjevanje pogona: Kako bomo ljudi spravili na Mars

Ker so nedavne misije na Mars, kot so Nasina Perseverance, Hope iz Združenih arabskih emiratov in kitajska Tianwen-1, vse izjemno uspešne, bi vam lahko oprostili, če mislite, da je priti na Mars enostavno. Toda med pošiljanjem roverja ali orbiterja na rdeči planet in pošiljanjem takšne infrastrukture in tehnologije, ki jo bomo potrebovali za vzpostavitev človeške prisotnosti, je velika razlika.

Kemični pogon nas je morda popeljal v sončni sistem, vendar za naslednjo fazo človeka raziskovanje vesolja, bomo potrebovali nove pogonske tehnologije, ki bodo dopolnile tiste, ki smo jih uporabljali za zadnjih 50 let. Da bi dobili podrobnosti o tem, kako bi lahko izgledal pogon za odpravo s posadko na Mars, smo se pogovarjali s Kareemom Ahmedom, izrednim profesorjem na Oddelek za strojništvo in vesoljsko inženirstvo Univerze v osrednji Floridi in strokovnjak za najsodobnejši raketni pogon sistemi.

Ta članek je del Življenje na Marsu, 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Star zanesljiv: kemični pogonski sistemi, ki jih uporabljamo zdaj

Če želite poslati raketo, ki poleti skozi Zemljino atmosfero in ven v vesolje, potrebujete veliko potiska. Upreti se morate ne le trenju iz Zemljine atmosfere, temveč tudi pomembni gravitacijski sili, ki vleče predmete nazaj k tlom.

Od petdesetih let prejšnjega stoletja uporabljamo isto osnovno načelo za pogon raket, imenovano kemični pogon. V bistvu vžgete pogonsko gorivo (mešanico goriva in oksidanta), ki ustvarja toploto. Zaradi te toplote se material v raketi razširi, ki se nato potisne iz zadnjega dela rakete. Ta izgon pogonskega goriva ustvari potisk, ki potisne raketo navzgor z ogromno silo in ta sila mu omogoča, da premaga učinke gravitacije in pobegne v vesolje izven našega planeta.

»Kemični pogon samo dodaja toploto pogonskim gorivom pri zelo hitrih stopnjah. Ta pogonski plin, ko ga imaš pri zelo visoki temperaturi, se širi z zelo visoko hitrostjo,« je pojasnil Ahmed. "Ta hitrost je funkcija količine toplote, ki jo vložite. Torej pomislite na to, kot da imate ob eksploziji ogromno količino plina, ki se hitro premika. In to je hitrost."

To je velika prednost kemičnega pogona pred drugimi obravnavanimi vrstami pogona: Hitrost. Kemični pogon pomaga raketam, da gredo zelo, zelo hitro. Vendar to ni vedno najučinkovitejša možnost.

»Razmišljajte o tem kot o Priusu proti Corvette,« je rekel Ahmed. "Če želite zelo hitro priti od točke A do točke B, je težko premagati kemični pogon." Ko želite biti učinkovitejši, pa lahko pridejo na vrsto drugi pogonski sistemi. "Če poskušate priti od točke A do točke B z razumno hitrostjo, vendar z visoko učinkovitostjo, potem kemični pogon morda ni pravo orodje."

Izboljšanje kemičnih pogonskih sistemov

Načelo kemičnega pogona je morda ostalo enako v zadnjih nekaj desetletjih, toda to ne pomeni, da tehnologija ni izboljšana - kot so raziskave različnih vrst goriva.

Učinkovitost vrst goriva je stvar energijske gostote – koliko energije lahko shrani določena količina goriva. Zato je težko uporabiti vodik kot gorivo, čeprav sprošča veliko toplote pri kemičnih reakcijah, ker je tako lahek in ima nizko gostoto. Težko je shraniti veliko vodika v majhnem prostoru, zato ni zelo učinkovito gorivo.

Trenutne rakete najpogosteje uporabljajo goriva na osnovi kerozina - v bistvu enako kot gorivo za reaktivne motorje - vendar trenutno veliko področje zanimanja obravnavajo goriva na osnovi metana ali zemeljskega plina. To gorivo ne bi bilo nujno bolj učinkovito kot pogonsko gorivo, vendar bi bilo precej cenejše, saj je zemeljskega plina v izobilju in že imamo vzpostavljeno tehnologijo za njegovo zbiranje.

"Če bi SpaceX lahko uporabljal zemeljski plin za letenje svojega Falcona 9, bi imeli veliko prihrankov in bi tako pospešili raziskovanje vesolja," je kot primer dejal Ahmed. "Če bi lahko zmanjšali stroške izhoda v zunanjo orbito, nam bo vesolje bolj dosegljivo."

Drugo področje raziskav je izboljšanje samih motorjev. Ahmedova ekipa je ena od več skupin, ki delajo na sistemu, imenovanem rotacijski detonacijski raketni motor, ki bi lahko ustvaril več moči z manj goriva v primerjavi s tradicionalnimi motorji.

