Napędy kosmiczne

Autor: Greg K1ler

Narodziny cywilizacji kosmicznejOpracowano na podstawie książki "Narodziny cywilizacji kosmicznej" Roberta Zubrina z wydawnictwa Prószyński i Spółka. Poniższy tekst jest opisem prezentacji, którą autor przedstawił na konwentach Imladris 2005 oraz III Zamojskich Spotkaniach z Fantastyką.

Wszelkie prawa do ilustracji zawartych w prezentacji, a także samego tekstu należą do wydawcy. Dziękujemy za umożliwienie zamieszczenia ich na stronach Gildii Nauki Popularnej.


:::: Ściągnij prezentację ::::

WPROWADZENIE:

"Zbyt nisko buduje ten, kto buduje pod gwiazdami" Edward Young, Nocne rozważania o życiu śmierci i nieśmiertelności, 1745 (zapisane na murze Biblioteki Kongresu USA)


Podróże międzygwiezdne są świętym Graalem dla inżynierii astronautycznej; wyzwanie jest ogromne, lecz zyski potencjalnie nieskończone.


Odległości:

  • orbita Ziemi - 150 mln. km - 1 j.a. (AU),
  • Mars - 1,52 j.a.,
  • Jowisz - 5,2 j.a.,
  • Saturn - 9,5 j.a.,
  • Uran - 19 j.a.,
  • Neptun - 30 j.a.,
  • Pluton - 39,5 j.a.,
  • najbliższy układ gwiezdny - alfa Centauri (złożona z podobne do Słońca gwiazdy typu G - alfa Centauri A i dwóch karłowatych gwiazd - alfa Centauri B i Proxima Centauri) - 4,3 lat świetlnych - 270 000 j.a..


Prędkości:

  • najszybszy ziemski Voyager - w 13 lat dotarł do Neptuna - średnio 2,5 j.a. / rok, ponieważ przyspieszał w asyście grawitacyjnej Jowisza, Saturna, Urana, Neptuna - końcowo 3,4 j.a. / rok (17 km/s).


Czas:

  • 790 stuleci,
  • gdyby wysłano, gdy homo sapiens dotarł do Europy - pozostały czas lotu - 30 000 lat,
  • brak możliwości uzupełniania zapasów (nie ma światła, reaktory jądr. działają w 100% tylko przez śr. 7 lat).


Trudna łączność:

  • sonda automatyczna - 100 W, antena śr. 2 m --> 40 kB/s --> 70 m antena na Ziemi,
  • misja m.g. - bilion watów - 8% całkowitej energii produkowanej obecnie.


Trudne, ale nie niemożliwe - stosunek odległości Ziemia-Mars i Hiszpania-Karaiby 80 000:1, mniej więcej tyle samo Ziemia-alfaCentauri i Ziemia-Mars, skala pozostaje w stałym stosunku; 500 lat od Kolumba do podróży na Marsa, może 500 lat i podróże m.g.?

Rozwój fizyki da nowe, nieznane dotąd możliwości, ale już teraz mamy pewne opcje oparte na znanych prawach - unowocześnione projekty inżynierskie.

NAPĘD CHEMICZNY:

  • maks. prędkość gazów wylotowych - ok. 5 km/s (obecnie wodór/tlen - 4,5 km/s - 90% max),
  • prędkość max statku = 2 razy prędkość gazów wylotowych,
  • zaawansowany napęd - 10 km/s - 2 j.a. / rok - czas: 135 000 lat,
  • dzięki asystom grawitacyjnym planet skrócenie do 79 000 lat,
  • celem Voyagera nie było osiągnięcie max prędkości (nie uruchamiano też silników podczas asyst):
    • najbardziej masywne - Słońce - pr. ucieczki - 617 km/s,
    • strzelamy izolowanym termicznie statkiem kosmicznym w stronę Jowisza, wykorzystujemy jego siłę ciążenia - lot nurkowy w wewn. rejony Układu Słonecznego - tylko 40 tys. km ponad pow. Słońca,
    • pr. ucieczki równa wtedy 600 km/s, odpalamy w odpowiednim momencie silniki ?v = 10 km/s zwiększając pr. do 610 km/s, wtedy: uzyskujemy 110 km/s - 4 razy szybciej niż Voyager - czas: 12 300 lat, gdyby naciągnąć granice możliwości projektów tech. i asyst - ?v = 25 km/s - prędkość końcowa 175 km/s - czas: 7700 lat - DOBRY WYNIK,
  • dwie opcje:
    • ograniczenie przemiany materii załogi - komory kriogeniczne,
    • statek - kolonia O'Neilla.

