10 najlepszych koncepcyjnych silników statków kosmicznych
Wystrzelenie statku w kosmos to kosztowny i powolny proces dziwnej nauki i inżynierii. Zasadniczo potrzebujemy rakiet, ekstremalnych silników, które wyrzucają spaliny paliwa o dużej prędkości, aby wytworzyć ciąg. Ich działanie jest cudem technologicznym według standardów ubiegłego wieku, ale podstawy są dość proste. Przy podwyższonym ciśnieniu zapalnik powoduje eksplozję paliwa w komorze spalania wraz ze źródłem tlenu (zwykle ciekłego). Powstały płyn wydostaje się przez dyszę końcową jako masa reakcyjna.
W przeciwieństwie do odrzutowców oddychających powietrzem, rakiety nie mogą przesyłać gazów atmosferycznych w celu wytworzenia ruchu, ponieważ na wysokościach orbitalnych atmosfera staje się zbyt rzadka. Tak więc silnik rakietowy musi napędzać własny płyn wydechowy, aby uzyskać ciąg. Wygląda prosto, ale kwestie techniczne związane z projektowaniem, budową, montażem i testowaniem statku kosmicznego gwałtownie zwiększają budżet każdego wystrzelenia satelity.
Najwyraźniej pokonanie ziemskiej grawitacji i dotarcie w przestrzeń kosmiczną jest granicą obecnych rakiet chemicznych, które jako napęd wykorzystują reakcję egzotermiczną. Na szczęście nauki stosowane to nie tyle walka z fizyką, co raczej zastanawianie się, jak sprawić, by jej prawa działały korzystnie. Oto 10 koncepcji napędów statków kosmicznych, które mogą poszerzyć horyzonty ludzkości.
10 Synergiczny silnik turboodrzutowy
Jedną z metod budowy tańszych statków kosmicznych może być podejście jednoetapowe na orbitę (SSTO), koncepcyjny system napędowy, który nie polega na wyrzucaniu sprzętu w celu osiągnięcia wysokości orbity. Wykorzystałby powietrze atmosferyczne podczas startu do zasilania reakcji spalania silnika, co pozwoli uniknąć przenoszenia dodatkowego utleniacza, a tym samym zmniejszyć wagę.
Zgodnie z taką propozycją brytyjska firma Reaction Engines Limited (REL) zaprojektowała swój samolot kosmiczny Skylon do działania z SABRE, koncepcją silnika oddychającego powietrzem. Aby polegać tylko na własnym wewnętrznym sprzęcie, aby uzyskać ciąg, SABRE będzie mógł przełączać się między dwoma trybami pracy – typowym silnikiem turboodrzutowym polegającym na powietrzu atmosferycznym do zasilania wewnętrznego spalania oraz konwencjonalnym silnikiem rakietowym wykorzystującym zasilanie ciekłym tlenem.
REL opublikował propozycję załogowej podróży na Marsa, która wykorzystałaby statek kosmiczny Skylon do budowy statków misyjnych na orbicie.
9 Termiczna rakieta nuklearna
Rosatom, rosyjska państwowa korporacja zarządzająca wewnętrznymi sprawami nuklearnymi, buduje silnik rakietowy, który przeleciałby z Ziemi na Marsa w zaledwie 45 dni (w porównaniu z obecnymi 18 miesiącami). Taka technologia będzie podobna do jądrowych rakiet termicznych (NTR) URSS zaprojektowanych podczas zimnej wojny. Wewnątrz reaktora pokładowego energia uwolniona z rozszczepionych atomów przegrzewa płyn roboczy, tworząc wysokie ciśnienie, a tym samym ciąg, podobnie jak reakcje spalania paliwa w rakiecie chemicznej. Ze względu na gęstość energetyczną paliwa jądrowego silniki NTR ważą mniej i mają niski wskaźnik zużycia.
Podobnie NASA wznowiła swój projekt NTR 40 lat po zamknięciu programu NERVA, ale agencja kosmiczna przygląda się również szerszemu spektrum możliwości związanych z energią jądrową, takim jak rakiety napędzane syntezą jądrową i żarówki jądrowe.
8 Termiczny napęd antymaterii
Każda substancja fizyczna we wszechświecie składa się z materii; materia składa się z cząstek, a dla każdej cząstki istnieje ciemny bliźniak — antycząstka. Antycząstka ma wszystkie cechy swojego odpowiednika, z wyjątkiem przeciwnego ładunku. Kiedy obaj bliźniacy wchodzą w interakcję, unicestwiają się nawzajem i uwalniają energię, dużo energii. Naukowcy z NASA chcą wykorzystać tę moc do przyspieszenia silników rakietowych do wieku podróży międzygwiezdnych.
