Mükemmel İtiş Gücü: İnsanları Mars'a Nasıl Getireceğiz?

NASA'nın Perseverance'ı, BAE'nin Hope'u ve Çin'in Tianwen-1'i gibi son zamanlarda Mars'a yapılan misyonların hepsi büyük başarılar elde ederken, Mars'a gitmenin kolay olduğunu düşünmeniz affedilebilir. Ancak kızıl gezegene bir gezici veya yörünge aracı göndermekle orada bir insan varlığı oluşturmak için ihtiyaç duyacağımız altyapı ve teknolojiyi göndermek arasında büyük bir fark var.

Kimyasal tahrik bizi güneş sistemine götürmüş olabilir, ancak insanoğlunun bir sonraki aşaması için Uzayın keşfi için kullandıklarımızı desteklemek için yeni itme teknolojilerine ihtiyacımız olacak. son 50 yıl Mars'a mürettebatlı bir sefer için bir itiş gücünün nasıl görünebileceğine dair ayrıntıları almak için, Doçent Kareem Ahmed ile konuştuk. Central Florida Üniversitesi Makine ve Uzay Mühendisliği Bölümü ve son teknoloji roket tahrikinde uzman sistemler.

Bu makalenin bir parçası Marsta yaşam, insanların Mars'ı işgal etmesine izin verecek en son bilim ve teknolojiyi araştıran 10 bölümlük bir dizi

Eski güvenilir: Şu anda kullandığımız kimyasal tahrik sistemleri

Bir roketi Dünya'nın atmosferinden geçerek uzayın ötesine göndermek için çok fazla itme gücüne ihtiyacınız var. Yalnızca Dünya atmosferinden kaynaklanan sürtünmeye değil, aynı zamanda nesneleri tekrar yere çeken önemli yerçekimi kuvvetine de karşı koymanız gerekir.

1950'lerden bu yana, kimyasal tahrik adı verilen aynı temel prensibi roketlere güç sağlamak için kullandık. Temel olarak, ısı oluşturan bir itici gaz (yakıt ve oksitleyici karışımı) ateşlersiniz. Bu ısı, roketin içindeki malzemenin genişlemesine neden olur ve bu malzeme daha sonra roketin arkasından dışarı itilir. İtici gazın bu şekilde dışarı atılması, roketi muazzam bir kuvvetle yukarı doğru iten itme kuvveti yaratır ve bu kuvvet, yerçekiminin etkilerinin üstesinden gelmesini ve gezegenimizin ötesindeki uzaya kaçmasını sağlar.

"Kimyasal bazlı tahrik, itici gazlara gerçekten hızlı oranlarda ısı eklemekten başka bir şey değildir. Bu itici gaz, gerçekten yüksek bir ısıya sahip olduğunuzda, çok yüksek bir hızla genişler,” diye açıkladı Ahmed. "Bu hız, ne kadar ısı verdiğinizin bir fonksiyonudur. Yani, bir patlama yaşadığınızda, hızla hareket eden büyük miktarda gazınız olduğunu düşünün. Ve bu hızdır.”

Bu, kimyasal tahrikin dikkate alınan diğer tahrik türlerine göre sahip olduğu en büyük avantajdır: Hız. Kimyasal tahrik, roketlerin gerçekten çok hızlı gitmesine yardımcı olur. Ancak her zaman en verimli seçenek değildir.

Ahmed, "Bir Prius'a karşı bir Corvette gibi düşünün," dedi. "A noktasından B noktasına çok hızlı gitmek istiyorsanız, kimyasal bazlı tahrik sistemini alt etmek zor." Ancak daha verimli olmak istediğinizde, diğer tahrik sistemleri de devreye girebilir. "A noktasından B noktasına makul bir hızda ancak yüksek verimlilikle gitmeye çalışıyorsanız, o zaman kimyasal bazlı tahrik doğru araç olmayabilir."

