Łatwa podróż na inne planety.

Podróże międzyplanetarne są technicznie możliwe. Podstawowe idee znamy od dziesięcioleci. Oczywiście wiele elementów wymaga dopracowania. Ale jest to do zrobienia. Przedstawiam popularne wprowadzenie do tematu.

Tytuł zerżnąłem ze znanego opracowania Swami Prabhupada. Bo mi się podobał. Oczywiście, mistrz miał na myśli planety w sensie duchowym, nie materialnym.

W poprzednim tekście skoncentrowałem się głównie na problemie wylotu w kosmos, choćby na orbitę. Istotny jest tu aspekt ekonomiczny. A więc pojazdy orbitalne, SSTO …   pirx.nowyekran.pl/post/37841,bogactwa-kosmosu-dlaczego-nie-dla-nas 

Kontynuując temat zajmę się bardziej zagadnieniami związanymi z podróżami stricte międzyplanetarnymi, w kosmosie.

Dla zdeklarowanych humanistów dodam krótkie, intuicyjne bardziej, przybliżenie poszczególnych terminów i tematów. Oznaczę je kolorem ciemnozielonym. Polecam zajrzeć do rozdziału o podstawowych zagadnieniach astronautyki w moim poprzednim tekście (Próbowałem tam wyjaśnić podstawowe pojęcia takie jak, na przykład impuls właściwy.). pirx.nowyekran.pl/post/37841,bogactwa-kosmosu-dlaczego-nie-dla-nas#basicAstronautics

Prostą konkluzją jest stwierdzenie iż tradycyjne, chemiczne napędy rakietowe (oparte na spalaniu) są do tego celu za słabe. Przypomnijmy: prędkość wylotowa gazów z dyszy przekracza zaledwie 4 km/s podczas gdy minimalna prędkość orbitalna wynosi około 8 km/s. Aby zrealizować podróż międzyplanetarną prędkość powinna wynieść niemal 12 km/s. 

To nie zmienia faktu, że podróże takie zrealizowano – choćby wysyłając automatyczne sondy na Marsa, do asteroid czy planet zewnętrznych (Jowisz). Tylko jakim kosztem …

Po pierwsze, odległości do pokonania są rzędu setek milionów a nawet paru miliardów kilometrów. Po drugie, prędkości, przy obecnej technologii, ledwie przekraczające prędkość ucieczki (11 km/s), zmuszają do lotu po długich spiralnych trajektoriach. 

W rezultacie lot ma Marsa trwa ponad pół roku, a do planet zewnętrznych nawet całe lata. Przykładowo: wysłany w 2011 próbnik Juno będzie się wlókł do Jowisza niemal pięć lat.

Obserwując piruety, jakie czynił próbnik Galileo, zauważamy iż mijał planetę Wenus. Aż chciało by się powiedzieć „gdzie Rzym a gdzie Krym ?”. Tymczasem podkradamy, w ten sposób, odrobinkę energii kinetycznej tej planety by nieco przyśpieszyć lot, bez używania dodatkowego paliwa … Sama ta sztuczka jest ciekawa i na osobny temat. Pokazuje jak jesteśmy „biedni” jeśli chodzi o napędy kosmiczne.

Podstawowym problem jest więc w prędkość. Przy większych, dodatkowo trajektorie by się nawet trochę „wyprostowały”. 

Istnieje coś takiego jak okno startowe, czyli przedział czasu w którym może nastąpić start zaplanowanej wyprawy kosmicznej. Zależy ono od konfiguracji ciał niebieskich. Obecnie wąskie i krytyczne. Przy większych prędkościach już nie będzie aż tak krytyczne. Przy jeszcze większych jego znaczenie będzie maleć.  
 

 

Każdy kto strzelał kiedykolwiek z broni palnej zna zjawisko odrzutu – karabin (względnie pistolet) cofa się w kierunku przeciwnym niż wystrzelony pocisk. Mówiąc po belfersku: jest to zasada zachowania pędu będąca konsekwencją trzeciej zasady Newtona.

