אשראי תמונה: נאס"א
כידוע, רקטות כימיות איטיות מדי לחקירת חלל. אולי היעילות ביותר תהיה מערכות היברידיות, עם הנעה מסוגים שונים המשמשים בנקודות שונות של מסע. מאמר זה נותן פירוט של הטכנולוגיות בהן עובדות נאס"א כעת.
"אמא, אנחנו עדיין שם?"
כל הורה שמע את הבכי מהמושב האחורי של המכונית. זה בדרך כלל מתחיל כרבע שעה אחרי תחילת טיול משפחתי. דבר טוב לעיתים רחוקות אנחנו נוסעים יותר ממאות או כמה אלפי מיילים מהבית.
אבל מה אם הייתם נוסעים, נגיד, מאדים? אפילו בגישה הקרובה ביותר לכדור הארץ כל כמה שנים, הכוכב האדום נמצא תמיד לפחות 35 מיליון קילומטרים משם. שישה חודשים שם וחצי שנה אחורה - במקרה הטוב.
"יוסטון, אנחנו עדיין שם?"
"רקטות כימיות פשוט איטיות מדי", מקונן לס ג'ונסון, מנהל טכנולוגיות הובלה בחלל במרכז הטיסה בחלל במרשל של נאס"א. "הם שורפים את כל הדחף שלהם בתחילת טיסה ואז החללית פשוט חופה את שארית הדרך." אף על פי שאפשר להזיז חללית באמצעות כוח המשיכה - סדק שמימי - השוט סביב כוכבי לכת, כמו זה סביב שבתאי שהפיל את וויאג'ר 1 לקצה מערכת השמש - זמני נסיעה הלוך ושוב בין כוכבי לכת נמדדים עדיין בשנים לעשרות שנים. ומסע לכוכב הקרוב היה לוקח מאות שנים, אם לא אלפי שנים.
גרוע מכך, רקטות כימיות פשוט חסרות דלק מדי. חשבו לנסוע במכונית דלק ברחבי מדינה ללא תחנות דלק. יהיה עליכם לשאת המון סירות ולא הרבה מעבר לכך. במשימות חלל, מה שתוכלו לנסוע בטיול שלכם שאינו דלק (או מיכלי דלק) נקרא מסת המשא - למשל, אנשים, חיישנים, דגימות, ציוד תקשורת ואוכל. ממש כמו שמדד קילומטראז 'הוא נתון ראוי לתועלת ליעילות הדלק של מכונית, כך "שבר המסה של מטען המשא" - היחס בין מסת המשא של המשימה לסה"כ המסה שלה - הוא נתון כשרון שימושי ליעילות מערכות ההנעה.
עם הרקטות הכימיות של ימינו, חלק המסה של מטען המשקל נמוך. "אפילו באמצעות מסלול אנרגיה מינימלי כדי לשלוח צוות של שישה אנשים מכדור הארץ למאדים, עם רקטות כימיות בלבד, מסת השיגור הכוללת תעלה על 1,000 טון מטרי - מתוכם כ -90 אחוז היו דלקים," אמר ברט ג. דרייק, מנהל ניתוח ושילוב שיגור חלל במרכז החלל ג'ונסון. הדלק לבדו היה שוקל פי שניים מתחנת החלל הבינלאומית שהושלמה.
משלחת מאדים אחת עם טכנולוגיית ההנעה הכימית של ימינו תדרוש עשרות שיגורים - רובם פשוט משיקים דלק כימי. זה כאילו המכונית הקומפקטית שלך בטון צריכה 9 טון בנזין כדי לנסוע מעיר ניו יורק לסן פרנסיסקו מכיוון שהיא ממוצעת של קילומטר וחצי לגלון בלבד.
במילים אחרות, מערכות הנעה בעלות ביצועים נמוכים הן אחת הסיבות העיקריות לכך שבני האדם טרם דרכו על מאדים.