Kimyasal sevk sistemlerinin iyileştirilmesi

Kimyasal tahrik ilkesi son birkaç on yılda aynı kalmış olabilir, ancak bu farklı türlere yönelik araştırmalar gibi teknolojide iyileştirmeler yapılmadığı anlamına gelmez yakıt

Yakıt türlerinin verimliliği, bir enerji yoğunluğu meselesidir - belirli bir miktarda yakıtla ne kadar enerji depolanabilir. Bu nedenle, kimyasal reaksiyonlarda çok fazla ısı açığa çıkarsa da hidrojen gibi bir şeyi yakıt olarak kullanmak zordur, çünkü çok hafif ve düşük yoğunluğa sahiptir. Küçük bir alanda çok fazla hidrojen depolamak zordur, bu nedenle çok verimli bir yakıt yapmaz.

Mevcut roketler çoğunlukla gazyağı bazlı yakıtlar kullanıyor - temelde jet yakıtı ile aynı şey - ancak şu anda büyük ilgi alanı metan veya doğal gaz bazlı yakıtlara bakıyor. Bu yakıtın bir itici gaz olarak daha etkili olması gerekmez, ancak doğal gaz bol olduğu ve onu toplamak için zaten teknolojimiz olduğu için çok daha ucuz olacaktır.

Ahmed, örnek olarak, "SpaceX, Falcon 9'unu uçurmak için doğal gaz kullanabilseydi, çok fazla tasarrufları olur ve bu nedenle uzay araştırmalarını hızlandırırlardı" dedi. "Dış yörüngeye çıkmanın maliyetini azaltabilirsek, bu uzayı bizim için daha erişilebilir hale getirir."

Başka bir araştırma alanı da motorların kendilerini geliştirmektir. Ahmed'in ekibi, geleneksel motorlara kıyasla daha az yakıtla daha fazla güç üretebilen, dönen patlamalı roket motoru adı verilen bir sistem üzerinde çalışan birkaç gruptan biri.

Bir motora beslenen hidrojen ve oksijen miktarını dikkatli bir şekilde kontrol ederek, basınç daha etkili bir şekilde oluşturulabilir. Bu, çok güçlü bir kompresöre olan ihtiyacı ortadan kaldırarak bir roket motorunun boyutunu küçültebilir ve aynı zamanda yakıtı daha verimli kullanır. Teknoloji yakında kullanılabilir olma yolunda: Ahmed, ABD Hava Kuvvetlerinin 2025 yılına kadar böyle bir motoru test etmeyi planladığını söylüyor.

Kimyasal tahrik neden hiçbir yere gitmiyor?

Dünya'dan havalanmak için kimyasal bazlı itme gücü esastır. "Yer seviyesinden itibaren, kimyasal bazlı tahrik kritik hale geliyor çünkü bu ağırlığı yerden daha yüksek irtifaya çıkarmak için o miktarda güce ihtiyacınız var. Yerçekimi kuvvetini aşmak için,” diye açıkladı Ahmed.

SpaceX örneğini gündeme getirdi. Şirket bir roket fırlattığında neden Tesla'nın kullandığına benzer bir elektrik sistemi kullanmıyor? İki şirket aynı kişiye, Elon Musk'a ait, bu yüzden kesinlikle teknolojileri paylaşabilirler. Ancak bir elektrikli itme sistemi, bir roketi yerden kaldırmak için gereken itme gücünü üretemez - sadece yeterli güç üretmez.

Bu nedenle, yakın gelecekte roket fırlatmak için kimyasal tahrik kullanmaya devam etmemiz gerekecek. Ancak bu, bir roket yörüngeye girdikten sonra değişir. Dünya'nın yerçekiminin üstesinden geldiğinde ve uzayda olduğunda, seyir kontrolünü kullanmak gibidir. Bir uzay aracını uzayda kontrol etmek, başa çıkılması gereken hava sürtünmesi veya aşağı doğru yerçekimi çekmesi olmadığı için nispeten az itme gücü gerektirir. Yakındaki gezegenlerden ve aylardan gelen yerçekimi kuvvetlerinden bile yararlanabilirsiniz.

Böylece daha verimli operasyonlar için farklı bir tahrik sistemi devreye girebilir.

Daha verimli bir seçenek: Elektrikli tahrik

Bir roket yörüngeye girdikten sonra, genellikle yörünge değişiklikleri yapması gerekir - hızını ayarlamak ve doğru yönde ilerlemesini sağlamak için küçük ayarlamalar. Bu bir itme sistemi gerektirir. “Sırf bir aracı uçurmak, sıfır hız durumundan çıkmak ve onu kaldırıp taşıdığınız ağırlığın yerçekimi kuvvetini aşmak için binlerce Newton'a ihtiyacınız var. Bu yüzden büyük, büyük bir roket sistemine ihtiyacınız var. Ama dış yörüngede artık sizi etkileyen yerçekimi kuvvetleri yok, sadece üstesinden gelmeye çalıştığınız son hızınız var," diye açıkladı Ahmed.

