Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Ракетите: ІV част – нови технологии
В заключителната статия за ракетните технологии ще се опитам да ви запозная бегло с най-иновативните съвременни концепции за ракети, граничещи малко или много с... Ракетите: ІV част – нови технологии

В заключителната статия за ракетните технологии ще се опитам да ви запозная бегло с най-иновативните съвременни концепции за ракети, граничещи малко или много с фантастика. Някои от тях са доста популярни сред технико-конспиративните гийкове, но си остават единствено тема за разговори; други  не привличат толкова внимание, но пък по тях тихомълком се работи (се е работило). Както и да е, темата е доста обширна и за съжаление донякъде повърхностна, така че ако искате да се запознаете малко по-сериозно с ракетното инженерство, ви препоръчвам преди това да хвърлите едно око и на предишните  ми материали за ракетите (тук, тук  и тук). И едно упътване – към всеки описан дизайн съм приложил една лента със статус, показваща (според мен) на какво ниво е развита концепцията.

  • Eлектрическо платно

Основната идея на иновативните ракетни технологии е да се заобиколи някак нуждата от химическа реакция за създаването на теглителна сила. А най-очевидната алтернатива  на химията, както знаем от автомобилната индустрия, е силата на електричеството и магнетизма. За ракетните електрически (йонни) двигатели споменах предния път, но всъщност има огромно разнообразие от далеч по-неортодоксални методи за ракетно задвижване, които се базират на електромагнитното взаимодействие. Към тях спада и концепцията за електрическо платно. Най-общо това е „платно” с голяма ефективна площ, което е заредено с висок положителен потенциал. В Слънчевата система такова платно би имало следното ценно свойство – то ще отблъсква положително заредените частици (протони) в слънчевия вятър. Тъй като всеки един протон е носител на маса и на скорост, то електрическото платно ще изпита някакъв импулс от взаимодействието с протоните, така че в крайна сметка то също ще задвижи. Ако се хванем за аналогията с вятърно платно, тук ситуацията е същата, само дето ролята на вятъра се играе от протоните. Важните съображения в случая са три – протоните са много и непрестанни, масата им е нищожна, скоростта им е огромна. Тъй като масата на платното е несравнимо по-голяма от тази на протоните, първоначално заради инертността си то почти няма да помръдва. С течение на времето обаче скоростта му бавно и непрестанно ще се увеличава, тъй като в космоса няма въздух, който да се съпротивлява на движението. Колко много? До 30 km/s за една година. Поне това показват разчетите на финландския учен Pekka Janhunen, който през 2006 г. дава идеята за подобен род задвижване.

Изображение: http://electric-sailing.fi/

Идеята е интересна, но по-интересна е реализацията й, която представя ученият. Платното всъщност ще се състои от многобройни (50 -100), дълги (20 km) и тънки (до 25 микрона) проводници, които ще бъдат наелектризирани до 20 kV положителен потенциал с помощта на електронна пушка, която изхвърля от конструкцията носителите на отрицателен заряд – електроните и по този начин я зарежда положително. Мощността на самата електронна пушка е няколко стотин вата, като тя се захранва чрез слънчеви панели. Големият плюс на този дизайн е че електростатичното поле, което създава, се простира на голямо разстояние около всяка жичка (до 50 m), така че ефективната площ на конструкцията се увеличава драстично при съвсем минимална маса (всичко това тежи няколко стотин грама).

Изображение: http://electric-sailing.fi/

И въпреки че електрическото платно има множество ограничения в приложението си (върши работа само близо до Слънцето, за малки товари, еднопосочно е), то има едно предимство пред много от по-популярни алтернативни концепции за ракетно задвижване. Това е проект, по който наистина се работи и който е напълно реализуем дори с днешните технологии. Всъщност миналата година бе изстрелян сателит-демонстратор на тази технология – първият естонски сателит  ESTCube-1, чиято задача е да измери силата, която би действала на електрическото платно в околоземна орбита. Повече детайли за този проект можете да прочетете тук – http://electric-sailing.fi/

