10 parasta käsitteellistä avaruusalusta
Laivan laukaiseminen avaruuteen on kallis ja hidas outo tieteen ja tekniikan prosessi. Periaatteessa tarvitsemme raketteja, äärimmäisiä moottoreita, jotka työntävät ulos suurten nopeuksien ponneaineiden pakoputket työntövoiman tuottamiseksi. Niiden toiminta on viime vuosisadan standardien mukaan tekninen ihme, mutta perusasiat ovat melko helppoja. Korotetussa paineessa sytytin saa polttoaineen räjähtämään polttokammion sisällä happilähteen (yleensä nestemäisen) kanssa. Tuloksena oleva neste pääsee loppusuuttimen läpi reaktiomassana.
Toisin kuin hengittävät suihkut, raketit eivät voi virrata ilmakehän kaasuja tuottamaan liikettä, koska kiertoradan korkeudessa ilmakehä muuttuu liian ohueksi. Joten rakettimoottorin on työnnettävä pois oma pakokaasuneste työntövoiman saamiseksi. Näyttää yksinkertaiselta, mutta tekniset kysymykset, jotka liittyvät projektiin, rakennettuihin, koottaviin ja testattaviin operatiivisiin avaruusaluksiin, nousevat jokaisen satcom-laukaisun budjetille.
Ilmeisesti maapallon painovoiman voittaminen ja avaruuteen pääseminen on raja nykyisille kemiallisille raketteille, jotka käyttävät käyttövoimana eksotermistä reaktiota. Onneksi soveltava tiede on vähemmän taistelua fysiikan suhteen kuin sen selvittäminen, miten sen lait toimivat suotuisasti. Tässä tulee 10 avaruusalusten käyttölaitetta, jotka voivat laajentaa ihmiskunnan näköaloja.
10 Synergistinen turboahdin
Yksi tapa rakentaa halvempaa avaruusalusta voisi olla yhden vaiheen kiertoradalle (SSTO) -lähestymistapa, käsitteellinen propulsiojärjestelmä, joka ei ole riippuvainen laukaisulaitteista kiertoradan korkeuden saavuttamiseksi. Se käyttää ilmakehän ilmaa laukaisun aikana syöttämään moottorin palamisreaktiota, mikä välttää ylimääräisen hapettimen kuljettamisen ja vähentää siten painoa.
Tällaisen ehdotuksen jälkeen brittiläinen Reaction Engines Limited (REL) suunnitteli Skylon-avaruuslentonsa toimimaan SABER-tekniikalla, joka on hengittävä moottori. Luotaakseen vain omaan sisäiseen laitteistoonsa työntövoiman saamiseksi SABER pystyy vaihtamaan kahden toimintatilan välillä – tyypillinen turboahdin, joka perustuu ilmakehän ilmaan polttoaineen syöttämiseen, ja tavanomainen rakettimoottori, joka käyttää nestemäistä happea.
REL julkaisi ehdotuksen miehitetylle matkalle Marsiin, jossa Skylon-avaruusaluksia rakennettaisiin operaatioalukset kiertoradalle.
9 Terminen ydinraketti
Venäjän valtion ydinvoimaa hoitava Rosatom-yhtiö rakentaa rakettimoottoria, jonka kulkeminen maasta Marsiin kestää vain 45 päivää (nykyisiä 18 kuukautta). Tällainen tekniikka on samanlainen kuin kylmän sodan aikana suunnitellut ydinlämpöraketit (NTR). Sisäisen reaktorin sisällä hajoavien atomien vapautunut energia kuumentaa työnestettä korkean paineen ja siten työntövoiman luomiseksi, kuten mitä ponneaineen palamisreaktiot kemiallisessa raketissa tekevät. Ydinpolttoaineen energeettisen tiheyden vuoksi NTR-moottorit painavat vähemmän ja niiden kulutusaste on alhainen.
Samoin NASA elvytti NTR-projektinsa 40 vuotta NERVA-ohjelman sulkemisen jälkeen, mutta avaruusjärjestö tutkii myös ylempien ydinvoimaloiden mahdollisuuksia, kuten fuusiokäyttöisiä raketteja ja ydinlamppuja.
8 Antimateriaalinen terminen käyttölaite
Jokainen maailmankaikkeuden fyysinen aine koostuu aineesta; aine koostuu hiukkasista, ja jokaisen hiukkasen kohdalla on tumma kaksos – antihiukkanen. Antipartikkelilla on kaikki vastineensa piirteet, paitsi vastakkainen varaus. Kun molemmat kaksoset ovat vuorovaikutuksessa, ne tuhoavat toisensa ja päästävät prosessissa energiaa, paljon energiaa. NASAn tutkijat haluavat käyttää tätä voimaa rakettimoottoreiden parantamiseksi tähtienväliseen matka-ikään.
