Top 10 motoare conceptuale pentru nave spațiale

Lansarea unei nave în spațiu este un proces costisitor și lent de știință și inginerie ciudată. Practic, avem nevoie de rachete, motoare extreme care ejectează gaze de evacuare a propulsorului de mare viteză pentru a genera forță. Funcționarea lor este un miracol tehnologic după standardele din secolul trecut, dar elementele de bază sunt destul de ușoare. La presiune ridicată, un aprindere declanșează combustibilul să explodeze în interiorul unei camere de ardere împreună cu o sursă de oxigen (de obicei lichid). Fluidul rezultat scapă prin duză de capăt ca masă de reacție.

Spre deosebire de jeturile care respiră aer, rachetele nu pot difuza gaze atmosferice pentru a produce mișcare, deoarece la înălțimile orbitale atmosfera devine prea subțire. Deci, un motor rachetă trebuie să-și propulseze propriul lichid de evacuare pentru a fi împins. Pare simplu, dar problemele tehnice implicate în proiectarea, construirea, asamblarea și testarea navelor spațiale operaționale ridică vertiginos bugetul oricărei lansări prin satelit.

Aparent, depășirea gravitației Pământului și atingerea spațiului cosmic este limită pentru rachetele chimice actuale, care folosesc reacția exotermă ca propulsie. Din fericire, știința aplicată este mai puțin o casă de luptă împotriva fizicii decât a afla cum să-și facă legile să funcționeze favorabil. Iată 10 concepte ale navelor spațiale care pot extinde orizontul umanității.

10. Turbojet sinergic

O dată mai de construit nave spațiale ieftine ar putea fi abordarea single-stage-to-orbit (SSTO), un sistem de propulsie conceptual care nu se bazează pe hardware-ul de aruncare pentru a ajunge la înălțimea orbitală. Ar folosi aerul atmosferic în timpul lansării pentru a alimenta reacția de ardere a motorului, ceea ce va evita transportul de oxidant suplimentar și, prin urmare, va scădea greutatea.

În urma unei astfel de propuneri, compania britanică Reaction Engines Limited (REL) și-a proiectat avionul spațial Skylon să funcționeze utilizat SABRE, un concept de motor care respira aer. Pentru a conta doar pe propriul hardware interior pentru a obține tracțiune, SABRE va putea comuta între două moduri de funcționare – un turboreactor tipic care se bazează pe aerul atmosferic pentru a alimenta arderea internă și un motor de rachetă convențional care folosește oxigenul.

REL a lansat o propunere pentru o călătorie cu echipaj pe Marte, care ar folosi nava spațială Skylon pentru a construi navele de misiune pe orbită.

9. Racheta termică nucleară

Rosatom, o corporație de stat rusă care gestionează afacerile nucleare interne, construiește un motor de rachetă care durează doar 45 de zile pentru a călători de pe Pământ pe Marte (față de cele 18 luni actuale). O astfel de tehnologie va fi similară cu rachetele nucleare termice (NTR) URSS proiectate în timpul Războiului Rece. În interiorul unui reactor de la bord, energia eliberată de la scindarea atomilor supraîncălzește fluidul de lucru pentru a crea presiune ridicată și, prin urmare, împingere, așa cum fac reacțiile de ardere a propulsorului într-o rachetă chimică. Datorită densității energetice a combustibilului nuclear, motoarele NTR cântăresc mai puțin și au un consum redus.

De asemenea, NASA și-a reînviat proiectul NTR la 40 de ani după închiderea programului NERVA, dar agenția spațială se uită și la un spectru mai mare de posibilități care implică energia nucleară, cum ar fi rachetele conduse de fuziune și becurile nucleare.

8. Unitate termică cu antimaterie

Fiecare substanță fizică din univers este compusă din materie; materia este formată din particule și pentru fiecare particulară există un geamăn întunecat – antiparticulă. O antiparticulă sunt toate trăsăturile omologului său, cu excepția sarcinii opuse. Când ambii gemeni interacționează, se anihilează reciproc și eliberează energie în acest proces, multă energie. Oamenii de știință de la NASA vor să folosească această putere pentru a propulsa motoarele de rachete în era călătoriei interstelare.