מערכות הנעה יעילות יותר מגדילות את חלקיק המסה של העומס על ידי מתן "קילומטראז 'גז" טוב יותר בחלל. מכיוון שאינך זקוק לדלק רב-כמות, אתה יכול לסחוב עוד דברים, להיכנס לרכב קטן יותר ו / או להגיע לשם מהר יותר וזול. "המסר העיקרי הוא: אנו זקוקים לטכנולוגיות הנעה מתקדמות כדי לאפשר משימה בעלות נמוכה למאדים," הצהיר דרייק.
לפיכך, נאס"א מפתחת כעת כונני יונים, מפרש סולרי וטכנולוגיות הנעה אקזוטיות אחרות אשר מזה עשרות שנים שרקו את בני האדם לכוכבי לכת וכוכבים אחרים - אך רק בדפי המדע הבדיוני.
מצב לארנבת
מהן אפשרויות עובדות המדע?
נאס"א עובדת קשה על שתי גישות בסיסיות. הראשונה היא לפתח רקטות חדשות באופן קיצוני בעלות צריכת דלק טובה יותר בסדר גודל בסדר גודל מאשר הנעה כימית. השנייה היא פיתוח מערכות "נטולות דחף" המופעלות על ידי משאבים המצויים בוואקום של החלל העמוק.
כל הטכנולוגיות הללו חולקות מאפיין מפתח אחד: הן מתחילות לאט, כמו הצב הפתגם, אך עם הזמן הופכות לארנבת שמנצחת למעשה במירוץ למאדים - או בכל מקום. הם מסתמכים על העובדה שתאוצה רציפה קטנה לאורך חודשים יכולה בסופו של דבר להניע חללית הרבה יותר מהר מאשר בעיטה ראשונית אדירה אחת ואחריה תקופת חיפוי ארוכה.
למעלה: חללית בעלת דחף נמוך זה (מושג אמן) מונעת על ידי מנוע יון ומונע על ידי חשמל סולארי. בסופו של דבר המלאכה תעלה מהירות - תוצאה של תאוצה בלתי פוסקת - ומירוץ לאורך קילומטרים רבים בשנייה. קרדיט תמונה: ג'ון פרסניטו ושות ', בע"מ.
מבחינה טכנית, כולן מערכות עם דחף נמוך (כלומר בקושי תרגישו בתאוצה הו-כה-עדינה, שווה ערך למשקל של פיסת נייר ששוכבת על כף היד) אך זמני פעולה ארוכים. אחרי חודשים של המשך האצה קטנה, היית הולך עם הרבה קילומטרים בשניה! לעומתן, מערכות הנעה כימית הן דחף גבוה וזמני פעולה קצרים. אתה נמעך חזרה לכריות המושב בזמן שהמנועים יורים, אך רק בקצרה. לאחר מכן הטנק ריק.
רקטות יעילות דלק
"רקטה היא כל דבר שזורק משהו על הסף כדי להניע את עצמו קדימה," הצביע ג'ונסון. (אינך מאמין בהגדרה הזו? שב על סקייטבורד עם צינור בלחץ גבוה שמצביע לכיוון אחד, ויונע לך בדרך הפוכה).
המועמדים המובילים לרקטה המתקדמת הם גרסאות של מנועי יון. במנועי יון הנוכחיים, המונע הוא גז אינרטי חסר צבע, חסר טעם, חסר ריח, כמו קסנון. הגז ממלא תא בעל טבעת מגנט שדרכו מוביל אלומת אלקטרונים. האלקטרונים מכים את האטומים הגזים, דופקים אלקטרונים חיצוניים והופכים אטומים ניטרליים ליונים טעונים חיוביים. רשתות חשמליות עם חורים רבים (15,000 בגרסאות של ימינו) ממקדות את היונים לעבר המפלט של החללית. היונים יורים על פני הרשתות במהירות של יותר מ 100,000 מיילים לשעה (השווה את זה למכונית מירוץ אינדיאנפוליס 500 במהירות 225 קמ"ש) - מאיצים את המנוע לחלל, וכך מייצרים דחף.