Ve bir uzay aracının rotasını ayarlamak için gereken kuvveti oluşturmanın pek çok yolu vardır. "İtme itmedir," dedi. “Kütle enjekte ediyorsun. Kütleyi fırlatıyorsunuz, bu nedenle o sizi ters yönde hareket ettiriyor. Kütle miktarı ve bu kütleyi ne kadar hızlı tükettiğiniz.

Küçük uydularda veya küçük uydularda sıklıkla kullanılan bir teknoloji elektrikli tahriktir. Bir gaz itici gazını iyonize etmek için elektrik gücü (genellikle güneş panelleri kullanılarak toplanır) kullanırlar. Bu iyonize gaz daha sonra bir elektronik veya manyetik alan kullanılarak uydunun arkasından dışarı atılır ve uzay aracını hareket ettiren itme kuvveti oluşturur.

Bu, adede kadar kullanabilen son derece verimli bir sistemdir. %90 daha az yakıt kimyasal tahrikten daha

Ahmed, "Elektrikli tahrik için, kütleniz çok küçüktür ve size itme gücünü vermek için gerçekten çok fazla hıza ihtiyacınız yoktur," dedi. Ve elektronik tahrik sistemleri, hemen hemen her malzemeyi iyonize edebilir, böylece mevcut olan her şeyle çalışabilirler.

Odadaki fil: Nükleer tahrik

İnsanlar genellikle uzayda nükleer enerji fikrinden rahatsız olurlar. Ve özellikle mürettebatlı görevler için nükleer enerji kullanırken kesinlikle dikkate alınması gereken güvenlik endişeleri var. Ancak nükleer itme, uzak gezegenleri ziyaret etmemizi sağlayan as olabilir.

Ahmed, "Nükleer aslında oldukça verimli," diye açıkladı. Bir nükleer tahrik sistemi, daha sonra itme kuvveti oluşturmak için dışarı atılan bir itici gazı ısıtmak için kullanılan ısı üreten bir reaktör aracılığıyla çalışır. Bu itici gazı kimyasal bazlı tahrikten çok daha verimli kullanır.

Ve sürdürülebilir, ki bu onun en büyük faydası. Ahmed, "Kimyasal tabanlı bir sistem, itici gaz yakıyorsunuz ve onu tüketiyorsunuz ve artık buna sahip değilsiniz" dedi. “O enerjiyi serbest bıraktın ve kaybettin. Nükleer tabanlı bir sisteme karşı, kullanacağınız uranyum veya plütonyum orada ve gitmeyecek. Çekirdek reaktörünüzü koruduğunuz sürece sürdürülebilir."

Bu reaksiyon sürdürülebilir olsa da, ürettiği ısının yine de bir kütleye kanalize edilmesi gerekiyor. Reaksiyonda kullanılan uranyum veya plütonyumu tüketmek istemezsiniz. Yararlı olan şey, ısıtılan malzemenin pratik olarak herhangi bir gaz veya katı olabilmesidir, ancak ısıya daha iyi tepki verdiği için gaz tercih edilir.

Uzayda kullanılacak gaz yoktur, bu yüzden yine de yanınızda biraz getirmeniz gerekir. Ancak Mars gibi atmosferi olan bir gezegende, teorik olarak karbondioksit gibi kolayca bulunabilen gazları itici gaz olarak kullanabilirsiniz.

NASA şu anda özellikle Mars'a yapılacak görevler için nükleer tahrik sistemlerini araştırıyor. "NASA'nın hedefi, mürettebatın Dünya ile Mars arasındaki seyahat süresini mümkün olduğu kadar iki yıla yakın bir süreye indirmek. Uzay nükleer tahrik sistemleri, daha kısa toplam görev süreleri sağlayabilir ve görev tasarımcıları için gelişmiş esneklik ve verimlilik sağlayabilir" dedi. nükleer sistemler hakkında yazdı. Ama henüz kesin kararlar alınmış değil. İlk astronotları hangi itme sisteminin Mars'a götüreceğini söylemek için henüz çok erken, çünkü her bir yaklaşım için önemli gelişmeler gerekiyor."