Similar cu NTR-urile, anihilarea antimateriei ar încălzi fluidul de lucru pentru a genera forță, dar cu o eficiență a combustibilului exponențial mai mare. 100 de miligrame de antimaterie sunt suficiente pentru a ajunge pe Marte, în timp ce o rachetă chimică ar avea nevoie de tone de propulsor pentru o misiune cu echipaj. Cercetătorii vor chiar să finanțeze o navă cu antimaterie pe Kickstarter.

7. Propulsia pulsului nuclear

Ce zici de o călătorie către Alpha Centauri care aruncă bombe atomice în drumul spre a-ți propulsa nava spațială? Propulsia cu impulsuri nucleare poate fi calea cea mai fezabilă către călătoria interstelară. Început în 1958 ca o întreprindere DARPA, Proiectul Orion dorea să construiască o adevărată navă de operă spațială – construcție în stil submarin, 200 de membri ai echipajului, mi-au tone de greutate la decolare – și să o lanseze pe orbită propulsie cu impuls nuclear. . Totul viabil, teoretic și ingineresc vorbind.

Un motor Orion ar putea produce megatoni de forță direcționând mici explozii nucleare împotriva unei plăci masive de oțel unite la nava spațială cu amortizoare, dar probleme politice și bugetul s-au dovedit a fi probleme mai grave decât obstacolele mecanice. Proiectul Orion a fost închis în 1965 după mai multe realizări, cu toate acestea, concepte similare precum nava spațială Medusa și propulsia prin fisiune cu antimaterie sunt încă în cercetare.

6. Micropropulsie cu nanoparticule

Încărcarea electrică a moleculelor de propulsor și apoi stimularea prin câmpuri magnetice este o modalitate extremă de eficientă a unei propulse navele spațiale – în ciuda forței mici de impuls, propulsoarele ionice sunt de mai multe ori mai eficiente din punct de vedere energetic decât rachetele chimice și în cele din urmă se potrivesc cu propulsia exotermă pe termen lung. Apropo, acesta a fost sistemul care a propulsat nava spațială Dawn până la Vesta și Ceres.

Finanțată de Biroul de Cercetare Științifică a Forțelor Aeriene, Universitatea din Michigan dezvoltă un propulsor experimental de ioni numit NanoFET. Motorul ar declanșa trilioane de nanoparticule de propulsor prin sisteme nanoelectromecanice, deschizând un concept de propulsor pe cip care poate propulsa sateliții miniaturizați de mâine. Grilele de module NanoFET ar putea fi adaptate și escalate în mod flexibil pentru a se potrivi diferite proiecte și nevoi de inginerie.

5. Q-Thruster

Rachetele expulzează propulsorul (acțiunea) pentru a obține împingere (reacție) în conformitate cu a treia lege a lui Newton, dar ce se întâmplă dacă o unitate ar putea încălca această regulă de bază a naturii? Roger Shawyer, un inginer aerospațial britanic, a crezut că era perfect posibil când în 1999 a propus un motor fără reacție numit propulsor cu cavitate rezonantă de radiofrecvență sau doar EmDrive (Electromagnetic Drive). Un EmDrive ar arunca microundele în interiorul unui con pentru a produce împingere către capătul îngust. Experimentul a creat controverse în comunitatea științifică chiar și după ce cercetătorii chinezi, germani și de la NASA au reproduce procedurile lui Shawyer cu rezultate pozitive.

Modul exact în care funcționează EmDrives rămâne la limita fizicii. Teoria fluctuației cuantice spune că vidul zboară cu particule energetice care ies și din realitate. Interacționând cu aceste particule prin microunde, ar fi posibil ca o navă să fie împinsă.

EmDrive a creat un concept complet nou de motoare de rachete cunoscut sub numele de propulsoare cuantice de vid (Q-thrusters).