  • Магнитно платно

Тъй като електричеството и магнетизма са взаимно преплетени (всъщност те са две проявления на едно и също нещо), логично е да предположим, че щом се говори за електрическо платно сигурно има и магнитно такова. Има, има, даже като идея е по-старо от електрическото. Принципът на работа на магнитното платно е следният: разполагаме с поток от заредени частици (слънчевия вятър), прилагаме магнитно поле в този поток, чийто силови линии са перпендикулярни на посоката на движение на заредените частици и получаваме магнитна сила, която отклонява частиците от траекторията им в посока, перпендикулярна едновременно на силовите линии и на посоката на движение. Съответно машинарията, която създава магнитното поле, се отмества в обратната посока. Звучи сложно, но всъщност не е – това е базова физика от 8-ми клас. Предимства – подобно на електрическото платно няма нужда да се носи гориво, което да утежнява конструкцията, но за разлика от него магнитното платно е много по-маневрено.

За да бъде ефективно платното обаче, е необходимо магнитното поле да е с много голям интензитет – нещо, което може да се получи само при протичането на ток през намотки от свръхпроводници без електрическо съпротивление. При малка конструкция не е голям проблем да се охлаждат намотките, но за транспортиране на хора и големи товари работата става невъзможна с днешните технологии. Американският аерокосмически инженер и основател на Mars Society – Робърт Зубрин изчислява, че една конструкция от свръхпроводим материал с диаметър 50 km би създала тяга от само 70 N при минимално тегло 40 тона.

Въпреки това идеята получава допълнително развитие в NASA. В дизайна на агенцията се търсят начини да се редуцира масата на магнитните намотки и така се стига до концепцията за Mini-magnetospheric plasma propulsion (M2P2). В случая учените са почерпили вдъхновение от магнитосферите на повечето планети в Слънчевата система, чиято структура силно се влияе от протичащите в тях потоци плазма (около Земята такива потоци са т.нар. радиационни пояси на Ван Алън). Идеята на M2P2 е да се създадат изкуствени потоци от йони около магнитното платно, така че да се получи нещо като миниатюрна магнитосфера с диаметър няколко десетки километра.

Базов вид на M2P2. Изображение: Robert M. Winglee, University of Washington

Разчетите показват, че такова нещо би изпитвало сила от слънчевия вятър до 3 N, което е достатъчно да ускори 200 kg апарат до 80 km/s за около 3 месеца, при условие че дневно се използва мощност 1 kW и 1 kg хелий. Важно е да отбележим, че тези цифри са подплатени и с експериментални резултати – през 2000 г. демонстратор на тази технология бе тестван във вакуумна камера на NASA и показа, че отклонява плазма със сила 1 N при 1 kW входна мощност. Към момента обаче технологията е в застой. Повече информация за нея можете да откриете тук – http://earthweb.ess.washington.edu/space/M2P2/ и http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast04oct_1/

  • Правопоточен двигател на Бусард (Bussard ramjet)

Най-неприятното на описаните по-горе методи е, че стават за употреба само в Слънчевата система и то в близост до Слънцето. Двигателят на Бусард от своя страна е концепция за междузвездни пътешествия. Както знаем знаем, такива пътешествия стават при големи скорости, които доближават скоростта на светлината. Със стандартните ракетни технологии днес това на практика е невъзможно и то най-вече, защото ракетата трябва да се зареди с невъзможно голямо количество гориво. Затова през 1960 г. американският физик Робърт Бусард предлага хитро решение как да се заобиколи този проблем – горивото ще се взема направо от  космоса. Въпреки че космическото пространство е пълен вакуум, който дори не може да се възпроизведе в лабораторни условия, в него все пак има реещи се единични частици. Във всеки кубически сантиметър  междузвездно пространство се намира поне един водороден атом (по данни от http://hypertextbook.com/facts/2000/DaWeiCai.shtml). А водородът е гориво, трябва само да го съберем някак.

Първоначално Бусард разглеждал способи за механично събиране на този водород, но стигнал до извода, че те са твърде неефективни и изискват огромна конструкция. Затова той предложил решение, базирано на електромагнетизма: водородните атоми трябва да се йонизират предварително (чрез лазерно лъчение) и след това това да бъдат привлечени по спираловидни траектории от източник на магнитно поле в „кораба“. За йонизиращото лъчение и магнитното поле обаче е нужна огромна електрическа мощност, която може да се набави единствено, ако събраният водород се приведе към термоядрен синтез.