Biri ya da diğeri değil; yukarıdakilerin hepsi

Mars'a mürettebatlı bir görevin erken planlama aşamalarındayız. Sonraki adımlarımızı planlamaya gelince, pratik gereksinimlerin yanı sıra maliyet gibi faktörleri de göz önünde bulundurmamız gerekir.

Ahmed, bir tahrik sisteminin diğerlerinden çok daha üstün olduğunu kanıtlayacağını düşünmüyor. Bunun yerine, belirli görev ihtiyaçlarına göre kullanılan farklı sistemlerin bir kombinasyonunu tasavvur ediyor.

"Üç sisteme de ihtiyaç duyulacağını söyleyebilirim" diye açıkladı. "Tüm görevlerinize uyan mükemmel bir tahrik sisteminiz yok." Herhangi bir görev için kimyasal tahrik kullanmak mümkün olsa da, her zaman uygun değil - bunu, bir Ferrari kullanarak yandaki bir binaya gitmeye ve yapabileceğiniz bir sürü yakıtı boşa harcamaya benzetti. yürümek.

Mars'a mürettebatlı görevler için, "Nükleer kullanmak zorunda kalacaksınız, elektrik kullanmak zorunda kalacaksınız ve kimyasal bazlı olmadan kaçamazsınız" dedi. Örneğin, yaşam alanları gibi kargo taşımak için elektrikli tahrik sistemi kullanabilir, nükleer tahrik kullanabilirsiniz. Dünya ile Mars arasında güvenilir bir aktarma sistemi kurmak ve ardından astronotlarınızı kimyasal bir itme gücü kullanarak göndermek sistem. Bunun nedeni, insanların esasen ağır donanım parçaları olmalarıdır. “Kitlemiz hafif değil!” dedi. “Sadece birkaç personel için bile önemli miktarda bir kitleyiz. Bu nedenle, kimyasal bazlı tahrike ihtiyacınız var.”

Mars'a hazır mıyız?

Mars'a mürettebatlı bir görev ayarlama konusunda birçok karmaşıklık var. Ama tahrik sistemleri söz konusu olduğunda, yarın oraya bir görev gönderecek teknolojiye sahibiz.

Ahmed, "50'li yıllara dayanan geleneksel roket motorları sizi oraya götürecek" dedi. Sınırlayıcı faktörün daha yavan bir şey olduğu ortaya çıktı. "Asıl soru, bunun sana ne kadara mal olacağı."

Kimyasal tabanlı tahrik sistemlerini kullanarak Mars'a roket göndermek çok ama çok pahalı. Ve Mars'ın daha fazla keşfedilmesi için hem kamuoyu hem de akademik bir iştah olsa da, böyle bir görev için mevcut olan para sonsuz değildir. Bu nedenle, keşfi daha uygun maliyetli hale getirmek için elektrikli veya nükleer tahrik sistemleri gibi teknolojiler geliştirmemiz ve kullanmamız gerekecek.

Kimyasal tabanlı tahrik alanında bile, rotasyonlu patlatma motorları veya yeni yakıtlar gibi teknolojideki gelişmeler, daha fazla keşfi teşvik edecek şekilde maliyetlerin düşürülmesine yardımcı olabilir. "Zorluk, mevcut roket sistemlerinden daha ekonomik olan mühendislik sistemleri geliştirmektir" dedi. “50'lerin teknolojisi sizi sorunsuz bir şekilde Mars'a götürecek. Bu sadece süper, süper pahalı. Ve kimse bunun bedelini ödemek istemeyecektir. Ama teknoloji orada.”

Editörlerin Önerileri

• Kozmolojik bir işe gidip gelme: İnsanları Mars'a göndermenin zorlu lojistiği
• Astropsikoloji: Mars'ta aklı başında nasıl kalınır?
• Diğer gezegenlerdeki enerji santralleri: Mars'ta nasıl elektrik üreteceğiz?
• Hasat hidrasyonu: Gelecekteki yerleşimciler Mars'ta nasıl su yaratacak ve toplayacak?
• Astro-tarım: Mars'ta nasıl ekin yetiştireceğiz?