S skrbnim nadzorom količine vodika in kisika, ki se dovajata v motor, se lahko tlak ustvari učinkoviteje. To lahko zmanjša velikost raketnega motorja, saj odpravi potrebo po zelo zmogljivem kompresorju, poleg tega pa učinkoviteje uporablja gorivo. Tehnologija je na poti, da bo kmalu uporabna: Ahmed pravi, da ameriške zračne sile načrtujejo preizkus takšnega motorja do leta 2025.

Zakaj kemični pogon ne gre nikamor

Za vzlet z Zemlje je nujen kemični pogon. »Od tal postane kemični pogon kritičen, ker potrebujete toliko moči, da to težo premaknete od tal navzgor vse do višje nadmorske višine. Da premagam gravitacijsko silo,« je pojasnil Ahmed.

Omenil je primer SpaceX. Zakaj podjetje, ko izstreli raketo, ne uporabi električnega sistema, kot ga uporablja Tesla? Obe podjetji sta v lasti iste osebe, Elona Muska, zato si zagotovo lahko delita tehnologije. Toda električni pogonski sistem ne more ustvariti količine potiska, ki je potrebna za dvig rakete s tal - preprosto ne proizvede dovolj moči.

Zato bomo morali v bližnji prihodnosti še naprej uporabljati kemični pogon za izstrelitev raket. Toda to se spremeni, ko je raketa v orbiti. Ko premaga zemeljsko gravitacijo in je v vesolju, je kot da bi uporabljal tempomat. Krmiljenje vesoljskega plovila v vesolju zahteva razmeroma malo potiska, saj ni zračnega trenja ali gravitacijskega vlečenja navzdol. Izkoristite lahko celo gravitacijske sile bližnjih planetov in lun.

Tako lahko za učinkovitejše delovanje prevzame drugačen pogonski sistem.

Učinkovitejša možnost: električni pogon

Ko je raketa v orbiti, bo morala pogosto spremeniti trajektorijo – majhne prilagoditve, da prilagodijo svojo hitrost in zagotovijo, da se pelje v pravo smer. To zahteva potisni sistem. »Potrebujete na tisoče newtonov samo za letenje z vozilom, za izhod iz stanja ničelne hitrosti in za dviganje ter premagovanje gravitacijske sile teže, ki jo nosite. Zato potrebujete velik, velik raketni sistem. Toda v zunanji orbiti nimate več gravitacijskih sil, ki bi vplivale na vas, imate le svojo končno hitrost, ki jo poskušate premagati,« je pojasnil Ahmed.

In obstaja veliko načinov za ustvarjanje sile, potrebne za prilagoditev smeri vesoljskega plovila. "Trisk je sunek," je rekel. »Vnašate maso. Odvržeš maso, zato te premakne v nasprotno smer. Gre za količino mase in kako hitro to maso izčrpaš.«

Tehnologija, ki se pogosto uporablja v majhnih satelitih ali malih satelitih, je električni pogon. Za ionizacijo pogonskega plina uporabljajo električno energijo (pogosto zbrano s sončnimi kolektorji). Ta ionizirani plin se nato s pomočjo elektronskega ali magnetnega polja iztisne iz zadnje strani satelita, kar ustvarja potisk, ki premika vesoljsko plovilo.

To je izjemno učinkovit sistem, ki lahko porabi do 90% manj goriva kot kemični pogon.

"Za električni pogon je vaša masa zelo majhna in v resnici ne potrebujete velike hitrosti, da bi vam zagotovili potisk," je dejal Ahmed. In elektronski pogonski sistemi lahko ionizirajo tako rekoč vsak material, tako da lahko delujejo z vsem, kar je na voljo.

Slon v sobi: Jedrski pogon

Ljudem je ideja o jedrski energiji v vesolju pogosto neprijetna. In zagotovo obstajajo varnostni pomisleki, ki jih je treba upoštevati pri uporabi jedrske energije, zlasti za misije s posadko. Toda jedrski pogon je lahko le as, ki nam omogoča obisk oddaljenih planetov.

"Jedrska energija je pravzaprav zelo učinkovita," je pojasnil Ahmed. Jedrski pogonski sistem deluje prek reaktorja, ki proizvaja toploto, ki se nato uporabi za ogrevanje pogonskega goriva, ki se iztisne za ustvarjanje potiska. To pogonsko gorivo uporablja veliko bolj učinkovito kot kemični pogon.

