10 parimat kontseptuaalset kosmosemootorit

Laeva kosmosesse laskmine on kummalise teaduse ja inseneriteaduse kallis ja loid protsess. Põhimõtteliselt vajame tõukejõu tekitamiseks rakette, ekstreemseid mootoreid, mis väljutavad kiirete raketikütuste heitgaasid. Nende toimimine on küll viimase sajandi standardite järgi tehnoloogiline ime, kuid põhitõed on üsna lihtsad. Kõrgendatud rõhu korral käivitab süütaja kütuse põlemiskambris koos hapnikuallikaga (tavaliselt vedel). Saadud vedelik pääseb reaktsioonimassina otsaotsikust välja.

Erinevalt õhku hingavatest joadest ei saa raketid atmosfääri gaase voolata, et liikumist tekitada, sest orbiidi kõrgusel muutub atmosfäär liiga õhukeseks. Niisiis peab raketimootor tõukejõu saamiseks oma heitgaasivedelikust välja tõrjuma. Tundub lihtne, kuid tehniliste probleemidega, mis on seotud projekti, ehitatud, kokkupandud ja töökorras kosmoseaparaadi katsetamisega, tõusevad kõigi satelliitide käivitamise eelarved.

Ilmselt on Maa raskusjõu ületamine ja kosmosesse jõudmine piir praegustele keemiarakettidele, mis kasutavad tõukejõuna eksotermilist reaktsiooni. Õnneks on rakendusteadus vähem füüsika vastu võitlemise küsimus kui selle väljatöötamine, kuidas selle seadused soodsalt toimima panna. Siit tulevad 10 kosmoseaparaatide ajami mõistet, mis võivad laiendada inimkonna silmaringi.

10 Sünergiline turbojett

Üks meetod odavama kosmoseaparaadi ehitamiseks võiks olla üheetapiline orbiidile lähenemine (SSTO) – kontseptuaalne tõukejõusüsteem, mis ei tugine orbiidi kõrguse saavutamiseks riistvarale eraldamise riistvaral. See kasutaks käivitamisel atmosfääriõhku, et toita mootori põlemisreaktsiooni, mis väldib täiendava oksüdeerija kandmist ja vähendab seetõttu kaalu.

Sellise ettepaneku järel kavandas Suurbritannia ettevõte Reaction Engines Limited (REL) oma Skyloni kosmoselennuki töötama õhku hingava mootori kontseptsiooni SABER abil. Kui arvestada tõukejõu saamiseks ainult oma sisemise riistvaraga, saab SABER vahetada kahe töörežiimi vahel – tüüpiline turboreaktiivmootor, mis põhineb sisepõlemisel atmosfääriõhul, ja tavaline raketimootor, mis kasutab vedelat hapnikuvarustust.

REL avaldas mehitatud reisi Marsile ettepaneku, mis kasutaks orbiidil missioonilaevade ehitamiseks Skyloni kosmoseaparaati.

9 termotuuma rakett

Venemaa riigikorporatsioon Rosatom, mis haldab sisemisi tuumaasju, ehitab raketimootorit, mille läbimine Maalt Marsile võtab aega vaid 45 päeva (võrreldes praeguse 18 kuuga). Selline tehnoloogia sarnaneb külma sõja ajal kavandatud tuuma termiliste rakettide (NTR) URSS-ile. Pardareaktoris kuumutab lõhustuvatest aatomitest eralduv energia töövedelikku kõrge rõhu tekitamiseks ja seega tõukejõuks, nagu ka raketikütuse põletamise reaktsioonid keemiaraketis. Tuumakütuse energeetilise tiheduse tõttu kaaluvad NTR-mootorid vähem ja nende tarbimismäär on madal.

Samamoodi taaselustas NASA oma NTR-projekti 40 aastat pärast NERVA programmi sulgemist, kuid kosmoseagentuur uurib ka suuremat spektrit tuumaenergiaga seotud võimalustest, nagu termotuumasünteesil töötavad raketid ja tuumalambid.

8 termiline antiaine ajam

Iga füüsiline aine universumis koosneb ainest; aine koosneb osakestest ja iga osakese jaoks on tume kaksik – antiosake. Antiosakesel on kõik oma vastaspoole omadused, välja arvatud vastupidine laeng. Kui mõlemad kaksikud suhtlevad, hävitavad nad üksteist ja lasevad selle käigus energiat välja, palju energiat. NASA teadlased soovivad rakendada seda jõudu raketimootorite arendamiseks tähtedevahelisse reisiikka.