מאיפה מגיע החשמל ליינן את הגז ולהטעין את המנוע? או מלוחות סולאריים (מה שנקרא הנעה חשמלית סולארית) או מביזוי או היתוך (מה שמכונה הנעה חשמלית גרעינית). מנועי הנעה חשמליים סולאריים יהיו היעילים ביותר למשימות רובוטיות בין השמש למאדים, והנעה חשמלית גרעינית למשימות רובוטיות מעבר למאדים בהן אור השמש חלש או למשימות אנושיות בהן המהירות היא המהות.
יון מניע עבודה. הם הוכיחו את ההתמדה שלהם לא רק בבדיקות על כדור הארץ, אלא גם בחלליות עובדות - הידועה ביותר הייתה Deep Space 1, משימה קטנה לבדיקת טכנולוגיה המופעלת על ידי הנעה חשמלית סולארית שטסה על פניה וצילמה את השביט בורלי בספטמבר, 2001. כונני יונים כמו זה שהניע את חלל העמוק 1 יעילים פי עשרה מאשר טילים כימיים.
מערכות נטולות מונע
מערכות ההנעה בעלות המוני הנמוך ביותר, לעומת זאת, יכולות להיות כאלה שאינן נושאות דחף על הסיפון כלל. למעשה, הם אפילו לא טילים. במקום זאת, בסגנון חלוץ אמיתי, הם "חיים מהארץ" - נאמרים על אנרגיה על משאבי טבע בשפע בחלל, כמו שחלוצי השנה הסתמכו על מזון על לכידת בעלי חיים ומצאו שורשים וגרגרים בגבול.
שני המועמדים המובילים הם מפרשי שמש ומפרשי פלזמה. למרות שההשפעה דומה, מנגנוני ההפעלה שונים מאוד.
מפרש סולארי מורכב מאזור אדיר של גוסאמר, חומר רפלקטיבי ביותר שנפרס בחלל העמוק בכדי לתפוס אור מהשמש (או ממיקרוגל או קרן לייזר מכדור הארץ). למשימות שאפתניות מאוד, מפרשים עשויים להגיע לשטח של קילומטרים רבועים רבים.
מפרשי שמש מנצלים את העובדה שלפוטונים סולאריים, אף על פי שאין להם מסה, יש תנופה - כמה מיקרון וולט (בערך משקלו של מטבע) למ"ר במרחק כדור הארץ. לחץ הקרינה העדין הזה יאיץ לאט אך בטוח את המפרש ועומס המטען שלו מהשמש, ויגיע למהירויות של עד 150,000 מיילים לשעה, או יותר מ- 40 מיילים לשנייה.
תפיסה שגויה נפוצה היא שמפרשי שמש תופסים את רוח השמש, זרם של אלקטרונים אנרגטיים ופרוטונים הרותחים הרחק מהאטמוספירה החיצונית של השמש. לא כל כך. מפרשי שמש מקבלים את המומנטום שלהם מאור השמש עצמו. עם זאת ניתן להקיש על תנופת רוח השמש באמצעות מה שמכונה "מפרשי פלזמה".
מפרשי פלזמה מעוצבים על פי השדה המגנטי של כדור הארץ עצמו. אלקטרומגנטים חזקים על הסיפון היו מקיפים חללית עם בועה מגנטית 15 או 20 ק"מ לרוחב. חלקיקים טעונים במהירות גבוהה ברוח השמש היו דוחפים את הבועה המגנטית, בדיוק כמו שהם עושים את השדה המגנטי של כדור הארץ. כדור הארץ לא זז כשהוא נדחף בדרך זו - הכוכב שלנו מסיבי מדי. אבל חללית תוסט בהדרגה מהשמש. (בונוס נוסף: כשם שהשדה המגנטי של כדור הארץ מגן על כדור הארץ שלנו מפני פיצוצים סולאריים וסופות קרינה, כך גם הפלגה פלזמית מגנטית תגן על יושבי חללית.)