NAPĘD JĄDROWY:

  • prędkość wylotowa max 5 km/s ze względu na entalpię - ilość energii na jedn. masy (13 MJ/kg dla chemicznego),
  • dla napędu jądrowego entalpia równa 82 miliony MJ/kg - 6 mln. razy więcej,
  • w teorii prędkość równa 2 razy pierwiastek z entalpii, czyli: 5,1 km/s oraz 12 800 km/s,
  • światło 300 000 km/s - prędkość gazów - 4% p.ś. - pr. statku - 8%, gdyby hamować połową ?v - 4%, czas: 54 lata i 108 lat,
  • ale... jak wykorzystać całą dostępną energię?
    • termiczna rakieta jądrowa (reaktor używany do ogrzewania gazu) - pr. gazów wylotowych - 9 km/s,
    • gas-core (paliwo jądrowe w postaci gazu) - pr. gazów wylotowych - 50 km/s,
    • napęd NEP (reaktor jądrowy wytwarza en. elektryczną do zasilania silnika jonowego) - wykorzystuje wodór jako paliwo - b. masywne - ciąg silnika mały - pr. gazów wylotowych - kilkaset km/s,
  • rozwiązanie: bomby atomowe, ryzyko:
    • zamiana statku w parę,
    • zmiażdżenie załogi w marmoladę - 100 tys. g,
    • śmiertelna dawka promieniowania gamma.

Projekt Orion:

  • 1957-1963, ściśle tajny projekt sponsorowany przez Komisję Energii Jądrowej Stanów Zjednoczonych, pomysł matematyk Stanisław Ulam (współpracowali Ted taylor, Freeman Dyson),
  • skład mieszczący zapas bomb atomowych znajduje się w połowie dł. statku, seria bomb wystrzeliwana za pomocą długiej rury w kierunku rufy i wylatuje z tyłu, za osłoną popychającą wykonaną z bardzo wytrz. materiału, pod nią wydajne pochłaniacze fali uderzeniowej,
  • bomby są odpalane jedna za drugą w szybkim tempie - stała siła, niestety osłona w kształcie tarczy zamienia energię wybuchu w ciąg znacznie gorzej niż konwencjonalna dysza wylotowa w kształcie dzwonu (25% do 94%), musi radzić sobie ze znacznie większymi siłami - faktyczna prędkość wylotowa gazów - 1% p.ś. (3000 km/s),
  • projekt Orion zarzucony w 1963 roku (Traktat o ograniczeniu prób jądrowych wykluczył składowanie bądź detonowanie ład. nukl. w przestrzeni kosm.).

Robert Zubrin proponuje: NSWR (Nuclear Salt Water Rocket) - rakieta nuklearna wykorzystująca roztwór soli materiału rozszczepialnego:

  • materiał rozszczepialny jest rozpuszczony w wodzie w postaci soli, np. bromek uranu (UBr4), jest składowany w szeregu pojemników, ogrodzonych od siebie warstwą wytrzymałego materiału, zawierającego bor (B), który jest b. silnym pochłaniaczem neutronów - uniemożliwia ich przepływ między pojemnikami, każdy pojemnik zawiera podkrytyczną masę uranu,
  • uruchamiamy silnik, we wszystkich pojemnikach naraz otwierają się zawory, woda zawierająca sól uranu wtryskuje pod ciśnieniem do zbiorczej tuby; gdy słup osiągnie odpowiednią wysokość - reakcja łańcuchowa, woda eksploduje zamieniając się w plazmę podgrzewaną reakcją jądrową,
  • następnie wylatuje z dyszy rakiety zabezpieczonej przed ogromną temperaturą plazmy polem magnetycznym, w efekcie stały ciąg, ale entalpia miliony razy większa,
    • dysza skuteczniejsza od osłony,
    • uran rozpuszczony w wodzie - pr. wylotowa gazów odpowiednio zmniejszona poniżej 4% p.ś. (może nawet do 1%),
    • eliminacja potrzeby masowej budowy bomb jądrowych.

