Napędy kosmiczne

Opracowano 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:

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?

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,

• 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.

• 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.).

• 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.

• 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.