Тази илюстрация показва основните елементи, които би имал един космически кораб с двигател на Бусард. Имайте предвид, че това е художествена интерпретация на графичен дизайнер и тя не претендира за техническа коректност. Например слънчевите панели нямат място при пътуването през дълбокия космос, но биха били полезни щом като корабът се установи в орбита около звезда. Изображение: http://william-black.deviantart.com/

Така описаната технология няма да види скоро бял свят (днес контролираният термоядрен синтез все още не е възможен в лабораторни условия), ала това не пречи на учените да дискутират още от сега потенциалните проблеми пред този род задвижване и да търсят решения за тях. Например на входа на двигателя, където гъстотата на магнитните силови линии е най-голяма, би могло да се окаже, че протоните се задържат там, вместо да навлизат навътре към реактора (всъщност именно този задържащ ефект на магнитното поле т.нар. „магнитно огледало” е в основата съвременните опити за термоядрени реактори). Освен това събираният водород няма да е перфектен за термоядрен синтез, тъй като в открития космос има предимно от най-простия изотоп на водорода само с един протон, а синтезът по-лесно се постига с деутерий и тритий, в чиито атомни ядра се съдържат и неутрони (във водородните бомби се използват тъкмо тези изотопи). И още – двигателят може да работи само, ако се движи много бързо, така че да събира достатъчно количество водород. По това той прилича на атмосферните правопроточни двигатели, които също трябва да се ускорят до свръхзвукова скорост, преди да заработят. Само че двигателят на Бусард е необходимо да се ускори до поне 6% от скоростта на светлината, така че корабът, използващ тази технология, трябва да бъде добре зареден с водород предварително. Повече информация за този тип задвижване тук – http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/interstellar_ramjet.html

  • Проектът „Дедал”

През 70-те години възможността за задвижване чрез термоядрен синтез се разглежда съвсем сериозно от научните среди. Тогава инженери и учени от Британското междупланетно общество създават план за възможно най-проста безпилотна изследователска мисия, която да посети една от най-близките звезди до нас – звездата на Барнард на 5.9 св. години от Слънцето. При това се предвижда пътешествието до звездата да не е по-дълго от 50 години, което ще рече, че апаратът ще трябва да се движи средно с 12% от скоростта на светлината. Задвижването ще бъде базирано върху високоефективна термоядрена реакция на пелети от деутерий и хелий-3, които ще бъде взривявани подобно на мини водородни бомби, а получената от експлозиите плазма с огромната енергия ще се насочва в една посока посредством мощно магнитно поле. По този начин нужната скорост ще бъде постигната само за четири години.

Ето така би изглеждал космическият кораб от проекта „Дедал“, сравнен с най-голямата ракета Сатурн V. Изображение: http://www.daviddarling.info/

Самият кораб е двустепенен – първата степен ще работи две години, ускорявайки кораба до 7,1% от скоростта на светлината, след което ще бъде изхвърлена. След това втората степен ще работи още 1,8 години и когато се достигне нужната скорост, корабът ще продължи да се движи по инерция (не се предвиждат средства за забавяне на скоростта). Всичко това ще тежи 54 000 тона, от които 50 000 тона гориво и 500 kg изследователски товар. Всъщност проектът „Дедал” е интересен освен с концепцията за задвижване  и с разглеждането на някои наглед по-маловажни детайли, които често се пропускат, когато се говори за междузвездни мисии. Като например как ще се осигури комуникацията със Земята (авторите на изследването предлагат 40 метрова антена да бъде интегрирана в двигателната конструкция), как ще се гарантира работоспособността на кораба за 50 години (той ще бъде поддържан от специални ремонтни роботи), как ще се предпази от удари с микрометеорити (чрез 7 mm дебел диск от берилий с маса 50 тона, играещ ролята на щит), и какво ще се изследва, когато най-сетне бъде достигната звездата на Барнард (корабът ще има радио и оптически телескопи, а при достигане на звездата ще бъдат пуснати няколко сонди, които да изследват на място евентуалната планетна система). Повече за науката на зад проекта „Дедал” можете да прочетете тук –  http://daedalus-zvezdolet.narod.ru/doceng/07eng.doc

