Cum putem călători spre stele?
În prezent NASA cercetează diverse sisteme de propulsie spaţială, de la velele solare până la motoarele bazate pe fisiunea nucleară, fiecare dintre acestea având propriile avantaje şi dezavantaje.
Pe măsură ce tehnologia de propulsie spaţială avansează, omenirea va putea să călătorească tot mai departe în spațiul cosmic, ceea ce ne va ajuta să înţelegem mai bine Universul în care trăim.
Variante de propulsie spaţială
Pentru a călători în spaţiul cosmic avem nevoie de cele mai avansate tehnologii și de cele mai strălucite inovații din domeniul aerospaţial. În pofida aşteptărilor noastre, dezvoltarea rachetelor spaţiale pare să fi stagnat în privinţa tipului de propulsie.
Chiar dacă performanţele motoarelor rachetă au fost îmbunătăţite în permanenţă, propulsia rachetelor spaţiale se bazează în continuare pe arderea combustibililor.
Cu toate acestea, în prezent NASA studiază mai multe variante de propulsie, convenţionale şi neconvenţionale, care anticipează viitoarele misiuni spaţiale, aşa cum se poate vedea în imaginea de mai jos.
Credit: NASA
Iată în continuare o trecere în revistă a sistemelor de propulsie spaţială utilizate până în prezent, dar şi o prezentare a unora de perspectivă.
Propulsia chimică
Propulsia chimică presupune arderea unor combustibili în stare solidă, lichidă sau gazoasă. Deşi dezvoltarea acestor combustibili a început cu mai bine de 90 de ani în urmă, ei sunt în continuare utilizaţi şi vor mai fi şi în viitorul apropiat.
Din păcate, propulsia chimică clasică nu mai poate fi îmbunătăţită în mod semnificativ, astfel încât trebuie să dezvoltăm sisteme avansate de propulsie chimică, care utilizează combustibili cu o densitate mare de energie și cicluri avansate ale motorului. Avem nevoie de sisteme moderne de propulsie chimică dacă dorim să utilizăm acest tip de propulsie pentru misiuni spaţiale de lungă durată, care necesită un raport tracţiune-greutate mai mare.
Propulsia electrotermică
Propulsia electrotermică utilizează plasmă supraîncălzită cu ajutorul energiei electrice care este ejectată printr-o duză supersonică. Motoarele reactoare care folosesc acest sistem de propulsie sunt ideale pentru misiuni spaţiale pe distanţe mai mari, deoarece acestea nu necesită stocarea unor substanțe chimice volatile şi ele sunt, de asemenea, destul de simplu de construit.
Motoarele electrotermice au fost folosite încă din anii 1970 de sateliții ruşi, tehnologia acestor motoare fiind îmbunătăţită încontinuu. Cu toate acestea, motoarele cu plasmă generează o forţă mică de propulsie, astfel încât propulsia electrotermică nu are atât de multe utilizări potențiale precum unele dintre celelalte tipuri de propulsie.
Propulsia ionică
Motorul ionic funcționează prin ionizarea unor combustibili nereactivi (cum ar fi xenon) şi accelerarea ionilor cu ajutorul unor câmpuri electrice. Ulterior, ionii sunt eliminaţi în afara camerei motorului sub forma unui fascicul.
Forţa de propulsie generată de un motor ionic creşte foarte lent, dar pe termen lung aceste motoare pot furniza o tracţiune de 10 ori mai mare decât în cazul unui motor chimic.
Propulsia ionică a fost deja utilizată pe un număr mare de nave spațiale, inclusiv pe zeci de sateliți ai Pământului, dar şi pe sondele spaţiale care au ajuns până la planeta pitică Ceres, așa încât se ştie că această tehnologie funcţionează.
Din păcate, motoarele ionice necesită multă energie electrică, care este furnizată de obicei de către celulele solare sau de un minireactor nuclear.
NASA lucrează în prezent la mai multe sisteme noi de propulsie ionică, inclusiv NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) și Annular Engine, astfel încât este de aşteptat ca în viitor acest tip de propulsie să fie folosit mai frecvent pentru explorarea spaţiului cosmic.
Evolutionary Xenon Thruster. Credit: NASA
Vela solară
Presiunea radiaţiei solare a fost descoperită pentru prima dată în anul 1873. Propulsia navelor spaţiale echipate cu vele solare este dată de forţa pe care fotonii o exercită asupra velelor solare. Această soluţie inovatoare de propulsie elimină necesitatea utilizării unor combustibili grei sau a unor motoare voluminoase şi ea s-a dovedit deja eficace în cazul proiectelor spaţiale LightSail și Ikaros.
Vela solară. Credit: Josh Spradling / The Planetary Society
Cu toate acestea, o navă spaţială necesită o velă solară de mari dimensiuni a cărei realizare nu este uşoară. Mai mult, eficienţa unui astfel de sistem de propulsie se diminuează semnificativ odată cu îndepărtarea de Soare.