Sarnaselt NTR-idega kuumutaks antiaine hävitamine töövedelikku tõukejõu tekitamiseks, kuid kütusesäästlikkus oleks eksponentsiaalselt suurem. Marsile jõudmiseks piisab 100 milligrammist antiainest, samas kui keemiline rakett vajaks mehitatud missiooniks tonni raketikütust. Teadlased soovivad isegi Kickstarteris rahastada antiaine laeva.

7 Tuumaimpulsi tõukejõud

Aga reis Alfa Centaurile, kes viskab aatomipomme oma kosmoselaeva tõukejõuks? Tuumapulssi käitamine võib olla kõige teostatavam tee tähtedevahelise liikumise suunas. 1958 aastal DARPA ettevõttena alustatud Project Orion soovis ehitada tõelise kosmose-ooperi laeva – allveelaeva stiilis ehituse, 200 meeskonnaliiget, tuhandeid tonne õhkutõusmismassi – ja viia see tuumapulsside abil orbiidile. Kõik elujõuline, teoreetiliselt ja insenertehniliselt.

Orioni mootor võib toota megatonne tõukejõu, suunates väikesed tuumaplahvatused vastu massiivset terasplekki, mis on amortisaatoritega kosmoseaparaadiga ühendatud, kuid poliitilised probleemid ja eelarve osutusid mehaanilistest takistustest hullemateks probleemideks. Projekt Orion lõpetati 1965. aastal pärast mitmeid saavutusi, kuid sarnaseid kontseptsioone nagu kosmosesõiduk Medusa ja lõhustumisvastane tõukejõud on endiselt uurimisel.

6 Nanoosakeste mikropropulsioon

Raketikütuse molekulide elektriline laadimine ja seejärel magnetväljade abil nende võimendamine on äärmiselt tõhus viis kosmoseaparaadi liikumapanemiseks – vaatamata väikesele impulssjõule on ioonpõletid mitu korda energiasäästlikumad kui keemilised raketid ja sobivad pikas perspektiivis eksotermilise tõukejõuga. Muide, see oli süsteem, mis vedas Dawni kosmoseaparaati kuni Vesta ja Cereseni.

Õhujõudude teadusuuringute büroo finantseerimisel arendab Michigani ülikool eksperimentaalset ioonitõukurit NanoFET. Mootor vallandaks triljonid raketikütuse nanoosakesi nanoelektromehaaniliste süsteemide kaudu, avades kiibil oleva tõukejõu kontseptsiooni, mis suudaks liikuda homse päeva miniatuursed satelliidid. NanoFET-moodulite võrke saab paindlikult kohandada ja laiendada, et need vastaksid erinevatele kujundustele ja insenerivajadustele.

5 Q-tõukejõud

Raketid ajavad Newtoni kolmanda seaduse kohaselt tõukejõu (reaktsiooni) saamiseks välja raketikütuse (toime), kuid mis siis, kui ajam võib rikkuda seda looduse põhireeglit? Suurbritannia lennunduseinsener Roger Shawyer uskus, et see on täiesti võimalik, kui ta 1999. aastal pakkus välja reaktsioonitu mootori, mida nimetatakse raadiosageduslikuks resonantsõõnsuseks või lihtsalt EmDrive'iks (elektromagnetiline ajam). EmDrive põrkas koonuse sees mikrolainetega, et tekitada tõukejõudu kitsa otsa suunas. Katse tekitas teadusringkondades poleemikat ka pärast seda, kui Hiina, Saksa ja NASA teadlased on Shawyeri protseduure positiivsete tulemustega reprodutseerinud.

Kuidas EmDrives täpselt töötab, jääb füüsika piirimaile. Kvantide kõikumise teooria ütleb, et vaakum kihiseb energiliste osakestega, mis avanevad reaalsuse sisse ja välja. Nende osakestega mikrolainete kaudu suheldes oleks võimalik, et laev saaks tõukejõu.

EmDrive lõi täiesti uue raketimootorite kontseptsiooni, mida tuntakse kui kvantvaakum-tõukureid (Q-tõukejõudu).