  To samo zjawisko wykorzystujemy w napędzie rakietowym. Rolę pocisku odgrywa substancja robocza. (Tym technicznym terminem nazywamy to co wylatuje z dyszy rakiety. Szukałem jakiegoś milej dla ucha brzmiącego synonimu, niestety niewiele dało się wskórać.). Jest ona wyrzucana w sposób ciągły, dając ciągłą siłę odrzutu. W tradycyjnej rakieci jest to gaz powstały po spaleniu paliwa. Jego masa jest równa sumie mas paliwa i utleniacza.

Jest sprawą oczywistą iż im szybciej coś odrzucamy – tym mniejszą masę musimy odrzucić. 

Jak już wcześniej wspomniałem najlepsze co udało się osiągnąć to trochę ponad 4 km/s. To i tak nieźle – z pięć razy tyle co klasyczny karabin … Niestety w stosunku do wymagań – mało. W rezultacie masa paliwa (będącego substancją roboczą) wielokrotnie przewyższa masę użytecznego ładunku. O przyzwoitych prędkościach rzędu kilkudziesięciu kilometrów na sekundę możemy tylko pomarzyć. Teoretycznie osiągalne – praktycznie nie.

Jako ciekawostkę dorzucę ten link:  www.naszdziennik.pl/index.php

Trzeba więc radykalnie zwiększyć prędkość substancji roboczej, opuszczającej silnik rakietowy.

A więc skoncentruję się na następujących koncepcjach napędu:

• jądrowy;
• jonowy;
• plazmowy.

Paradoksalne, ale wiemy o nich od lat. Podstawowe idee były znane już w latach 50-tych (XX stulecia). Pośrednim świadectwem może być bogata literatura Science Fiction. Oczywiście ta z naciskiem na słowo science.

Wspólną cechą, tych trzech rodzajów napędu, jest rozdzielenie źródła energii od substancji roboczej. W tradycyjnych silnikach odrzutowych i rakietowych paliwo spalone w utleniaczu stawało się substancją wyrzucaną z dyszy. Niestety chemia powiedziała swoje, szczytem osiągnięć jest wodór spalany w tlenie. Impuls właściwy ponad 400 sekund, prędkość wylotowa ponad 4 km/s. Trzeba zatem poszukać czegoś innego.
 

Pozwolę sobie na pewne porównanie, sięgające wstecz – maszyna parowa. Paliwem był węgiel substancją roboczą para wodna. Później, w epoce nafty, przyzwyczailiśmy się iż produkty spalania stawały się czynnikiem roboczym w silnikach spalinowych (do których zalicza się silnik odrzutowy). 

Teraz pójdziemy jeszcze dalej.
 
 

Termiczny napęd jądrowy.

Prace nad atomowym rakietowym silnikiem rozpoczęto jeszcze w latach 50-tych zarówno w USA jak i w ZSRR. Rezultatem zakończonego, na przełomie lat 70/80 programu NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) był działający silnik jądrowy o impulsie właściwym ponad 800 sekund. Szacuje się, że po wdrożeniu koncepcji doszedł by do 1000 sekund. Jest to wartość wystarczająca by zrealizować wyprawę na Marsa. Do tego celu był też projektowany. 

Być może nie wszyscy pamiętają, ale planowano wysłanie pierwszych kosmonautów na Czerwoną Planetę już w latach siedemdziesiątych i w połowie lat 80-tych XX stulecia.  

 

Na zdjęciu widać naziemną próbę silnika jądrowego na pustynnym poligonie w stanie Nevada. Zdjęcie z końca lat sześćdziesiątych.

Z lekcji fizyki pamiętamy, że ciepło jest to ruch molekuł. Temperatura odzwierciedla ich średnią energię kinetyczną. Otóż prędkość substancji roboczej w dyszy silnika rakietowego zależy właśnie od prędkości tych molekuł. Tak z grubsza oczywiście. No więc łatwo zauważyć, że będzie ona rosła im lżejsze są te molekuły no i oczywiście z temperaturą. Prędkość 4 km/s uzyskujemy z rozgrzanej pary wodnej (ponad 3000 C). 