Samoin kuin NTR: t, antimateriaalin tuhoaminen lämmittäisi työnestettä työntövoiman tuottamiseksi, mutta polttoainetehokkuudella eksponentiaalisesti suurempi. 100 milligrammaa antiainetta riittää pääsemään Marsille, kun taas kemiallinen raketti tarvitsisi tonnia ponneainetta miehitettyyn tehtävään. Tutkijat haluavat jopa rahoittaa antimateriaalialuksen Kickstarterilla.
7 Ydinpulssikäyttö
Entä matka Alfa Centauriin pudottamalla atomipommeja matkalla avaruusaluksesi kuljettamiseen? Ydinpulssivoima voi olla toteuttamiskelpoisin tie tähtienväliseen liikkumiseen. Vuonna 1958 DARPA-yrityksenä aloittanut Project Orion halusi rakentaa todellisen avaruusoopperalaivan – sukellusvenetyyppisen rakentamisen, 200 miehistön jäsentä, tuhansia tonnia lentoonlähtöpainoa – ja laukaista sen kiertoradalle ydinpulssivoimalla. Kaikki elinkelpoinen, teoreettisesti ja teknisesti ottaen.
Orionin moottori voisi tuottaa megatonnia työntövoimaa ohjaamalla pieniä ydinräjähdyksiä massiiviseen teräslevyyn, joka on liitetty avaruusalukseen iskunvaimentimilla, mutta poliittiset kysymykset ja budjetti osoittautuivat pahemmiksi kuin mekaaniset esteet. Orion-projekti suljettiin vuonna 1965 useiden saavutusten jälkeen, mutta vastaavia konsepteja, kuten Medusa-avaruusalusta ja antimateriaalifissio-propulsiota, tutkitaan edelleen.
6 Nanohiukkasten mikropropulsio
Ponneaineiden molekyylien sähköinen lataaminen ja sitten tehostaminen magneettikenttien kautta on erittäin tehokas tapa kuljettaa avaruusaluksia – pienestä impulssivoimasta huolimatta ionipotkurit ovat moninkertaisesti energiatehokkaampia kuin kemialliset raketit ja sopivat lopulta pitkällä aikavälillä eksotermiseen käyttövoimaan. Muuten, se oli järjestelmä, joka kuljetti Dawn-avaruusalusta Vestaan ja Ceresiin asti.
Ilmavoimien tieteellisen tutkimuksen toimiston rahoittama Michiganin yliopisto kehittää kokeellista ionipotkuria nimeltä NanoFET. Moottori laukaisi biljoonia ponneaineen nanohiukkasia nanoelektromekaanisten järjestelmien kautta, mikä avaisi sirulla olevan sirulle -konseptin, joka voi ajaa huomisen pienoissatelliitteja. NanoFET-moduulien ruudukot voitaisiin joustavasti mukauttaa ja laajentaa vastaamaan erilaisia malleja ja suunnittelutarpeita.
5 Q-työntövoima
Raketit karkottavat ponneaineen (toiminnan) saadakseen työntövoiman (reaktion) Newtonin kolmannen lain mukaisesti, mutta entä jos veto voisi rikkoa tämän luonnon perussäännön? Brittiläinen ilmailu- ja avaruustekniikan insinööri Roger Shawyer uskoi, että se oli täysin mahdollista, kun hän ehdotti vuonna 1999 reaktiotonta moottoria, jota kutsuttiin radiotaajuuksille resonanssiksi ontelopotkuriksi tai vain EmDrive (sähkömagneettinen käyttö). EmDrive pomppii mikroaaltoja kartion sisällä tuottamaan työntövoimaa kohti kapeaa päätä. Koe aiheutti kiistaa tiedeyhteisössä, vaikka kiinalaiset, saksalaiset ja NASA: n tutkijat ovat toistaneet Shawyerin menettelyt positiivisilla tuloksilla.
Kuinka EmDrives toimii tarkalleen, pysyy fysiikan reunalla. Kvanttivaihtelun teoria sanoo, että tyhjiö tihkuu energisten hiukkasten kanssa, jotka ponnahtavat sisään ja ulos todellisuudesta. Vuorovaikutus näiden hiukkasten kanssa mikroaaltojen kautta olisi mahdollista, että alus saa työntövoiman.
EmDrive loi aivan uuden konseptin rakettimoottoreista, jotka tunnetaan nimellä kvantti-alipainepotkurit (Q-potkurit).