În prezent cercetătorii încearcă să dezvolte un sistem de propulsie laser cu ajutorul căruia navele spațiale, având vele uriaşe, ar putea ajunge pe Planeta Roșie în mai puțin de trei zile. Acest sistem de „propulsie fotonică” se bazează pe impulsul fotonilor (particulele de lumină) şi utilizează lasere gigant amplasate pe Pământ.
Propulsia cu plasmă
Motorul cu plasmă este asemănător motorului ionic, propulsia în cazul acestui motor fiind generată prin accelerarea ionilor din plasmă cu ajutorul unor câmpuri electrice. Chiar dacă conceptul unui astfel de motor a fost propus cu mai bine de o jumătate de secol în urmă, nimeni nu a reuşit să lanseze o navă spaţială având acest tip de propulsie în afara atmosferei Pământului.
Cu toate acestea, compania Ad Astra Rocket din Texas, SUA, lucrează în prezent la VASIMR, cel mai mare prototip al unui motor cu plasmă. Inginerii companiei estimează că o navă spaţială propulsată de un astfel de motor ar putea ajunge la planeta Marte în doar 39 de zile.
Fisiunea nucleară
Propulsia în cazul unui motor bazat pe fisiunea nucleară rezultă prin ejectarea unui combustibil convenţional, cum ar fi hidrogenul lichid, care este încălzit de către un reactor nuclear de fisiune.
În cadrul proiectului NERVA s-a construit un motor care a utilizat acest sistem de propulsie, dar proiectul a fost abandonat înainte ca o rachetă echipată cu un astfel de motor să fie lansată în spaţiu. Cu toate acestea, sisteme de propulsie similare au fost testate la sol.
Motorul NERVA. Credit: Wikipedia
Cu ajutorul acestui tip de propulsie s-ar putea efectua călătorii până la planeta Marte sau către alte destinații care ar dura mult mai puţin decât în cazul utilizării unor nave spaţiale ce utilizează propulsia chimică.
Trebuie să reuşim mai întâi să construim un reactor nuclear care să asigure temperaturile necesare în condiţii de uzură minimă și care să respecte toate standardele de protecţie a mediului atunci când este testat la sol.
Fuziunea nucleară
Cercetările privind realizarea unui motor bazat pe fuziunea nucleară sunt în plină desfăşurare, mai ales deoarece acest tip de propulsie ar putea înjumătăţi durata unei călătorii până la planeta Marte.
În prezent se cercetează mai multe metode de propulsie bazate pe fuziunea nucleară. Un motor cu fuziune continuă ar utiliza reacţia de fuziune nucleară pentru a genera energia necesară propulsiei navei spaţiale. Deşi mult mai eficient decât sistemele actuale de propulsie, acest tip de motor prezintă dezavantajul unui control dificil al plasmei.
Mai plauzibil ar fi să se utilizeze fuziunea limitată inerţial, cu condiția ca interdicțiile privind testele nucleare să fie ridicate. Fuziunea limitată inerţial presupune utilizarea unor lasere care încălzesc un combustibil (izotopi ai hidrogenului) şi declanşează reacţiile de fuziune. În acest fel se pot controla mult mai uşor reacţiile de fuziune care se produc în motor şi care generează propulsia.
Nanonave spaţiale
Există şi oameni de ştiinţă care, în loc să se concentreze pe găsirea unor modalități mai eficiente de propulsie a navelor spaţiale actuale, caută noi soluţii constructive pentru navele spaţiale astfel încât acestea să fie mai uşor de lansat în spaţiul cosmic.
Nanonavele spaţiale sunt mult mai mici decât sondele spaţiale și sateliții actuali, ceea ce înseamnă că lansarea lor necesită o forţă de propulsie mult mai mică decât în cazul omologilor lor mai mari. Proiectele de cercetare CubeSats, FemtoSats și chiar Breakthrough Starshot se bazează pe utilizarea unor nave spaţiale de mici dimensiuni.
Unele dintre aceste nave spaţiale sunt atât de mici, încât motoarele lor ar avea loc pe un singur cip de siliciu. Chiar dacă acestea nu pot transporta astronauţi, ele ne pot ajuta să obţinem informaţii valoroase despre alte planete sau corpuri cerești îndepărtate la care acestea pot ajunge mult mai uşor şi mai repede.
Antimateria
Cel mai eficient sistem de propulsie este reprezentat de motorul cu antimaterie care ar putea converti până la 75% din masa combustibilului în energie. Forţa de propulsie în cazul acestui motor rezultă în urma energiei eliberate prin anihilarea dintre materie şi antimaterie.
Problema este că momentan nu putem produce o cantitate suficient de mare de antimaterie. Dacă în viitor vom reuşi să găsim o modalitate prin care să generăm antimaterie în cantităţi mai mari, atunci o navă spaţială echipată cu un astfel de motor ar putea ajunge la planeta Marte în doar 45 de zile utilizând o cantitate de doar 10 miimi de gram de antimaterie.
Sursă: Futurism