4. propulsor laser fotonic

Young K. Bae este Ph.D. Dr. fizician fondator al YK Bae Corp — un efort dedicat cercetării tehnologiilor „verzi” în domeniile energiei și călătoriilor în spațiu. Brevetele lui Bae includ căi ferate fotonice, o nouă clasă moleculară și propulsorul laser fotonic (PLT). Bae a studiat PLT-ul cu finanțare NASA și a reușit să creeze un concept de șofer spațial care nu ar trebui să transporte rezervoare de combustibil. În schimb, PLT-ul va primi acțiunea de la laserele trase asupra navei spațiale. Deoarece vidul este lipsit de frecare, o navă condusă de PLT ar câștiga în mod constant avânt pentru a parcurge distanța până la Marte în câteva zile.

Dezvoltarea tehnologiei Directed Energy va fi crucială pentru a furniza fascicule laser de mai mulți megawați capabile să împingă o navă spațială prin spațiul cosmic, permițând o arhitectură fără componente grele, cum ar fi combustibilul și sursele principale de alimentare.

3. Coilgun Space Launcher

Scriitori de science-fiction, precum Arthur C. Clarke și Robert Heinlein, au considerat catapultele electromagnetice ca dispozitive de complot de zeci de ani. Chiar și astăzi, accelerarea magnetică a unei sarcini utile la sute de mile deasupra Pământului poate părea pur Sci-Fi și, totuși, oameni de știință precum Dr. James Powell și Dr. Gordon Danby cred că va face parte din viitorul călătoriei în spațiu. Powell și Danby au co-inventat maglev supraconductor (suspensie magnetică), permițând dezvoltarea actualelor trenuri EM, și acum doresc să aplice tehnologia în călătoriile în spațiul prin proiectul lor Startram.

În viziunea lui Powell și Danby, bobinele ar produce un câmp magnetic puternic pentru a împinge o navă spațială sau o sarcină utilă la viteză mare pe kilometri de cale ferată, în mod similar cu ceea ce se întâmplă cu proiectul unui pistol elicoidal. Pentru a obține un impuls suficient, pista va avea câțiva kilometri lungime și va costa zeci de miliarde de dolari, dar – potrivit inventatorilor săi – este un preț mic de plătit pentru viitor.

2. Stellar Windjammer

Soarele, ca orice altă stea, aruncă în mod constant particule încărcate – o adevărată furtună de protoni și electroni de mare viteză. O astfel de presiune de radiație poate împinge împotriva unui câmp magnetic și poate genera împingere.

După un deceniu de rătăcire în spațiu, o navă spațială sunjammer ar fi capabil să traverseze granițele îndepărtate ale sistemului nostru solar fără să risipească combustibil, manevrând în câmpurile magnetice și gravitaționale exoplanetare pentru a-și calibra traiectoria. Direcția de împingere ar putea fi ajustată prin schimbarea pânzei în funcție de vântul solar.

Deoarece forța de propulsie ar depinde de mărimea câmpului magnetic, o velă solară ar avea nevoie de sute de metri și kilometri de material supraconductor pentru a-și produce câmpul magnetic, asemănător cu buclele ciclopice de sârmă în loc de panzele care captează vântul din Epoca Navigației. .

NASA intenționează să desfășoare o velă solară în 2018, în timpul sondajului de zbor al Asteroid Scout.

1. Alcubierre Drive

Ecuațiile de câmp ale lui Einstein afirmă că energia și materia pot curba rețeaua spațiu-timp a realității. În mod speculativ, întinderea țesăturii spațiului din spatele unei nave și contractând spațiul dinaintea acesteia, este posibil să se realizeze o călătorie FTL aparentă (mai rapidă decât lumina). Desigur, ar fi spațiul în mișcare și nu nava, ca un joc de defilare, așa că nicio lege relativă nu ar fi încălcată. Călărind pe o bulă warp de valuri-timp, nava noastră poate atinge viteze cu multe ordine de mărime mai mari decât cea a luminii. Am putea chiar să călătorim pe Marte în mai puțin de o secundă, dar cred că decelerația ar fi o problemă!

Unitatea Alcubierre sau pur și simplu unitatea warp a fost propusă de fizicianul mexican Miguel Alcubierre ca o soluție a ecuațiilor de câmp Einstein, care afirmă că energia și materia pot curba rețeaua spațiu-timp. Folosind un câmp de masă mai mică decât zero, o warp ar face ca spațiului să se răsucească și să defileze.