Używając substancji roboczej o lżejszych molekułach niż woda możemy, w tej samej temperaturze, uzyskać większą prędkość. Cząsteczka wodoru H₂ ma masę 9 razy mniejszą niż cząsteczka wody H₂O – teoretycznie biorąc – wodór podgrzany to tej samej temperatury powinien pozwolić na prędkość trzy razy większą. Proporcjonalnie do prędkości rośnie parametr zwany impulsem właściwym.

Zasada silnika jądrowego, skonstruowanego w projekcie NERVA, jest prosta. Wodór jest przepuszczany przez działający reaktor jądrowy. Podgrzany wylatuje przez dyszę.

Przerażonym ekologom wyjaśnię iż był przewidziany do działania poza atmosferą ziemską. A kosmos jest wielki, zbyt wielki by go zanieczyścić … Spokojnie.

Bardziej wyrafinowane projekty przewidywały oddzielenie reaktora od masy pędnej i podgrzewanie tej ostatniej za pomocą prądu elektrycznego

Na zdjęciu prototyp radzieckiego silnika jądrowego. Impuls właściwy rzędu 900 sekund. Był to odpowiednik NERVA, tyle że z drugiej strony Żelaznej Kurtyny.

 

A tu już artystyczna wizja załogowej wyprawy na Marsa z wykorzystaniem termicznego napędu jądrowego. Zainteresowanym podam link: beyondapollo.blogspot.com/2011/09/bntr-drm-30-2001.html

Dodam, że pierwszy raz czytałem o programie NERVA i silnikach KIWI wiele lat temu, jeszcze w szkole. Pisano o tym w kwartalniku Astronautyka.

 

Źródła energii.

Znane nam źródła energii oparte na spalaniu możemy odłożyć do lamusa. Aby coś się paliło w kosmicznej próżni należy zabrać ze sobą tlen (lub inny utleniacz). W dodatku więcej niż samego paliwa. A poza tym już wykazaliśmy, że nawet spalanie wodoru w tlenie jest za mało wydajne.

Pozostają zatem dwa:

•  energia jądrowa
• światło słoneczne

Co poniektórzy przebąkują coś o energii wiatru słonecznego, niestety na dzień dzisiejszy nie znamy wydajnych rozwiązań.

 

Energia jądrowa.

Ogniwa izotopowe, przekształcające ciepło z rozpadu radioaktywnego (na przykład plutonu) są często stosowane do zasilania satelitów lub sond. Posiada coś takiego, wysłany niedawno na Marsa, łazik Curiosity, posiadały również jego poprzedniki oraz, na przykład sonda Saturna Galileo. (o tym łaziku: pirx.nowyekran.pl/post/41776,czemu-tak-trudno-poleciec-na-marsa)

Nie jest to reaktor jądrowy w tym sensie, w jakim rozumiemy to w energetyce. Jednakże na poważniejsze wyprawy, w tym załogowe trzeba będzie takowy ze sobą zabrać. Mały, lekki lecz sprawny. Jest tu kilka wyzwań, choćby to iż nie zbudujemy wielotonowej betonowej ochrony przed promieniowaniem. Ale spójrzmy na rysunek misji marsjańskiej – reaktory są po przeciwnej stronie pojazdu, maksymalnie oddalone od części załogowej. A przy tym oddzielone zbiornikami substancji odrzutowej – wodoru

Chciałbym dodać iż, zgodnie z krążącymi plotkami, NASA nie odpuściła sobie idei zimnej fuzji. Nadal drążą temat pomimo negatywnej opinii wielu fizyków. No cóż – mnie to nawet i nie dziwi. Być może prawdopodobieństwo nie jest zbyt wysokie, ale za to wygrana warta „skórki za wyprawkę”. Podobne rozumowanie stosują grający w totolotka 🙂

 

Energia słoneczna.

Na jeden metr kwadratowy powierzchni ustawionej prostopadle do Słońca dociera 1367 watów. Jest to moc całkiem przyzwoita, wystarczająca nawet do uruchomienia mocnego czajnika elektrycznego. 

Humor może popsuć fakt iż współczesne fotoogniwa potrafią przetworzyć na elektryczność najwyżej trzydzieści parę procent energii światła. No cóż, nadal pozostaje ilość całkiem przyzwoita. 

