Усавршавање погона: Како ћемо довести људе на Марс

С обзиром да су недавне мисије на Марс, као што су НАСА-ин Персеверанце, УАЕ Хопе и кинески Тианвен-1, све биле фантастичне, могло би вам бити опроштено што мислите да је доћи до Марса лако. Али постоји велика разлика између слања ровера или орбитера на црвену планету и слања врсте инфраструктуре и технологије која ће нам требати да тамо успоставимо људско присуство.

Хемијски погон нас је можда одвео у Сунчев систем, али за следећу фазу човека истраживања свемира, биће нам потребне нове погонске технологије да допунимо оне које смо користили за последњих 50 година. Да бисмо добили детаље о томе како би могао изгледати погон за експедицију на Марс са посадом, разговарали смо са Каримом Ахмедом, ванредним професором на Одсек за машинство и ваздухопловство Универзитета Централне Флориде и стручњак за најсавременије ракетне погоне система.

Овај чланак је део Живот на Марсу, серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс

Стари поуздани: хемијски погонски системи које сада користимо

Да бисте послали ракету која лети кроз Земљину атмосферу и ван у свемир, потребно вам је много потиска. Морате се супротставити не само трењу из Земљине атмосфере, већ и значајној сили гравитације, која вуче објекте назад на земљу.

Од 1950-их користили смо исти основни принцип за погон ракета, који се зове хемијски погон. У суштини, запалите погонско гориво (мешавина горива и оксидатора), што ствара топлоту. Ова топлота чини да се материјал унутар ракете шири, а затим се истискује са задње стране ракете. Ово избацивање погонског горива ствара потисак, који гура ракету нагоре огромном снагом, и ова сила му омогућава да превазиђе ефекте гравитације и да побегне у простор изван наше планете.

„Погон заснован на хемикалијама само додаје топлоту погонском гасу веома великом брзином. То погонско гориво, када га имате на стварно високој топлоти, шири се веома великом брзином“, објаснио је Ахмед. „Та брзина је функција количине топлоте коју уносите. Зато размислите о томе као да када имате експлозију, имате огромну количину гаса који се брзо креће. И то је брзина."

Ово је велика предност хемијског погона у односу на друге врсте погона који се разматрају: Брзина. Хемијски погон помаже ракетама да иду веома, веома брзо. Али то није увек најефикаснија опција.

„Размишљајте о томе као о пријусу против корвете“, рекао је Ахмед. „Ако желите да стигнете од тачке А до тачке Б веома брзо, тешко је победити погон заснован на хемикалијама. Међутим, када желите да будете ефикаснији, други погонски системи могу доћи на своје. „Ако покушавате да стигнете од тачке А до тачке Б разумном брзином, али са високом ефикасношћу, онда погон заснован на хемикалијама можда није прави алат.

Побољшање хемијских погонских система

Принцип хемијског погона је можда остао исти последњих неколико деценија, али то не значи да се технологија не унапређује – као што је истраживање различитих типова горива.

Ефикасност врста горива је питање густине енергије — колико енергије може да се ускладишти одређена количина горива. Зато је тешко користити нешто попут водоника као горива, иако ослобађа много топлоте у хемијским реакцијама, јер је тако лагано и има малу густину. Тешко је складиштити пуно водоника у малој количини простора, тако да то не чини веома ефикасно гориво.

Актуелне ракете најчешће користе горива на бази керозина — у основи исто што и млазно гориво — али велика област интересовања тренутно се бави горивима на бази метана или природног гаса. Ово гориво не би нужно било ефикасније као погонско гориво, али би било знатно јефтиније јер природног гаса има у изобиљу и већ имамо технологију за његово сакупљање.

„Ако би СпацеКс могао да користи природни гас за летење својим Фалцоном 9, имали би много уштеде и стога би убрзали истраживање свемира“, рекао је Ахмед као пример. „Ако бисмо могли да смањимо трошкове изласка у спољну орбиту, то ће нам простор учинити доступнијим.

Друга област истраживања је побољшање самих мотора. Ахмедов тим је једна од неколико група које раде на систему који се зове ротирајући детонациони ракетни мотор, који би могао да генерише више енергије из мање горива у поређењу са традиционалним моторима.