Любопитна подробност е, че необходимият за гориво изотоп хелий-3 е един от най-рeдките елементи на планетата Земя. Само един от 10 000 атома хелий на Земята е от този вид и голяма част от него се е получила при изпитания на ядрени оръжия и от чернобилската катастрофа (около 15 kg годишно се генерират по този начин). Но хелий-3 е интересен по друга причина – той има потенциала да реши енергийните проблеми на човечество. Изчислено е, че 25 тона от него биха могли в синтез с деутерий да отдадат енергия, покриваща енергийните нужди на САЩ за една година.

Това са четирите най-разпространени реакции на термоядрен синтез в звездите. В скоби виждате количеството енергия, което се отдава при реакцията – видно е, че синтезът на хелий-3 с деутерий е най-ефективната реакция.

И въпреки че на Земята няма много хелий-3, най-близкият ни космически съсед – Луната вероятно изобилства от него. Тъй като изотопът се пренася от слънчевите лъчи, учените предполагат, че в лунните скали за милиарди години са се отложили значителни количества хелий-3. Може би общо 1 100 000 тона само на няколко метра дълбочина. Сигурно скоро няма да дойде този момент, но ако термоядреният синтез някога бъде „опитомен“, то хелий-3 автоматично ще се превърне в един от най-ценните ресурси и ще предизвика нова борба за космическо надмощие между държавите. Дори сега Китай, САЩ и Русия заявяват интерес към разработването на мини на Луната и изследват спътника ни за вероятни находища.

Карта на залежите от хелий-3 на Луната (в частици на милиард за кв.м.), изготвена от китайския апарат Chang’e-1. Изображение: F. WenZhe, et al., Chinese Science Bulletin, December 2010, Vol. LV, No.35. Scarce on Earth

  • EmDrive (Радиочестотен резонаторен двигател)

EmDrive е една от най-спорните бъдещи технологии, която ако се реализира би революционизирала напълно въздушния и ракетен транспорт. В момента сред научните и инженерни среди се води оживен дебат, като повечето  просто отказват да възприемат сериозно идеята за EmDrive и твърдят, че това е типичен пример за псевдонаука,  докато от другата страна на барикадата мнозина сериозни лица са на мнението, че в концепцията има хляб.

Ето за какво става дума най-общо: двигателят EmDrive няма нужда от каквото и да е гориво, за да се движи. Основната негова част е магнетрон – онова нещо, което произвежда микровълновото излъчване в микровълновите печки и радарите. Получените от магнетрона микровълни се отвеждат по вълновод към метална кухина (обемен резонатор), чиято ширина е така подбрана, че да се получава резонанс за дадената честота на лъчението. Горната половина на резонатора е с по-голяма площ от долната и авторът на тази концепция – британецът Роджър Шойър – твърди, че половината с по-голяма площ ще изпитва по-голяма сила, отколкото половината с по-малка площ. Това се дължи на взаимното преплитане на вълнова физика с релативистични ефекти (ако имате специален интерес можете да се запознаете с формулите тук ). И това е всичко – една проста затворена система с напълно стандартни към днешна дата части, която има нужда единствено от електричество, за да се движи.

Прототип на EmDrive двигател. Диаметърът му е 160 mm, работи на 2 450 MHz и според създателите му дава 16 mN тяга при 850 W входна мощност. Снимка: http://emdrive.com/

Само че в нея поне на пръв поглед има нещо много нередно. За разлика от всички – стандартни и нестандартни – типове ракетно задвижване, които разгледахме досега, това тук не е реактивно движение. Както разбрахме по-рано, реактивното движение се основава на един от фундаменталните физически закони – законът за запазване на импулса. А в EmDrive този закон сякаш не е спазен. За мнозина физици това означава, че такъв двигател фактически не е по-различен от барон Мюнхаузен, който сам се издърпва за косата си от блатото.