In je trajnosten, kar je njegova velika prednost. "Sistem, ki temelji na kemikalijah, kuriš pogonsko gorivo in ga izčrpaš, in ga nimaš več," je dejal Ahmed. »Sprostil si to energijo in jo izgubil. V nasprotju z jedrskim sistemom je uran ali plutonij, ki ga boste uporabili, tam in ne bo izginil. To je trajnostno, saj vzdržujete svoj jedrni reaktor.«

Čeprav je ta reakcija vzdržna, je treba toploto, ki jo ustvari, še vedno usmeriti v maso. Ne bi želeli izčrpati urana ali plutonija, ki se uporabljata v reakciji. Koristno je, da je material, ki ga segrevamo, lahko praktično kateri koli plin ali trdna snov, čeprav je plin boljši, saj se bolje odziva na toploto.

V vesolju ni plinov, ki bi jih lahko uporabili, zato bi jih vseeno morali prinesti s seboj. Toda na planetu z atmosfero, kot je Mars, bi lahko teoretično kot pogonsko gorivo uporabili lahko dostopne pline, kot je ogljikov dioksid.

NASA trenutno preučuje jedrske pogonske sisteme posebej za misije na Mars. »Nasin cilj je skrajšati čas potovanja posadke med Zemljo in Marsom na dve leti, kolikor je praktično. Vesoljski jedrski pogonski sistemi bi lahko omogočili krajše skupne čase misij in zagotovili večjo prilagodljivost in učinkovitost za načrtovalce misij,« agencija pisal o jedrskih sistemih. A trdnih odločitev še ni bilo. "Prezgodaj je reči, kateri pogonski sistem bo popeljal prve astronavte na Mars, saj je za vsak pristop potreben pomemben razvoj."

Ni eno ali drugo; to je vse zgoraj našteto

Še vedno smo v zgodnjih fazah načrtovanja misije s posadko na Mars. Ko gre za načrtovanje naših naslednjih korakov, moramo upoštevati praktične zahteve in dejavnike, kot so stroški.

Ahmed ne misli, da se bo en pogonski sistem izkazal za veliko boljšega od drugih. Namesto tega predvideva kombinacijo različnih sistemov, ki se uporabljajo glede na posebne potrebe misije.

"Rekel bi, da bodo potrebni vsi trije sistemi," je pojasnil. "Nimate popolnega pogonskega sistema, ki bi ustrezal vsem vašim nalogam." Čeprav je mogoče uporabiti kemični pogon za katero koli misijo, je ni vedno primerno – to je primerjal s tem, da bi s ferrarijem prišel do sosednje stavbe in zapravil kup goriva, ko bi lahko hoditi.

Za misije s posadko na Mars "boste morali uporabiti jedrsko energijo, morali boste uporabiti električno in kemično, brez katere ne morete pobegniti," je dejal. Na primer, lahko uporabite električni pogonski sistem za dostavo tovora, kot so habitati, uporabite jedrski pogon vzpostaviti zanesljiv relejni sistem med Zemljo in Marsom in nato poslati svoje astronavte s pomočjo kemičnega pogona sistem. To je zato, ker smo ljudje v bistvu zajetni kosi strojne opreme. "Naša masa ni lahka!" rekel je. »Smo velika množica, tudi za le nekaj osebja. Zato potrebujete ta kemični pogon."

Ali smo pripravljeni na Mars?

Pri organizaciji misije s posadko na Mars je veliko težav. Toda ko gre za pogonske sisteme, imamo tehnologijo, da tja pošljemo misijo jutri.

»Tradicionalni raketni motorji iz 50. let prejšnjega stoletja vas bodo pripeljali tja,« je dejal Ahmed. Omejitveni dejavnik se izkaže za nekaj bolj prozaičnega. "Vprašanje je, koliko vas bo to stalo."

Pošiljanje raket na Mars z uporabo kemičnih pogonskih sistemov je enostavno zelo, zelo drago. In čeprav obstaja tako javnost kot akademski apetit po več raziskovanju Marsa, količina denarja, ki je na voljo za takšno misijo, ni neskončna. Zato bomo morali razviti in izkoristiti tehnologije, kot so električni ali jedrski pogonski sistemi, da bo raziskovanje cenovno dostopnejše.

Tudi na področju kemičnega pogona lahko razvoj tehnologije, kot so rotacijski detonacijski motorji ali nova goriva, pomaga zmanjšati stroške, kar bo spodbudilo več raziskovanja. "Izziv je razvoj inženirskih sistemov, ki so bolj ekonomični od trenutnih raketnih sistemov," je dejal. »Tehnologija 50-ih vas bo brez težav pripeljala na Mars. To je samo super, super drago. In nihče ne bo hotel plačati za to. Ampak tehnologija je tam."

Priporočila urednikov

• Kozmološko potovanje na delo: zapletena logistika pošiljanja ljudi na Mars
• Astropsihologija: Kako ostati pri zdravi pameti na Marsu
• Elektrarne na drugih planetih: Kako bomo proizvajali elektriko na Marsu
• Pridobivanje hidracije: Kako bodo prihodnji naseljenci ustvarjali in zbirali vodo na Marsu
• Astrokmetijstvo: Kako bomo gojili pridelke na Marsu