Пажљивом контролом количине водоника и кисеоника који се уносе у мотор, притисак се може стварати ефикасније. Ово може смањити величину ракетног мотора тако што елиминише потребу за веома моћним компресором, а такође ефикасније користи гориво. Технологија је на путу да ускоро постане употребљива: Ахмед каже да америчко ваздухопловство планира да тестира такав мотор до 2025.

Зашто хемијски погон не иде никуда

За полетање са Земље, погон заснован на хемикалијама је од суштинског значаја. „Са нивоа земље, погон заснован на хемикалијама постаје критичан јер вам је потребна та количина снаге да бисте одвезли ту тежину са земље навише све до веће висине. Да превазиђемо гравитациону силу“, објаснио је Ахмед.

Он је навео пример СпацеКс-а. Када компанија лансира ракету, зашто не користи електрични систем попут оног који користи Тесла? Две компаније су у власништву исте особе, Елона Маска, тако да би сигурно могле да деле технологије. Али електрични погонски систем не може да генерише количину потиска која је потребна да би се ракета подигла са земље - једноставно не производи довољно снаге.

Дакле, мораћемо да наставимо да користимо хемијски погон за лансирање ракета у догледној будућности. Али ово се мења када је ракета у орбити. Једном када превазиђе Земљину гравитацију и буде у свемиру, то је као да користите темпомат. Контрола свемирске летелице у свемиру захтева релативно мали потисак, јер нема ваздушног трења или гравитационог повлачења надоле. Можете чак користити и гравитационе силе са оближњих планета и месеца.

Дакле, другачији погонски систем може преузети за ефикасније операције.

Ефикаснија опција: електрични погон

Једном када је ракета у орбити, често ће морати да изврши промене путање - мала подешавања да би подесила своју брзину и осигурала да иде у правом смеру. Ово захтева систем потиска. „Потребне су вам хиљаде њутна само да бисте управљали возилом, да бисте изашли из стања нулте брзине и да бисте га подигли и превазишли гравитациону силу тежине коју носите. Зато вам је потребан велики, велики ракетни систем. Али у спољној орбити, више немате гравитационе силе које утичу на вас, само имате своју крајњу брзину коју покушавате да савладате“, објаснио је Ахмед.

И постоји много начина да се генерише сила потребна за прилагођавање курса свемирске летелице. „Потисак је потисак“, рекао је. „Убризгавате масу. Одбацујете масу, па вас она помера у супротном смеру. То је количина масе и колико брзо исцрпљујете ту масу."

Технологија која се често користи у малим сателитима или малим сателитима је електрични погон. Они користе електричну енергију (често прикупљену помоћу соларних панела) да јонизују гасно гориво. Овај јонизовани гас се затим избацује из задњег дела сателита помоћу електронског или магнетног поља, стварајући потисак који покреће свемирску летелицу.

Ово је изузетно ефикасан систем који може да користи до 90% мање горива него хемијски погон.

„За електрични погон, ваша маса је веома мала и заиста вам није потребна велика брзина да бисте добили потисак“, рекао је Ахмед. А електронски погонски системи могу јонизовати практично сваки материјал, тако да могу да раде са свиме што је доступно.

Слон у соби: Нуклеарни погон

Људима је често непријатно због идеје о нуклеарној енергији у свемиру. И свакако постоје безбедносни проблеми који се морају узети у обзир када се користи нуклеарна енергија, посебно за мисије са посадом. Али нуклеарни погон би могао бити само ас који нам омогућава да посетимо удаљене планете.

„Нуклеарна енергија је заправо веома ефикасна“, објаснио је Ахмед. Нуклеарни погонски систем ради кроз реактор који генерише топлоту, која се затим користи за загревање погонског горива које се избацује да би се створио потисак. Користи ово погонско гориво далеко ефикасније од погона заснованог на хемикалијама.

И одржив је, што је његова велика предност. „Систем заснован на хемикалијама, сагоревате погонско гориво и исцрпљујете га, а више га немате“, рекао је Ахмед. „Ослободио си ту енергију и изгубио си је. Насупрот нуклеарном систему, уранијум или плутонијум који ћете користити су ту и неће нестати. То је одрживо док одржавате свој основни реактор."