Przy prędkości gazów wylotowych 1% p.ś. prędkość statku = 2% p.ś. - czas: 215 lat.

Ilość plutonu 238 czy uranu 235 - 10 tys. ton do wysłania tysiąctonowego statku - skąd?

Silnik jonowy

NAPĘD TERMOJĄDROWY:

  • duża pr. wylotowa gazów - klucz do podróży m.g., entalpia - klucz do prędkości, reakcje syntezy jeszcze wydajniejsze:
    • czysty deuter spalany z pośrednimi produktami fuzji (katalizowana fuzja D-D) - 208 mln. MJ/kg na potrzeby napędu + 139 MJ.kg wysokoenergetycznych neutronów na potrzeby urządzeń pokładowych,
    • deuter i hel 3 - entalpia 347 MJ/kg,
  • prędkości:
    • D-D - 20 400 km/s - 6,8% p.ś.,
    • D-3He - 26 400 km/s - 8,8% p.ś.,
  • paliwo łatwiej osiągalne,
  • mniejsze rozmiary - nie trzeba masy krytycznej,
  • współcześnie - ładunek jądrowy, by ścisnąć i ogrzać dużą część paliwa termojądrowego aż do osiągnięcia zapłonu termojądrowego,
  • opcje (lepsze metody):
    • laserowe systemy zapłonu, np. NIF (National Ignition Facility) w Lawrence Livermore Laboratory w Kaliforni:
      • bateria wysokoenergetycznych laserów, wiązki skupiają się na małej porcji paliwa termojądrowego - ogrzanie, kompresja, detonacja,
      • napęd: wystrzeliwanie w szybkim tempie wielu ładunków w tylny obszar rozchodzącego się pola magnetycznego; w odpowiednim momencie ładunek trafiany ze wszystkich stron promieniami lasera - eksplozja z siłą kilku ton dynamitu - produkcja niezwykle gorącej plazmy - kierunkowanie poprzez magnetyczną dyszę, a tym samym ciąg,
    • odpowiednio ukształtowane i dobrane ładunki chemiczne - niewykluczone, wiele projektów zrealizowano, ale wyniki nigdy nie opublikowane:
      • mikrobomby termojądrowe z zapalnikami chemicznymi eliminują ciężkie systemy laserowe,
    • obszerna komora w roli pułapki magnetycznej więżąca dużą ilość plazmy termojądrowej (podobna do wykorzystywanej w reakcjach fuzji):
      • większość produktów fuzji "wycieka" z jednego końca reaktora dając ciąg, reszta podgrzewa plazmę do temp. ok. 500 mln. stopni Celsjusza,
      • część plazmy o mniejszej temp. również wycieknie, ale ze względu na mniejszą energię zostanie wyhamowana przez siatkę elektrostatyczną i użyta do produkcji en. elektrycznej dla urządzeń pokładowych,
  • wydajność dysz - ok. 60% (w porównaniu do dzwonowych - 94% i tarcz popychających - 25%),
  • w takim wypadku dla D-3He pr. gazów wylotowych - 5% p.ś., co daje pr. rakiety 10% p.ś. - czas: 43 lata lub 86 lat, gdyby trzeba było używać napędu do hamowania.