Podobnie jak w przypadku NTR, anihilacja antymaterii podgrzewałaby płyn roboczy w celu wytworzenia ciągu, ale przy wykładniczo większej wydajności paliwowej. 100 miligramów antymaterii wystarczy, aby dotrzeć na Marsa, podczas gdy rakieta chemiczna potrzebowałaby ton paliwa do załogowej misji. Naukowcy chcą nawet sfinansować statek na antymaterię na Kickstarterze.
7 Jądrowy napęd impulsowy
Co powiesz na podróż do Alpha Centauri, zrzucając bomby atomowe po drodze, aby napędzać swój statek kosmiczny? Napęd impulsów jądrowych może być najbardziej wykonalną drogą do podróży międzygwiezdnych. Rozpoczęty w 1958 roku jako przedsiębiorstwo DARPA, projekt Orion miał na celu zbudowanie prawdziwego statku opery kosmicznej — konstrukcji w stylu łodzi podwodnej, 200 członków załogi, tysiące ton masy startowej — i wystrzelenie go na orbitę za pomocą impulsowego napędu jądrowego. Wszystko wykonalne, teoretycznie i inżyniersko.
Silnik Oriona mógł wytwarzać megatony ciągu, kierując małe eksplozje nuklearne na masywną stalową płytę połączoną ze statkiem kosmicznym za pomocą amortyzatorów, ale kwestie polityczne i budżetowe okazały się problemami gorszymi niż mechaniczne przeszkody. Projekt Orion został zamknięty w 1965 roku po kilku osiągnięciach, jednak podobne koncepcje, takie jak statek kosmiczny Medusa i napęd rozszczepienia antymaterii, są nadal badane.
6 Mikronapęd nanocząsteczkowy
Ładowanie elektryczne cząsteczek paliwa, a następnie wzmacnianie ich za pomocą pól magnetycznych jest niezwykle skutecznym sposobem napędzania statków kosmicznych — pomimo niewielkiej siły impulsu silniki jonowe są wielokrotnie bardziej energooszczędne niż rakiety chemiczne i ostatecznie dorównują napędowi egzotermicznemu na dłuższą metę. Nawiasem mówiąc, był to system, który napędzał statek kosmiczny Dawn do Westy i Ceres.
Finansowany przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Uniwersytet Michigan opracowuje eksperymentalny silnik jonowy o nazwie NanoFET. Silnik wystrzeliłby biliony nanocząstek paliwa przez systemy nanoelektromechaniczne, otwierając koncepcję silnika strumieniowego na chipie, która może napędzać zminiaturyzowane satelity jutra. Siatki modułów NanoFET można elastycznie dostosowywać i eskalować, aby dopasować je do różnych projektów i potrzeb inżynierskich.
5 Q-ster strumieniowy
Rakiety wyrzucają paliwo (działanie), aby uzyskać ciąg (reakcję) zgodnie z trzecim prawem Newtona, ale co by było, gdyby napęd mógł złamać tę podstawową zasadę natury? Roger Shawyer, brytyjski inżynier lotniczy, uważał, że jest to jak najbardziej możliwe, kiedy w 1999 roku zaproponował bezreakcyjny silnik o nazwie ster strumieniowy rezonansowy o częstotliwości radiowej lub po prostu EmDrive (napęd elektromagnetyczny). EmDrive odbijałby mikrofale wewnątrz stożka, wytwarzając ciąg w kierunku wąskiego końca. Eksperyment wywołał kontrowersje w środowisku naukowym, nawet po tym, jak chińscy, niemieccy i naukowcy z NASA odtworzyli procedury Shawyera z pozytywnymi wynikami.
To, jak dokładnie działają EmDrive, pozostaje na granicy fizyki. Teoria fluktuacji kwantowych mówi, że próżnia syczy, a energetyczne cząstki pojawiają się i znikają z rzeczywistości. Oddziałując z tymi cząsteczkami za pomocą mikrofal, statek mógłby uzyskać ciąg.
EmDrive stworzył zupełnie nową koncepcję silników rakietowych znanych jako kwantowe silniki próżniowe (Q-sterniki).