Иако је ова реакција одржива, топлота коју генерише и даље треба да се каналише у масу. Не бисте желели да исцрпите уранијум или плутонијум који се користи у реакцији. Корисно је то што материјал који се загрева може бити практично било који гас или чврст, мада је пожељнији гас јер боље реагује на топлоту.

У свемиру нема гасова за употребу, тако да ћете ипак морати да их понесете са собом. Али на планети са атмосфером, као што је Марс, теоретски бисте могли да користите лако доступне гасове као што је угљен-диоксид као погонско гориво.

НАСА тренутно истражује нуклеарне погонске системе посебно за мисије на Марс. „НАСА-ин циљ је да минимизира време путовања посаде између Земље и Марса на две године колико је то практично. Свемирски нуклеарни погонски системи могли би да омогуће краће укупно време мисије и да обезбеде побољшану флексибилност и ефикасност за дизајнере мисија“, наводи агенција. писао о нуклеарним системима. Али још увек нису донете чврсте одлуке. „Прерано је рећи који ће погонски систем одвести прве астронауте на Марс, јер остаје значајан развој који је потребан за сваки приступ.

Није ни једно ни друго; то је све горе наведено

Још увек смо у раним фазама планирања мисије на Марс са посадом. Морамо да узмемо у обзир практичне захтеве као и факторе попут трошкова када је у питању планирање наших следећих корака.

Ахмед не мисли да ће се један погонски систем показати масивно супериорнијим од осталих. Уместо тога, он предвиђа комбинацију различитих система који се користе у складу са специфичним потребама мисије.

„Рекао бих да ће сва три система бити потребна“, објаснио је он. „Немате савршен погонски систем који одговара свим вашим мисијама. Иако је могуће користити хемијски погон за било коју мисију, то је није увек прикладно — упоредио је ово са одласком у суседну зграду користећи Ферари и трошењем гомиле горива када би једноставно ходати.

За мисије са посадом на Марс, „мораћете да користите нуклеарну, мораћете да користите електричну и хемијску без којих не можете да избегнете“, рекао је он. На пример, можете користити електрични погонски систем за испоруку терета као што су станишта, користити нуклеарни погон да поставите поуздан релејни систем између Земље и Марса, а затим пошаљете своје астронауте користећи хемијски погон система. То је зато што су људи, у суштини, велики комади хардвера. "Наша маса није лагана!" рекао је. „Ми смо значајна маса, чак и за само неколико људи. Зато вам је потребан погон заснован на хемикалијама."

Да ли смо спремни за Марс?

Постоји много сложености око организовања мисије посаде на Марс. Али када су у питању погонски системи, имамо технологију да тамо пошаљемо мисију сутра.

„Традиционални ракетни мотори из 50-их ће вас одвести тамо“, рекао је Ахмед. Ограничавајући фактор се испоставља као нешто прозаичније. "Питање је колико ће вас то коштати."

Слање ракета на Марс помоћу погонских система заснованих на хемикалијама је једноставно веома, веома скупо. И док постоји и јавни и академски апетит за више истраживања Марса, количина новца доступна за такву мисију није бесконачна. Због тога ћемо морати да развијемо и искористимо технологије попут електричних или нуклеарних погонских система како бисмо истраживање учинили приступачнијим.

Чак иу области погона заснованог на хемикалијама, развој технологије, попут ротационих детонационих мотора или нових горива, може помоћи у смањењу трошкова, што ће промовисати више истраживања. „Изазов је развој инжењерских система који су економичнији од садашњих ракетних система“, рекао је он. „Технологија 50-их ће вас одвести на Марс без проблема. Једноставно је супер, супер скупо. И нико неће хтети да плати за то. Али технологија је ту."

Препоруке уредника

• Космолошко путовање: незгодна логистика постављања људи на Марс
• Астропсихологија: Како остати здрав на Марсу
• Електране на другим планетама: Како ћемо производити електричну енергију на Марсу
• Сакупљање хидратације: Како ће будући досељеници стварати и сакупљати воду на Марсу
• Астропољопривреда: Како ћемо узгајати усеве на Марсу