Оскільки нещодавні місії на Марс, як-от Perseverance NASA, Hope від ОАЕ та Tianwen-1 у Китаї, мали приголомшливий успіх, вам можна пробачити думку, що дістатися до Марса легко. Але є велика різниця між відправленням марсохода чи орбітального апарату на Червону планету та надсиланням тієї інфраструктури та технологій, які нам знадобляться, щоб створити там присутність людей.
Зміст
- Стара надійність: хімічні двигуни, які ми використовуємо зараз
- Удосконалення систем хімічного руху
- Чому хімічна тяга нікуди не йде
- Більш ефективний варіант: електричний двигун
- Слон у кімнаті: ядерний двигун
- Це не те чи інше; це все перераховане вище
- Чи готові ми до Марса?
Хімічний двигун, можливо, виніс нас у Сонячну систему, але для наступної фази людини дослідження космосу, нам знадобляться нові технології двигунів, щоб доповнити ті, які ми використовували для останні 50 років. Щоб отримати подробиці про те, як може виглядати двигун для екіпажу експедиції на Марс, ми поговорили з Карімом Ахмедом, доцентом Факультет машинобудування та аерокосмічної інженерії Університету Центральної Флориди та експерт із передових ракетних двигунів системи.
Рекомендовані відео
Ця стаття є частиною Життя на Марсі, серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс
Стара надійність: хімічні двигуни, які ми використовуємо зараз
Щоб відправити ракету вгору крізь атмосферу Землі та вилетіти в космос, потрібна велика тяга. Вам потрібно протидіяти не лише тертю земної атмосфери, але й значній силі тяжіння, яка тягне об’єкти назад на землю.
З 1950-х років ми використовуємо один і той самий базовий принцип для приводу ракет, який називається хімічним двигуном. По суті, ви запалюєте пропелент (суміш палива й окислювача), який створює тепло. Це тепло змушує матеріал всередині ракети розширюватися, який потім виштовхується із задньої частини ракети. Цей викид палива створює тягу, яка штовхає ракету вгору з величезною силою, і ця сила дозволяє йому подолати вплив гравітації та вирватися в космос за межі нашої планети.
«Хімічні двигуни просто додають тепло паливу дуже швидко. Цей пропелент, як тільки ви його нагрієте, він розширюється з дуже високою швидкістю», – пояснив Ахмед. «Ця швидкість є функцією того, скільки тепла ви вкладаєте. Тож подумайте про це так, ніби коли у вас вибух, у вас є величезна кількість газу, який швидко рухається. І це швидкість».
Це велика перевага хімічного двигуна над іншими видами двигуна, які розглядаються: швидкість. Хімічний двигун допомагає ракетам летіти дуже, дуже швидко. Але це не завжди найефективніший варіант.
«Подумайте про це як про Prius проти Corvette», — сказав Ахмед. «Якщо ви хочете дуже швидко дістатися з пункту А в пункт Б, важко перемогти двигун на основі хімічних речовин». Однак, коли ви хочете бути більш ефективними, інші силові установки можуть вступити в свої права. «Якщо ви намагаєтеся дістатися з точки А в точку Б з розумною швидкістю, але з високою ефективністю, то двигун на основі хімічних речовин може бути не правильним інструментом».
Удосконалення систем хімічного руху
Принцип хімічного двигуна, можливо, залишався незмінним протягом останніх кількох десятиліть, але це не означає, що технологія не вдосконалюється, наприклад дослідження різних типів палива.
Ефективність типів палива залежить від щільності енергії — скільки енергії може зберігатися певною кількістю палива. Ось чому важко використовувати водень як паливо, хоча він виділяє багато тепла в хімічних реакціях, оскільки він дуже легкий і має низьку щільність. Важко зберігати багато водню в невеликій кількості простору, тому це не дуже ефективне паливо.
Сучасні ракети найчастіше використовують паливо на основі гасу — в основному те саме, що й реактивне паливо, — але наразі найбільше інтересів займає паливо на основі метану чи природного газу. Це паливо не обов’язково було б більш ефективним як паливо, але воно було б значно дешевшим, оскільки природного газу є багато, і ми вже маємо технологію для його збору.
«Якби SpaceX могла використовувати природний газ для польоту свого Falcon 9, вони мали б багато заощаджень і, отже, прискорили б дослідження космосу», — сказав Ахмед як приклад. «Якщо ми зможемо зменшити вартість виходу на зовнішню орбіту, це зробить космос більш доступним для нас».