4 Laserowy ster strumieniowy fotoniczny
Young K. Bae jest doktorem. Dr fizyk założyciel YK Bae Corp – przedsięwzięcia zajmującego się badaniem „zielonych" technologii w dziedzinie energii i podróży kosmicznych. Patenty Bae obejmują koleje fotoniczne, nową klasę molekularną oraz Photonic Laser Thruster (PLT). Bae studiował PLT dzięki funduszom NASA i był w stanie zaprojektować koncepcję kosmicznego sterownika, który nie musiałby nosić zbiorników paliwa. Zamiast tego PLT otrzyma ciąg z laserów wystrzelonych w statek kosmiczny. Ponieważ próżnia jest pozbawiona tarcia, statek napędzany PLT stale nabierałby rozpędu, aby pokonać odległość do Marsa w ciągu kilku dni.
Rozwój technologii Directed Energy będzie miał kluczowe znaczenie dla dostarczania wielomegawatowych wiązek laserowych zdolnych do pchnięcia statku kosmicznego przez przestrzeń kosmiczną, umożliwiając architekturę wolną od ciężkich komponentów, takich jak paliwo i główne źródła zasilania.
Kosmiczna wyrzutnia 3 Coilgun
Pisarze science fiction, tacy jak Arthur C. Clarke i Robert Heinlein, przez dziesięciolecia uważali katapulty elektromagnetyczne za urządzenia fabularne. Nawet dzisiaj magnetyczne przyspieszenie ładunku znajdującego się setki mil nad Ziemią może wydawać się czystym science fiction, a jednak naukowcy tacy jak dr James Powell i dr Gordon Danby uważają, że będzie to część przyszłości podróży kosmicznych. Powell i Danby wspólnie wynaleźli nadprzewodzący maglev (zawieszenie magnetyczne), umożliwiając rozwój obecnych pociągów EM, a teraz chcą zastosować tę technologię w podróżach kosmicznych w ramach swojego projektu Startram.
W wizji Powella i Danby’ego cewki wytwarzałyby silne pole magnetyczne, które pchałoby statek kosmiczny lub ładunek z dużą prędkością przez wiele kilometrów linii kolejowych, podobnie jak dzieje się to w przypadku projektu cewki. Aby osiągnąć wystarczający rozmach, tor będzie miał kilka mil długości i będzie kosztować dziesiątki miliardów dolarów, ale według jego wynalazców jest to niewielka cena za przyszłość.
2 Gwiezdny Wiatraczek
Słońce, jak każda inna gwiazda, nieustannie wyrzuca naładowane cząstki – prawdziwą burzę szybkich protonów i elektronów. Takie ciśnienie promieniowania może naciskać na pole magnetyczne i generować ciąg.
Po dekadzie kosmicznej wędrówki, sonda kosmiczna Sunjammer byłaby w stanie przekroczyć odległe granice naszego Układu Słonecznego bez marnowania paliwa, manewrując w egzoplanetarnych polach magnetycznych i grawitacyjnych, aby skalibrować swoją trajektorię. Kierunek ciągu można było regulować, zmieniając żagiel w zależności od wiatru słonecznego.
Ponieważ siła napędowa zależałaby od wielkości pola magnetycznego, żagiel słoneczny potrzebowałby setek metrów i kilometrów materiału nadprzewodnikowego do wytworzenia swojego pola magnetycznego, przypominającego cyklopowe pętle drutu zamiast łapiących wiatr płócien epoki nawigacji.
NASA planuje rozmieścić żagiel słoneczny w 2018 roku podczas przeglądu przelotu Asteroid Scout.
1 Alcubierre Drive
Równania pola Einsteina stwierdzają, że energia i materia mogą zakrzywiać siatkę czasoprzestrzenną rzeczywistości. Spekulatywnie, rozciągając tkankę przestrzeni za statkiem i zmniejszając przestrzeń przed nim, możliwe jest osiągnięcie pozornej podróży FTL (szybszej niż światło). Oczywiście poruszałaby się przestrzeń, a nie statek, jak w przewijanej grze, więc żadne relatywistyczne prawo nie zostałoby złamane. Poruszając się po bąblu fal czasoprzestrzennych, nasz statek może osiągać prędkości o wiele rzędów wielkości większe niż prędkość światła. Moglibyśmy nawet polecieć na Marsa w mniej niż sekundę, ale myślę, że spowolnienie byłoby problemem!
Napęd Alcubierre lub po prostu napęd warp został zaproponowany przez meksykańskiego fizyka Miguela Alcubierre’a jako rozwiązanie równań pola Einsteina, które stwierdzają, że energia i materia mogą zakrzywiać siatkę czasoprzestrzeni. Wykorzystując pole o masie mniejszej niż zero, napęd warp spowodowałby skręcanie i przewijanie struktury przestrzeni.