ANTYMATERIA:

    TEORIA:

  • antymateria - substancja, której cząstki mają odwrócone ładunki elektryczne, jej entalpia jest jeszcze większa,
  • zetknięcie materii i antymaterii powoduje anihilację cząstek i zamiany całej masy w energię zgodnie ze wzorem Einsteina E=mc2 ,
  • nasz rejon zawiera olbrzymią nadwyżkę materii, ale antymateria istnieje naprawdę,
  • produkcja:
    • promieniowanie kosmiczne bombardujące ziemską atmosferę,
    • akceleratory,
  • składowanie: specjalne pojemniki na antyprotony zwane pułapkami Penninga - pole magnetyczne nie pozwala na zderzanie ze ścianami pojemnika,
  • w CERN i Fermilab udało się zebrać za pomocą pierścieni zbiorczych około tryliona antyprotonów - jeden pikogram antymaterii - przy anihilacji 300 dżuli - 10 W żarówka świeci przez 5 sekund,
  • zbierano też za pomocą promieni laserowych, które odpychały je od ścian pojemnika,
  • założenie: zamrażamy antywodorowy gaz do postaci kryształków,
    • nadajemy statyczny ładunek elektryczny, przechowujemy bez ryzyka w magnetycznej bądź elektrostatycznej pułapce,
    • anihilujemy ze zwykłym wodorem,
  • entalpia równa 90 miliardów MJ/kg - 259 razy więcej niż przy fuzji D-3He, 1000 razy więcej niż przy rozszczepianiu jąder i 7 mld. razy więcej niż przy paliwie chemicznym - dla porównania 1 kg materii + 1 kg antymaterii = wybuch z mocą 40 mln. ton TNT,
  • teoretycznie max pr. wylotowa - pr. światła.

    PRAKTYKA:

  • 40% energii jest emitowane w postaci promieniowania gamma o b. wysokiej energii - konieczność stosowania masywnych tarcz ochronnych,
  • generowanie ciągu:
    • antymateria generuje wysokoenergetyczną plazmę w pułapce magnetycznej:
      • tylko część energii może podgrzać plazmę - ta w postaci elektrycznie naładowanych cząsteczek - promienie gamma i obojętne cząsteczki uciekłyby przed podgrzaniem plazmy,
      • plazma w wysokiej temp. traci olbrzymie ilości energii w postaci pr. cyklotronowego i pr. hamowania,
      • straty te w połączeniu z wydajnością dysz obniżają pr. wylotową do ok. 30% p.ś.
    • energia anihilacji podgrzewa powierzchnię zamontowanego z tyłu cylindra odpornego na wysokie temp. (z wolframu czy grafitu) aż do rozżarzenia, następnie skierowanie światła za pomocą luster przeciwnie do kierunku lotu (rakieta fotonowa):
      • większość przenikliwych promieni gamma wytracona zanim ogrzeje cylinder,
      • neutrina i inne przenikliwe cząstki unoszą energię z układu - zmniejsza to prędkość wylotową,
      • uwzględniając straty - pr. wylotowa - 50% p.ś. - pr. statku ok. 90% p.ś. - czas: 5 lat - dla załogi 3 lata.

Silnik fotonowy ma prostszą konstrukcję i lepsze osiągi, ale:

  • produkcja antymaterii ogromnie trudna - potrzeba ponad 10 mln. razy więcej en. elektrycznej, by wyprodukować daną ilość antymaterii, niż otrzymamy jej w wyniku anihilacji.

Rozpędzamy statek do prędkości 10% p.ś. - energia kinetyczna przy prędkości przelotowej będzie równa 450 bilionów MJ, biorąc 0,05 dolara za kWh otrzymujemy 6 bilionów dolarów (4-letni budżet USA), gdyby użyć paliwa termojądrowego do produkcji antymaterii byłoby to ok. 600 mld. dolarów, biorąc pod uwagę wydajność napędu i ciężar paliwa otrzymujemy ostatecznie ok. 2 bilionów dolarów.

  • Jest kilka pomysłów na polepszenie wydajności produkcji, może nawet 1000 razy, jednak to dalej za mało,
  • przy takich kosztach cywilizacja musiałaby być tak bogata, że nie grałyby one roli.