4 Photonic Laser Thruster

Noor K. Bae on Ph.D. YK Bae Corpi asutaja dr füüsik – ettevõtmine, mis on pühendatud keskkonnahoidlike tehnoloogiate uurimisele energia- ja kosmosereiside valdkonnas. Bae patentide hulka kuuluvad footonraudteed, uus molekuliklass ja Photonic Laser Thruster (PLT). Bae uuris NASA rahastusel PLT-d ja suutis kujundada kosmosesõidukijuhi kontseptsiooni, mis ei vaja kütusepaake. Selle asemel saab PLT tõukejõu kosmoselaeva pihta lastud laseritest. Kuna vaakum on hõõrdevaba, saaks PLT-tüüpi veesõiduk pidevalt hoogu, et läbida Marsiga kaugus mõne päevaga.

Suunatud energiatehnoloogia areng on ülioluline mitme megavatise laserkiire edastamiseks, mis suudab kosmoselaeva kosmosesse suruda, võimaldades raskekaalulistest komponentidest, nagu kütus ja peamised toiteallikad, vaba arhitektuuri.

3 Coilguni kosmoseseade

Ulmekirjanikud, nagu Arthur C. Clarke ja Robert Heinlein, on aastakümneid arvestanud elektromagnetiliste katapuldide kui süžeeseadmetega. Isegi tänapäeval võib sadade miilide kõrgusel Maast kõrgemal kasuliku koormuse magnetiline kiirendamine tunduda puhas ulme ja sellegipoolest arvavad teadlased nagu dr James Powell ja dr Gordon Danby, et see on osa kosmosereiside tulevikust. Powell ja Danby leiutasid koos ülijuhtiva maglevi (magnetvedrustus), võimaldades praeguste EM-rongide väljatöötamist, ja nüüd soovivad nad oma Startrami projekti kaudu rakendada tehnoloogiat kosmosereisidel.

Powelli ja Danby nägemuses tekitaksid mähised tugeva magnetvälja kosmoseaparaadi või kasuliku koormuse kiirendamiseks raudteemailide ulatuses, sarnaselt Coilguni projektiga juhtuvale. Piisava hoo saavutamiseks on raja pikkus mitu miili ja see maksab kümneid miljardeid dollareid, kuid – leiutajate sõnul – on see tuleviku eest väike hind.

2 Tähe Windjammer

Päike, nagu iga teine ​​täht, kannab pidevalt laetud osakesi – tõelist kiiret prootonit ja elektroni. Selline kiirgusrõhk võib suruda vastu magnetvälja ja tekitada tõukejõu.

Pärast kümnendit kosmoserännakut suudaks sunjammeri kosmoseaparaat ületada meie päikesesüsteemi kaugemaid piire ilma kütust raiskamata, manööverdades oma trajektoori kalibreerimiseks eksoplaneedi magnet- ja gravitatsiooniväljades. Tõukejõu suunda sai reguleerida purje vahetamisega vastavalt päikesetuulele.

Kuna tõukejõud sõltuks magnetvälja suurusest, vajaks päikesepurje oma magnetvälja tekitamiseks sadu meetreid ja kilomeetreid ülijuhimaterjali, mis sarnaneks navigatsiooniajastu tuule püüdvate lõuendite asemel tsüklopeaalsetest traadisilmustest.

NASA kavatseb 2018. aastal päikesepurje paigutada Asteroid Scouti lennufirma uuringu käigus.

1 Alcubierre'i draiv

Einsteini välja võrrandid väidavad, et energia ja aine võivad kõverdada reaalsuse aegruumi võrku. Spetsiaalselt on laeva taga asuva ruumi kanga venitamine ja selle ees oleva ruumi kokkutõmbamine võimalik saavutada näiline FTL (valgusest kiirem) liikumine. Muidugi oleks see liikuv kosmos ja mitte laev, nagu kerimismäng, nii et ühtegi relativistlikku seadust ei rikutaks. Ruumi-aegsete lainete lõimemullil sõites võib meie laev jõuda valguse omast mitu suurusjärku suuremaks. Me võiksime Marsile sõita vähem kui sekundiga, kuid arvan, et aeglustamine oleks probleem!

Alcubierre drive või lihtsalt Varpajam pakkus Mehhiko füüsik Miguel Alcubierre lahendusena Einstein valdkonnas võrrandid, mis sätestab, et energia ja mateeria saab kõvera aegruumi silmadega. Nullmassist väiksema välja kasutamisel põhjustaks lõimajõud ruumi kangast väänamist ja kerimist.