Ще один напрямок досліджень — удосконалення самих двигунів. Команда Ахмеда є однією з кількох груп, які працюють над системою під назвою обертовий детонаційний ракетний двигун, який міг би генерувати більше енергії з меншою кількістю палива порівняно з традиційними двигунами.
Ретельно контролюючи кількість водню та кисню, що подаються в двигун, тиск можна створювати ефективніше. Це може зменшити розмір ракетного двигуна, усунувши потребу в дуже потужному компресорі, і він також використовує паливо більш ефективно. Незабаром цю технологію можна буде використовувати: Ахмед каже, що ВПС США планують випробувати такий двигун до 2025 року.
Чому хімічна тяга нікуди не йде
Для зльоту з Землі необхідна хімічна тяга. «Починаючи з рівня землі, двигун на основі хімічних речовин стає критичним, тому що вам потрібна така кількість енергії, щоб перенести цю вагу від землі на більшу висоту. Щоб подолати силу гравітації, — пояснив Ахмед.
Він навів приклад SpaceX. Коли компанія запускає ракету, чому вона не використовує електричну систему, подібну до тієї, яку використовує Tesla? Ці дві компанії належать одній особі, Ілону Маску, тож, безумовно, вони можуть ділитися технологіями. Але електрична силова установка не може створити тягу, необхідну для відриву ракети від землі — вона просто не виробляє достатньо енергії.
Тому нам потрібно буде продовжувати використовувати хімічну тягу для запуску ракет в осяжному майбутньому. Але це змінюється, коли ракета виходить на орбіту. Коли він подолає гравітацію Землі та опиниться в космосі, це буде схоже на використання круїз-контролю. Управління космічним кораблем у космосі вимагає відносно невеликої тяги, оскільки немає тертя повітря чи спрямованого вниз гравітаційного тяжіння. Ви навіть можете використовувати гравітаційні сили сусідніх планет і супутників.
Таким чином, інша силова система може зайняти роботу для більш ефективних операцій.
Більш ефективний варіант: електричний двигун
Коли ракета опиниться на орбіті, їй часто доведеться змінювати траєкторію — невеликі коригування, щоб налаштувати її швидкість і переконатися, що вона рухається в правильному напрямку. Для цього потрібна система тяги. «Вам потрібні тисячі ньютонів, щоб керувати транспортним засобом, вийти зі стану нульової швидкості, підняти його та подолати силу тяжіння ваги, яку ви несете. Ось чому вам потрібна велика, велика ракетна система. Але на зовнішній орбіті на вас більше не впливають гравітаційні сили, у вас є лише кінцева швидкість, яку ви намагаєтеся подолати», – пояснив Ахмед.
І існує багато способів створити силу, необхідну для коригування курсу космічного корабля. «Поштовх є поштовх», — сказав він. «Ви набираєте масу. Ви відкидаєте масу, тому вона рухає вас у протилежному напрямку. Це кількість маси і те, як швидко ви виснажуєте цю масу».
Технологія, яка часто використовується в малих супутниках, або малих супутниках, - це електричний двигун. Вони використовують електричну енергію (часто зібрану за допомогою сонячних панелей) для іонізації газового палива. Потім цей іонізований газ витісняється із задньої частини супутника за допомогою електронного або магнітного поля, створюючи тягу, яка рухає космічний корабель.
Це надзвичайно ефективна система, яка може використовувати до На 90% менше пального ніж хімічний двигун.
«Для електричної тяги ваша маса дуже мала, і вам насправді не потрібна велика швидкість, щоб дати вам тягу», — сказав Ахмед. Електронні силові установки можуть іонізувати практично будь-який матеріал, тому вони можуть працювати з будь-яким доступним.
Слон у кімнаті: ядерний двигун
Люди часто відчувають дискомфорт від ідеї ядерної енергії в космосі. І, безумовно, є питання безпеки, які слід враховувати при використанні ядерної енергії, особливо для місій з екіпажем. Але ядерний двигун може бути просто тим, що дозволяє нам відвідувати далекі планети.
«Ядерна енергія насправді дуже ефективна», — пояснив Ахмед. Ядерна рушійна система працює через реактор, який генерує тепло, яке потім використовується для нагрівання палива, яке викидається для створення тяги. Він використовує цей палив набагато ефективніше, ніж двигун на хімічній основі.
Мета NASA полягає в тому, щоб максимально скоротити час подорожі екіпажу між Землею та Марсом до двох років.