Prace nad fotoenergią toczą się dalej. Pod koniec października 2011 grupa fizyków z Austin w Texasie ogłosiła iż są w stanie uzyskać dwa razy tyle – ponad 60 %. Ich koncepcja wykorzystuje szersze pasmo z widma światła słonecznego. 

Wyzwaniem jest też produkcja możliwie lekkich ogniw. Być może klucz leży w nanotechnologii. Myślę, na przykład o grafenie – chodzi o stworzenie cienkiej i lekkiej, choć dość mocnej folii. Problemem inżynierów było by napylenie na nią odpowiednich warstw półprzewodników.

Pojazd międzyplanetarny z ogromnymi (liczącymi tysiące metrów kwadratowych) płaszczyznami baterii słonecznych musiałby jednak unikać co większych przyśpieszeń. No chyba że opracują technologię ich składania.

Jest jeszcze jedna smutna sprawa – otóż ilość energii jaka dociera ze Słońca maleje wraz z odległością od niego. A co gorsz z kwadratem odległości. W rezultacie na orbicie Marsa dostaniemy najwyżej połowę tego co przy Ziemi. A w przypadku planetoid kilkukrotnie mniej. 

 

Napęd jonowy.

Pomysł znany od lat. Pierwsze idee ponoć pochodzą jeszcze od pionierów astronautyki: Ciołkowskiego i Goddarda.

Silnik jonowy to po prostu mały akcelerator, czyli przyśpieszacz naładowanych cząstek. Jonów. Działa to w próżni już po opuszczeniu atmosfery.

Substancją roboczą jest najczęściej gaz szlachetny – xenon. Najprostszą konstrukcją jest przyśpieszanie jonów pomiędzy dwiema elektrodami napięciem rzędu 5000 V. Oczywiście gaz ten musi być najpierw zjonizowany – co oznacza oderwanie elektronów od atomów. Co dokonuje się najczęściej przez bombardowanie ich strumieniem elektronów względnie przy pomocy mikrofal. Przypominam, że taki silnik pracuje praktycznie w próżni.

Bardziej wyrafinowane jest przyśpieszanie jonów przy wykorzystaniu pola magnetycznego (efekt Halla).
 

 

Wadą silnika jonowego jest mały ciąg. Uzyskanie siły rzędu 1 kG (chodzi o 10N) wymaga mocy rzędu 250 kW. Zaletą jest długi czas działania, w miesiącach a nawet latach.

 Proszę sobie uprzytomnić, że 1 tona ciągu przez jedną sekundę da tyle samo co 1 kG przez 1000 sekund. Działający przez wiele miesięcy napęd jonowy jest w stanie, powoli lecz stanowczo, rozpędzić statek kosmiczny do całkiem przyzwoitych prędkości. 

Stosowane obecnie silniki jonowe wyrzucają substancję roboczą z prędkościami kilkudziesięciu a nawet stu kilometrów na sekundę osiągając impuls właściwy kilku tysięcy sekund do 10 000 sekund. Oznacza to dziesięcio-dwudziestokrotnie większą sprawność niż w przypadku napędów chemicznych.

Australijscy inżynierowie, współpracujący z europejską ESA, ogłosili, pięć lat temu, konstrukcję (elektrostatyczną) osiągającą prędkość wylotową 210 km/s. 50 razy tyle co dają silniki tlenowo-wodorowe (!). Impuls właściwy 21 000 sekund. Zapowiada się ciekawie.

No i jeszcze jedna drobna lecz ważna sprawa. Oprócz emisji jonów napęd taki musi pozbywać się nadmiaru elektronów – emitując je w próżnię. Inaczej ujemnie naładowany elektrostatycznie pojazd kosmiczny przyciągał by z powrotem wyemitowane zjonizowane cząstki i cała robota poszła by na marne.
 
 

Pierwsze praktyczne próby silników jonowych sięgają jeszcze lat sześćdziesiątych. Planowano użycie ich w trybie długotrwałej pracy do stabilizowania orbit satelitów.