Защитниците на идеята обаче твърдят, че законът е спазен и конструкцията трябва да се разглежда като отворена система с отчитане на ефектите на теорията на относителността. Изненадващо засега изглежда, като че ли тази спорна концепция действително работи – първите експериментални резултати от прототипи на такъв двигател, включително и от страна на NASA, показват, че се генерира тяга. През 2012 г. година китайски учени са заявили, че са получили 720 mN тяга, а наскоро в NASA са получили 30-50 μN  .

Но това все още не означава нищо – цитираните резултати са твърде малки и могат да се дължат на измервателни грешки. Точно в NASA в това отношение имат горчив опит – през 90-те в агенцията провеждат подобен експеримент, който доказва, че предполагаем антигравитационен двигател работи. По-късно се оказва, че мощното магнитно поле на този „двигател” всъщност е е засегнало измервателната апаратура.

Повече информация за EmDrive – http://emdrive.com/ и http://www.wired.co.uk/news/archive/2014-07/31/nasa-validates-impossible-space-drive

  • VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)

VASIMR e несъмнено най-популярният неортодоксален ракетен двигател. По него се работи от 1977 г. и проектът, който първоначално е звучал като взет от научно-фантастична книга, вече е в доста напреднала фаза. Идеята е чрез радиочестотни електромагнитни полета първо да се йонизира газ, а след това получената плазма да се ускори по магнитен път. Процесът започва, след като в двигателя се вкара газ – смес от водород и хелий или аргон – и този газ бъде подложен на мощно радиочестотно електромагнитно поле, което би йонизирало повечето атоми. Получава се „студена плазма” с температура до 5 800 К. След това тази плазма отива в резонаторна кухина със силно магнитно поле (йонен циклотронен нагревател), в който йоните се ускоряват, а това води до нагряването им до 10 млн. К – температура, сравнима с тази в центъра на Слънцето. След това горещата плазма преминава през магнитно сопло, което има функцията на обикновеното сопло – да трансформира налягането в скорост. Как става това най-добре може да видите като разгледате следните картинки:

Всъщност VASIMR по принципа си на работа прилича на обикновен химически ракетен двигател, с тази съществена разлика, че е несравнимо по-ефективен. Специфичният му импулс е 5 000 секунди, в сравнение с 450-те секунди на най-добрите съвременни химически двигатели. Освен това се елеминира нуждата от движещи се части или електроди, които се износват лесно.

От 80-те години до днес е направено много по практическата реализация на VASIMR  от организации като MIT и NASA, а през 2005 г. бе създадена специална компания за производство на такива двигатели – Ad Astra Rocket Company. Двигател на тази компания ще бъде монтиран през 2015 г. на Международната космическа станция и ако той работи според очакванията би заместил скъпо струващото поддържане на орбитата на станцията с химически ракетни двигатели, спестявайки стотици милиони долари годишно.

Но и пред VASIMR не липсват проблеми. Главният недостатък е, че за работата му е необходима много голяма електрическа мощност – последният модел на Ad Astra е 200 киловатов, което е съпоставимо с електрическата консумация на един жилищен блок. Дори МКС не генерира със своите големи слънчеви панели толкова мощност (двигателят, който ще бъде монтиран на станцията, ще се захранва от специална батерия).

Повече информация за VASIMR тук – http://www.adastrarocket.com/aarc/VASIMR

  • Антиматерия, антигравитация, изкривяване на времето и пространството

Всички описани дотук и в предишната част методи за ракетно задвижване се основават на повече или по-малко стандартна физика и технологии, така че не би било проблем да бъдат реализирани веднага, ако към тях има интерес (с изключение на тези, които разчитат на термоядрен синтез). Но те са далеч от представите на хората за ракета от бъдещето. Хората очакват нещо качествено ново, което да превърне филми като Стар Трек в реалност. И специално за тях има множество екстравагантни ракетни концепции, които са толкова различни една от друга, но всичките имат един общ белег. Те се основават на  физически взаимодействия, за които не знаем почти нищо и/или на такива физически взаимодействия, които са предсказани теоретично, но не и експериментално. Разбира се сред тях има и откровени фантасмагории, но е трудно да се каже кои точно са те, тъй като истинските специалисти по такива специфични въпроси не са никак много.