ŻAGLE SŁONECZNE:

  • prawie 100 lat temu Johannes Keppler zaobserwował, że niezależnie od tego czy kometa porusza się ku Słońcu, czy w kierunku przeciwnym, jej warkocz jest zawsze skierowany od niego - światło wywiera ciśnienia odpychając go,
  • udowodnił to później (1901) Piotr Lebiediew - umieścił lustra w pojemniku próżniowym na cienkich włóknach,
  • Einstein dostarczył podstaw teoretycznych - efekt fotoelektryczny,
  • potrzeba niezwykle wiele światła, by uzyskać odpowiednią siłę nacisku - w odl. 1 j.a. od Słońca na żagiel o pow. 1 km2 działa siła 10N, gdyby żagiel wykonano z plastiku cienkiego jak kartka papieru (0,1 mm)- 100 ton, rozpędza się w rok do 3,2 km/s,
  • można mniejsze - torebki plastikowe 20 mikrometrów - weźmy 10 mikrometrów (tak jak grubość powłok w balonach wysokościowych) - 10 ton, 32 km/s - tam i z powrotem na Marsa w jeden rok,
  • nie bierzemy tu pod uwagę masy ładunku,
  • nie trzeba zasilania, technologia prosta, tania, elegancka, elastyczna,
  • wymaga tylko dobrej metody składania i rozkładania żagla,
  • podróże międzygwiezdne:
    • zrobić żagiel o niezwykle małej grubości, nie dysponujemy jeszcze takimi technikami, być może można pominąć plastikowy podkład i wykorzystać cieniutką warstwę aluminium stworzoną przez napylanie cząsteczek w próżni na ultralekką konstrukcję nośną żagla,

Grubość żagla (mikrometry)

Przyspieszenie w odl. 1 j.a.

(m/s2)

Promień żagla

(km)

Końcowa prędkość

(km/s)

0,3

0,006

220

95 (0,03%c)

0,1

0,018

234

212 (0,07%c)

0,01

0,18

2108

728 (0,26%c)

0,001

1,8

2343

2322 (0,77%c)


    • mniej niż 0,001 mikrometra - trudno, tyle miałaby warstwa o gr. jednego atomu,
    • aby nie był przezroczysty - minimalnie 0,01 mikrometra,
    • średnia gęstość 0,001 mikrometra - perforacja, jeżeli zrobimy otwory o śr. mniejszej niż 0,5 mikrometra (długość fali światła widzialnego), wtedy żagiel dalej odbija światło jak niektóre typy anten odbijają fale radiowe,
    • można rozpocząć misję bliżej Słońca, ale prędkość wzrośnie tylko odwrotnie proporcjonalnie do pierwiastka odległości (9 razy bliżej - 3 razy szybciej),
    • przyspieszenie statku startującego z 0,1 j.a. od Słońca (0,001 mikrometra) - 18 g,
    • górna granica to ok. 1% p.ś.,
    • zalety:
      • koszt energii wynosi zero,
      • prostota, niezawodność,
    • warunek: docelowa gwiazda świeci tak samo jak Słońce - trzeba hamować,
    • czas: 500 lat,
    • opcje - statek wielopokoleniowy, metody opóźniające starzenie, istoty o długim czasie życia,
  • dodatkowe przyspieszenie za pomocą lasera dużej mocy (Robert Forward, 1962):
    • weźmy statek o masie 1000 ton, żaglem o promieniu 343 km i gr. 0,001 mikrometra,
    • oświetlamy laserem o jasności 5 razy większej niż ma światło słoneczne na Ziemi,
    • wynik: przyspieszenie równe 9 m/s2, po 2 miesiącach 15% p.ś., 806 j.a.,
    • sprzęt: soczewki działa laserowego - śr. 100 m (tylko 12 razy więcej niż największy teleskop optyczny Kecka)
    • ogromne zapotrzebowanie na energię: 240 TW - 20 razy roczna produkcja na Ziemi, ponieważ działa tylko 2 m-ce całkowita energia - 3-krotna roczna produkcja:
      • tendencja zwyżkowa w produkcji energii 2,6% rocznie, jeśli się utrzyma wtedy w 2200 roku będziemy produkować 2500 TW - wtedy wykorzystanie niecałych 10% (9,6%) całości będzie jak najbardziej wykonalne,
    • działo skierowane na gwiazdę docelową, załoga utrzymuje statek w środku wiązki ,
    • czas: 29 lat:
      • gdyby soczewki były 4 razy większe, można by świecić dwa razy dłużej i rozpędzić do dwa razy większej prędkości (30% p.ś.) - dwa razy krócej,
    • podstawowy problem: NIE MA SIĘ JAK ZATRZYMAĆ.
ŻAGLE MAGNETYCZNE:
  • Wizjoner i fizyk Robert Bussard, 1960 - rozprawa nt. podróży międzygwiezdnych - termojądrowy silnik strumieniowy - zbiera wodór w czasie lotu, spala wykorzystując reakcję fuzji proton-proton (odpada ograniczenie na masę, rozpędza asymptotycznie do p.ś.).
Reakcję p-p trudno podtrzymywać i przebiega ona powoli, spowodowanie zapłonu 20 mln. razy trudniejsze niż w D-T, D-D, D-3He
  • Astronom Daniel Whitmire, 1975 - propozycja dodania węgla jako katalizatora, wykorzystanie fuzji węglowo-azotowo-tlenowej (CNO), która podtrzymuje proces fuzji protonowej w gorących gwiazdach, niestety nawet przy takim podniesieniu reaktywności dalej zapłon jest milion razy trudniejszy,
  • problem ze zbieraniem paliwa - ze względu na rozrzedzenie ośrodka międzygwiezdnego powierzchnia zbierająca olbrzymia - odpada mechaniczne zbieranie - jedynie wykorzystanie pola magnetycznego lub elektrostatycznego,
  • inżynier Boeinga Dana Andrews, 1988 - magnetyczny czerpak zbiera jony wodoru i wykorzystuje je jako paliwo w standardowym silniku jonowym, zasilanym pokładowym reaktorem jądrowym.
Mała wydajność jak na potrzeby misji m.g., ale międzyplanetarne jak najbardziej.