Spośród zrealizowanych misji są dwie o których warto wspomnieć.
 

 

 Próbnik Deep Space, wysłany w październiku 1998, poszybował w kierunku asteroidy 9969 Braille by następnie skierować się w ku komecie Borelly. Napędzał go silnik jonowy o malutkim ciągu – zaledwie 92 mili Newton’ów, czyli około 10 gram siła (pobierając moc 2100 watów). Działał jednak przez długi czas – ponad dwa lata.

 

Japoński próbnik Hayabusa wysłany w maju 2003 doleciał pod koniec 2005 do planetoidy 25143 Itokawa. Pobrał próbki gruntu, które wróciły na Ziemię w specjalnym zasobniku (lipiec 2010). Również i w tym przypadku działały małe silniczki jonowe. Poniżej fotografia tej docelowej asteroidy.

Wygląda trochę jak kartofel, nie ? 

 

Napęd plazmowy.

Sięgnę znów do wiedzy szkolnej. Ciepło to ruch zderzających się cząsteczek. Gdy podgrzejemy gaz do temperatury kilku tysięcy stopni prędkości będą tak wielkie, że nie tylko molekuły porozpadają się na pojedyncze atomy ale i te zaczną gubić swoje elektrony. W rezultacie otrzymujemy plazmę. Legendarny czwarty stan skupienia.

Cóż jest takiego w plazmie, oprócz tego, że jest to bardzo gorący gaz ? Pomieszanie ujemnych elektronów z dodatnio naładowanymi, zjonizowanymi atomami. Taka mieszanina staje się przewodnikiem prądu. Daje się polaryzować w polu elektrycznym a po przepuszczeniu prądu – daje się nań oddziaływać polem magnetycznym.

Temperatura wielu tysięcy stopni sprawia iż możemy liczyć na sporą prędkość wylotową. Większą niż w przypadku paliw chemicznych. Możliwość oddziaływania polem elektrycznym i magnetycznym daje możliwość uniknięcia bezpośredniego kontaktu ze ścianami silnika. Tego żaden znany materiał by nie wytrzymał.

VASIMR to skrót od Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket. Jedno z rozwiązań, dość obiecujące zresztą, rozwijany przez firmę prywatną Ad Astra Rocket Company.

Na rysunku widać coś co przypomina zmodyfikowany silnik rakietowy. Gaz dostaje się do komory silnika, jest jonizowany a następnie podgrzewany. Dzięki przewodnictwu elektrycznemu plazmy daje się „ściskać” polem magnetycznym, bez styku ze ścianami urządzenia.

Obecnie szacowany impuls właściwy to około 5000 sekund. Siła ciągu około 1,5 kG – więcej niż w przypadku podobnych silników jonowych. Substancją roboczą jest gaz szlachetny argon. Wymagane zasilanie 80-200 kilowatów.

Prace zaczęto jeszcze w ZSRR. Obecnie pracuje kilka zespołów, opracowujących różne koncepcje napędu plazmowego, w tym European Space Agency, Australian National University … 

Ciekawostką może być fakt iż pracują nad tym również w Iranie, w ramach programu kosmicznego Iranian Space Agency. Persowie mogą nas jeszcze nieraz zaskoczyć …

 

Na rysunku widzimy wyobrażenie załogowej wyprawy na Marsa pojazdem napędzanym silnikami plazmowymi typu VASIMR.
 

W pracach nad napędem plazmowym przydały się doświadczenia z prac nad Tokamak (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Miało to służyć do badań nad kontrolowaną reakcją syntezy jądrowej. Z drugiej strony doświadczenia z urządzeniami typu VASIMR będą przydatne i w innych dziedzinach, związanych z plazmą.

Na sam koniec dam jeszcze zdjęcie z testowania prototypu silnika plazmowego w laboratorium wydziału Aeronautyki i Astronautyki słynnego MIT (w USA). 

 

 
 

No i na tym na dziś zakończę. Przygotuję wkrótce tekst o legendarnym żaglu słonecznym. Jest to elegancka technika przyszłości, jednak z innej bajki niż to co opisałem dzisiaj.