למעלה: מושג אמן של בדיקת חלל בתוך בועה מגנטית (או "מפרש פלזמה"). חלקיקים טעונים ברוח השמש פוגעים בבועה, מפעילים לחץ ומניעים את החללית. [יותר]
כמובן שהטכנולוגיה המקורית, המוכחת והלא נכונה של הנעה, היא כוח המשיכה. כאשר חללית מסתובבת על ידי כוכב לכת, היא יכולה לגנוב חלק מהתנופה המסלולית של כדור הארץ. זה כמעט ולא עושה את ההבדל לכוכב לכת מאסיבי, אבל זה יכול להגביר בצורה מרשימה את מהירות החללית. לדוגמא, כשגלילאו הסתובב בכדור הארץ בשנת 1990, מהירות החללית עלתה ב -11,620 קמ"ש; בינתיים האטה כדור הארץ במסלולו בכמות פחות מחמישה מיליארד סנטימטרים של אינץ 'בשנה. תורני כוח משיכה כאלה הם בעלי ערך בהשלמת כל סוג של מערכת הנעה.
אוקיי, עכשיו כשאתה מדפדף במרחב הבין-פלנטרי, איך אתה מאט ביעד מספיק כדי לעבור למסלול חניה ולהתכונן לנחיתה? בהנעה כימית, הטכניקה המקובלת היא להדליק את המנעול - שוב, הדורשת המוני דלק גדולים.
אפשרות הרבה יותר חסכונית מובטחת על ידי לכידת אוויר - בלימת החללית באמצעות חיכוך עם האטמוספרה של כוכב הלכת עצמו. החוכמה היא כמובן לא לתת לחללית בינלאומית במהירות גבוהה להישרף. אך מדעני נאס"א חשים כי בעזרת מגן חום מעוצב כראוי, ניתן יהיה לשבץ משימות רבות למסלול סביב כוכב לכת עם מעבר אחד בלבד באטמוספירה העליונה.
הלאה!
"אף טכנולוגיית הנעה יחידה לא תעשה הכל עבור כולם," הזהיר ג'ונסון. אכן, מפרשי שמש ומפרשי פלזמה עשויים להיות מועילים בעיקר להנעת מטען ולא לבני אדם מכדור הארץ למאדים, מכיוון ש"עבור זמן רב מדי לטכנולוגיות אלה להגיע למהירות ", הוסיף דרייק.
עם זאת, הכלאה של כמה טכנולוגיות יכולה להתברר כחסכונית מאוד בהשגת משימה מאוישת למאדים. למעשה, שילוב של הנעה כימית, הנעה של יון וכיבוי אוויר יכול להפחית את מסת השיגור של משימת מאדים בת 6 אנשים למטה מ -450 טון מטרי (הדורשת רק שש שיגורים) - פחות ממחצית מההישגיות באמצעות הנעה כימית בלבד.
משימה היברידית כזו עשויה לעבור כך: רקטות כימיות, כרגיל, היו מורידות את החללית מהאדמה. פעם במסלול נמוך בכדור הארץ, מודולים של כונן יונים יתלקחו, או שבקרי קרקע עשויים לפרוס מפרש סולארי או פלזמה. במשך 6 עד 12 חודשים החללית - שאינה מאוישת באופן זמני כדי להימנע מחשיפת הצוות למינונים גדולים של קרינה בחגורות הקרינה של ואן אלן בכדור הארץ - הייתה מסתחררת ונחלשת בהדרגה עד מסלול יציאה גבוה אחר-כך של כדור הארץ. לאחר מכן יועבר הצוות לרכב מאדים במונית במהירות גבוהה; שלב כימי קטן היה בועט ברכב למעלה כדי להימלט ממהירותו, והוא ימשיך הלאה למאדים.
כאשר כדור הארץ ומאדים מסתובבים במסלוליהם בהתאמה, הגיאומטריה היחסית בין שני כוכבי הלכת משתנה ללא הרף. למרות שהזדמנויות שיגור למאדים מתרחשות כל 26 חודשים, ההתאמות האופטימליות לטיולים הזולים והמהירים ביותר מתרחשות כל 15 שנה - זו הבאה ב 2018.
אולי עד אז תהיה לנו תשובה אחרת לשאלה, "יוסטון, אנחנו עדיין שם?"
המקור המקורי: סיפור המדע של נאס"א