Problem: opór czerpaka mniejszy od siły ciągu - kompletna bezużyteczność.
  • Robert Zubrin przyjaźnił się z Daną Andrews, zna się na fizyce plazmy - poważne uproszczenia w obliczeniach Andrews, razem napisali program do wyliczenia dokładnie oporu - wyszedł jeszcze większy, propozycja maksymalizacji oporu zamiast minimalizacji - żagiel magnetyczny zamiast czerpaka:
    • wykorzystujemy dynamiczne ciśnienie wiatru słonecznego, plazmy płynącej od Słońca,
    • żagiel magnetyczny wykorzystuje nadprzewodniki do wytworzenia silnego pola magnetycznego i odbijania wiatru słonecznego (Ching Wu Chu z Uniwersytetu w Houston, 1987 - pierwsze wysokotemperaturowe materiały przewodzące bez oporu),
    • gdyby udało się wyprodukować przewodniki, które przewodziłyby prąd w wysokich temp. o takim samym natężeniu jak obecne w niskich (1 mln. A/cm2) - stosunek ciągu do masy 50 razy lepszy niż w przypadku obecnych żagli słonecznych (10 mikrometrów),
    • obecnie wysokotemperaturowe nadprzewodniki - 20% możliwości,
    • maksymalna prędkość - 500 km/s (tyle co wiatr słoneczny), praktyczna - około połowa z tego,
    • ciąg żagla zawsze od Słońca, ale udowodniono, że da się skierować statek w dowolny region Układu Słonecznego,
    • ciągle mało na potrzeby podróży międzygwiezdnych, ale istnieją nietypowe koncepcje napędu - popychanie żagla za pomocą bomb plazmowych (projekt MagOrion) i wiązek naładowanych cząstek,
  • żagiel to idealny hamulec w podróżach międzygwiezdnych, im szybciej statek leci, tym większy opór stawia, połowa bitwy wygrana, można wykorzystać wszystkie środki do przyspieszenia, o hamowanie nie trzeba się już martwić.
:::: Ściągnij prezentację ::::

Żagiel słoneczny

 



blog comments powered by Disqus