І це довгостроково, що є його великою перевагою. «Система на хімічній основі, ви спалюєте пропелент і виснажуєте його, і у вас його більше немає», — сказав Ахмед. «Ви випустили цю енергію і втратили її. На відміну від ядерної системи, уран або плутоній, які ви збираєтеся використовувати, є, і вони не зникнуть. Це стабільно, оскільки ви підтримуєте свій активний реактор».
Незважаючи на те, що ця реакція є стійкою, тепло, яке вона генерує, все одно потрібно направити в масу. Ви б не хотіли вичерпати уран або плутоній, які використовуються в реакції. Корисним є те, що матеріал, який нагрівається, може бути практично будь-яким газом або твердою речовиною, хоча газ є кращим, оскільки він краще реагує на тепло.
У космосі немає газів для використання, тому вам все одно доведеться взяти їх із собою. Але на планеті з атмосферою, такій як Марс, ви теоретично можете використовувати легкодоступні гази, такі як вуглекислий газ, як пропелент.
NASA зараз розглядає ядерні двигуни для місій на Марс. «Мета NASA полягає в тому, щоб максимально скоротити час подорожі екіпажу між Землею і Марсом до двох років. Космічні ядерні силові установки можуть скоротити загальний час місії та забезпечити підвищену гнучкість і ефективність для розробників місій», – агентство. писав про ядерні системи. Але твердих рішень ще не прийнято. «Занадто рано говорити про те, яка силова установка доставить перших астронавтів на Марс, оскільки для кожного зближення ще потрібні значні розробки».
Це не те чи інше; це все перераховане вище
Ми все ще перебуваємо на початковій стадії планування пілотованої місії на Марс. Нам потрібно враховувати практичні вимоги, а також такі фактори, як вартість, коли справа доходить до планування наших наступних кроків.
Ахмед не думає, що одна силова система виявиться набагато кращою за інші. Натомість він передбачає поєднання різних систем, які використовуються відповідно до конкретних потреб місії.
«Я б сказав, що знадобляться всі три системи», — пояснив він. «У вас немає ідеальної силової установки, яка б відповідала всім вашим завданням». Хоча хімічний двигун можна використовувати для будь-якої місії, це можливо не завжди доцільно — він порівняв це з тим, щоб дістатися до сусідньої будівлі на Ferrari та витратити купу палива, коли можна просто ходити.
Для місій на Марс з екіпажем «вам доведеться використовувати ядерну, електричну та хімічну систему, без якої ви не обійдетеся», – сказав він. Наприклад, ви можете використовувати електричну рухову систему для доставки вантажу, як середовища існування, використовувати ядерний двигун створити надійну систему ретрансляції між Землею та Марсом, а потім відправити своїх астронавтів за допомогою хімічного двигуна система. Це тому, що люди, по суті, є важкими апаратними засобами. «Наша маса не легка!» він сказав. «Ми є значною масою, навіть лише для кількох співробітників. Тому вам потрібен двигун на хімічній основі».
Чи готові ми до Марса?
Організація місії на Марс з екіпажем пов’язана з багатьма складнощами. Але коли мова йде про силові установки, у нас є технологія, щоб відправити туди місію завтра.
«Традиційні ракетні двигуни 50-х років допоможуть вам досягти цього», — сказав Ахмед. Обмежуючим чинником виявляється щось більш прозаїчне. «Питання в тому, скільки це вам коштуватиме».
Відправка ракет на Марс з використанням хімічних силових установок просто дуже, дуже дорога. І хоча як громадськість, так і науковці мають бажання більше досліджувати Марс, сума грошей, доступна для такої місії, не безмежна. Тому нам потрібно буде розробляти та використовувати такі технології, як електричні або ядерні двигуни, щоб зробити розвідку доступнішою.
Навіть у сфері двигунів на хімічній основі розвиток технологій, як-от ротаційно-детонаційні двигуни чи нове паливо, може допомогти зменшити витрати, що сприятиме розширенню досліджень. «Завдання полягає в розробці інженерних систем, які є економічнішими, ніж поточні ракетні системи», — сказав він. «Технології 50-х років без проблем доставлять вас на Марс. Це просто супер, супер дорого. І ніхто не захоче за це платити. Але технологія є».
Рекомендації редакції
- Космологічне переміщення: хитра логістика відправлення людей на Марс
- Астропсихологія: як залишатися здоровим на Марсі
- Електростанції на інших планетах: як ми будемо виробляти електроенергію на Марсі
- Збирання гідратації: як майбутні поселенці будуть створювати та збирати воду на Марсі
- Астроагрокультура: як ми будемо вирощувати зернові культури на Марсі