4 Photonic Laser Thruster
Nuori K. Bae on Ph.D. Fyysikko, YK Bae Corp: n perustaja, yrittäjyys, joka on omistettu vihreän teknologian tutkimiseen energia- ja avaruusmatkailun alalla. Baen patentit sisältävät fotoniset rautatiet, uuden molekyyliluokan ja Photonic Laser Thruster (PLT). Bae opiskeli PLT: tä NASA: n rahoituksella ja pystyi suunnittelemaan avaruuskuljettajan konseptin, jonka ei tarvitse kuljettaa polttoainesäiliöitä. Sen sijaan PLT saa työntövoimansa avaruusalukseen ammuttuista lasereista. Koska tyhjiö on kitkaton, PLT-ohjattava alus saisi tasaisesti vauhtia mennäkseen matkan Marsille muutamassa päivässä.
Suunnatun energian tekniikan kehitys on ratkaisevan tärkeää toimitettaessa monen megawatin lasersäteitä, jotka kykenevät työntämään avaruusaluksen ulkoavaruuden läpi, mikä mahdollistaa arkkitehtuurin, jossa ei ole raskaita komponentteja, kuten polttoainetta ja päävirtalähteitä.
3 Coilgun-avaruusalusta
Tieteiskirjallisuuden kirjoittajat, kuten Arthur C. Clarke ja Robert Heinlein, ovat vuosikymmenien ajan laskeneet sähkömagneettisia katapultteja juoni-laitteiksi. Vielä nykyäänkin kiihdyttää magneettisesti hyötykuormaa satoja kilometrejä maan yläpuolella voi tuntua puhtaalta scifi: ltä, mutta tutkijat, kuten tohtori James Powell ja tri Gordon Danby, ajattelevat sen olevan osa avaruusmatkan tulevaisuutta. Powell ja Danby keksivät suprajohtavan maglevin (magneettijousituksen), mikä mahdollisti nykyisten EM-junien kehittämisen, ja nyt he haluavat soveltaa tekniikkaa avaruusmatkalla Startram-projektinsa kautta.
Powellin ja Danbyn näkemyksessä kelat tuottavat voimakkaan magneettikentän avaruusaluksen tai hyötykuorman työntämiseksi suurella nopeudella rautatiekilometreillä, samalla tavalla kuin mitä tapahtuu Coilgunin projektilla. Riittävän vauhdin saavuttamiseksi radalla on useita mailia pitkä ja se maksaa kymmeniä miljardeja dollareita, mutta – keksijänsä mukaan – se on pieni hinta tulevaisuudesta.
2 tähti Windjammer
Aurinko, kuten mikä tahansa muu tähti, juoksuttaa jatkuvasti varautuneita hiukkasia – todellinen nopeiden protonien ja elektronien aalto. Tällainen säteilypaine voi työntää magneettikenttää ja tuottaa työntövoimaa.
Vuosikymmenen avaruusvaelluksen jälkeen sunjammer-avaruusalus pystyy ylittämään aurinkokuntamme kaukaiset rajat tuhlaamatta polttoainetta, liikkumalla eksoplaneettojen magneetti- ja gravitaatiokentissä kalibroimaan sen liikerata. Työntösuunta voidaan säätää vaihtamalla purje aurinkotuulen mukaan.
Koska työntövoima riippuisi magneettikentän koosta, aurinkopurje tarvitsisi satoja metrejä ja kilometrejä suprajohtavaa materiaalia magneettikentän tuottamiseksi, joka muistuttaisi syklopealaisia lankasilmukoita navigointikauden tuulenpitävien kankaiden sijaan.
NASA aikoo sijoittaa aurinkopurjeen vuonna 2018 Asteroid Scoutin lentotutkimuksen aikana .
1 Alcubierre-asema
Einsteinin kenttäyhtälöt toteavat, että energia ja aine voivat käyristää todellisuuden avaruusverkkoa. Spesifisesti venyttämällä aluksen takana olevaa tilaa ja supistamalla sen edessä oleva tila on mahdollista saavuttaa näennäinen FTL (valoa nopeampi) matka. Tietysti avaruus liikkuu eikä alus, kuten vierityspeli, joten mitään relativistista lakia ei rikota. Aika-aika-aaltojen loimikuplalla ajaessamme aluksemme voi saavuttaa useita suuruusluokkia suurempia nopeuksia kuin valoa. Voisimme jopa matkustaa Marsille alle sekunnissa, mutta mielestäni hidastuminen olisi ongelma!
Alcubierre ajomatka tai vain poimuajo ehdotti Meksikon fyysikko Miguel Alcubierre ratkaisuna Einsteinin Kenttäyhtälöt, jossa todetaan, että energia ja aineet saattavat käyrä aika-avaruuden mesh. Lonkimoottori aiheuttaisi pienemmän kuin nollamassan kentän, mikä aiheuttaisi tilakankaan kiertymisen ja vierityksen.