Ала дори тук е хубаво да имаме усет за реалистичност.  Антиматерията например е неоспорим физически факт. Всяка една частица има свои антиматериален двойник, който не се отличава по нищо друго, освен по това, че има противоположен заряд – т.е. налице са положителни електрони (позитрони), отрицателни протони и.н. Когато материална и антиматериална частица се срещнат, те анихиларат (изчезват), при което се отделя огромно количество енергия (Е = m*c^2). Ако имате един грам антиматерия и го смесите с един грам обикновена материя ще получите експлозия, равняваща се по мощност на две атомни бомби като тези над Хирошима. Така че антиматерията е идеалното ракетно гориво – само няколко десетки грама от нея са способни да откарат ракета до близките звезди в рамките на човешки живот. Проблемът е, че големи количества от нея не могат да се съхраняват дълго. Рекордът на учените от CERN е да запазят антиматериален водороден атом в продължение на 16 минути.

Съпоставка на основните начини за получаване на енергия. Антиматерията бие всяко друго „гориво”. Изображение: http://scienceblogs.com/

Макар и трудно, то поне теоретично е възможно някога да бъде създаден двигател с антиматерия. Което не може да се каже за двигателя с антигравитация . Защото антигравитация, за разлика от антиматерията, не съществува (засега). Антиматерията има нормална маса и се привлича гравитационно като нормалната материя. Антигравитацията би изисквала материята да има отрицателна маса. Само че отрицателната маса би нарушила отведнъж цял куп важни физични закони. И въпреки това някои физици се забавляват с идеята за антимаса, като разсъждават какви свойства би имала тя. Странни свойства. Две тела с отрицателна маса ще се отблъскват, както можем да се досетим и ние, ала ако упражните сила върху едно тяло с отрицателна маса, то ще започне да се ускорява в посока, противна на силата. Защото то би трябвало да има освен  отрицателна маса и отрицателна инертност, чрез която да се спасят законите за запазване на импулса и енергията. Тези свойства биха могли да бъдат впрегнати за задвижване на ракета (интересен пример е т.нар. diametric drive), но засега това са само спекулации.

Както и така наречените ” уорп двигатели” (warp drive). Уорп двигателя се използва от кораба „Ентърпрайс”, за да се движи със скорост по-голяма от скоростта на светлината във филмовата вселена на „Стар Трек”. За целта корабът се обгръща със специален времепространствен мехур, който изкривява околното времепространство. Тази фантастична концепция обаче едва докосва  реалната позната физика. Според нея само светлината може да се движи в пространството със скоростта на светлината и нищо не е по-бързо от нея. Нищо. Има десетки хипотези за червееви дупки, изкривяване на времето и пространството, квантови парадокси, но поне засега те не разклащат сериозно този фундаментален постулат. И все пак уорп двигателя  от „Стар Трек” e близо до  реална научна хипотеза, която си струва да споменем. През 1994 г. мексиканският физик Мигел Алкубиере предлага идея, на базата на решение на уравненията на Айнщайн от Общата теория на относителността, според която пътуване със свръхсветлинна скорост е възможно, ако енергийната плътност на полето е по-малка от тази на вакуума. В резултат на това пространството отпред ще се стеснява, а отзад ще се разширява, така че всъщност не корабът ще се движи със свръхсветлинна скорост, а пространството около него. Ала за да бъде създадена отрицателната енергийна плътност, е необходима материя с отрицателна маса, която, както казахме, не е известно да съществува.

Пример за изкривяване на време-пространството от уорп двигател. Изображение: pesn.com

И така нататък, темата за подобен род двигатели е безкрайна, ако искате да запознаете с други подобни странни, но научно издържани хипотези, вижте тук – http://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/warp/ideachev.html

Имат ли потенциал тези концепции?

View Results

Зареждане ... Зареждане ...

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

  • ЕМИЛ ЗАХАРИЕВ

    04.май.2016 #1 Author

    ИСКАМ ВРЪЗКА С ЕМИЛ ПЕТКОВ?

    Отговор

    • Еmil Petkov

      04.май.2016 #2 Author

      Здравейте, можете да се обръщате към мен на мейл – emill.g.petkov @ gmail.com.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *