Projekt VASIMR

W dziale tym chciałbym poruszyć ważną rzecz jaką są nowe generacje napędów do statków kosmicznych, a mianowicie napędy plazmowe. Czasy są takie, że ludzkość osiągnęła juz prawie wszystko jeżeli chodzi o eksplorację okolicy naszej planety. Technologia potrzebna do lotów na orbitę czy nawet księżyc jest ogólnie dostępna. Zbliża się czas załogowego podboju układu słonecznego i tu pojawiają się pewne problemy, a w zasadzie jeden główny. Jest nim brak odpowiedniego napędu dla statków załogowych pokonujących duże odległości. Przy użyciu powszechnie stosowanych napędów rakietowych chemicznych podróż na Marsa trwa pół roku w jedną stronę. Można czas ten skrócić do np.: 5 tygodni, ale pociąga to za sobą zwiększenie kosztów misji  o 5x. Mówiąc konkretniej, trzeba zabrać ze sobą gigantyczne ilości paliwa, tlen plus wodór, wtedy można polecieć na Marsa niemal po linii prostej startując w okresie gdy Mars jest najbliżej Ziemi. Koszt takiej misji wg dzisiejszych analiz to ok 100 miliardów dolarów. Przy locie półrocznym koszt spada do ok 20 miliardów dolarów. Bardzo ciekawą wizje kolonizacji Marsa zaprezentował Robert Zubrin w swojej książce “Czas Marsa” – bardzo polecam, warto przeczytać. Aby koszty lotów zmniejszyć oraz zmniejszyć czas lotów bo jednak długie przebywanie w zamkniętej przestrzeni statku nie jest przyjemne i niebezpieczeństwa otwartej przestrzeni kosmicznej też trzeba brać pod uwagę, wymyślano coraz to ciekawsze napędy kosmiczne, np.: silniki mające reaktory atomowe podgrzewające paliwo i wyrzucające je z dyszy, co prawda 2 -3 x wydajniejsze niż silnik chemiczny, ale niesamowicie szkodliwe dla zdrowia i otoczenia. Były też plany budowy statków za którymi robionoby małe eksplozje jądrowe, co prawda statki takie byłyby niesamowicie wydajne, np.: ich prędkości wynosiły by kilkaset tysięcy km/h, ale niestety byłyby bardziej promieniotwórcze niż wyżej wymieniony napęd jądrowy. Są też plany budowy żaglowców słonecznych popychanych wiatrem słonecznym lub skoncentrowaną wiązką światła słonecznego, niestety siły ciągów na takim żaglowcu są małe, a i sam żagiel ulega licznym uszkodzeniom za skutek zderzeń z pyłem kosmicznym i mikro asteroidami. Projekty te ustąpiły miejsca napędom elektrycznym, czyli silnikom jonowym oraz plazmowym. W zasadzie plazmowy, a jonowy to praktycznie to samo urządzenie, ale potocznie nie są te nazwy identyfikowane z tym samym urządzeniem. Wymyślono kilka typów silników plazmowych fuzyjnych, czyli za pomocą mikrofal i pola elektromagnetycznego podgrzewa się paliwo i doprowadza do stanu gorącej plazmy, po tym tak przygotowany czynnik roboczy wyrzuca się przez dysze i powstaje całkiem spora siła ciągu. Stosunkowo duże szanse na wprowadzenie do seryjnej produkcji ma projekt o nazwie VASIMR o którym niżej.

VASIMR czyli VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, po polsku, silnik plazmowy o zmiennym impulsie właściwym. Prace nad tym napędem rozpoczęto w 1979 r w Charles Stark Draper Laboratory pod kierownictwem astronauty dr Franklina Chang-Diaz’a na foto obok, można powiedzieć ze człowiek ten znacząco przyczynił się do usprawnienia lotów kosmicznych. Kontynuowane następnie w Massuchusetts Institute of Technology Plasma Fusion Center. Obecnie prace nad napędem trwają w założonym w grudniu 1993 Advanced Space Propulsion Laboratory czyli Ośrodek Kosmiczny im. Johnsona.
Osiągi badawczych silników Vasimr są nadzwyczaj dobre, wykres obok pokazuje zależność ciągu od prędkości wylotowej paliwa wodorowego i ilości zużywanego paliwa dla silnika zasilanego mocą 20MW, silnik ma sprawność 50-60%. Na niebiesko mamy podaną ilość wodoru w gramach na sekundę jaka wydostaje się z dyszy, na czerwono mamy ciąg silnika wyrażony w Newtonach, czyli mniej więcej 10N = 1kg, i na czarno prędkość wylotowa wodoru w km/s. Trzeba przyznać, że silnik jest bardzo wydajny, przy ciągu równym 10kg zużywa tylko niewiele ponad 1 gram wodoru na sekundę, dla porównania powiem, że litr płynnego wodoru waży 70 gram. Jedyny minus tego silnika to to, że jest niesamowicie prądożerny, zgodnie ze wzorem P=F*V gdzie P to moc pobierana przez silnik, F to ciąg a V to prędkość statku w kosmosie. Oczywiście wynik należy pomnożyć o współczynnik sprawności silnika.

Obok widać przekrój silnika jak to mniej więcej działa, proszę kliknąć w obrazek aby go powiększyć. Zasada działania silnika jest następująca: Wodór ze zbiorników jest pompowany rurą aż do 2 elektromagnesu (zbudowany z nadprzewodnika) przejmuje część ciepła od elektromagnesów nadprzewodzących i przechodzi w stan gazowy. Dalej paliwo trafia do wytwornicy plazmy i zostaje podgrzane za pomocą mikrofal (tak samo jak w kuchence mikrofalowej) do stanu plazmy niskotemperaturowej (czyli plazmy „zimnej” o temperaturze rzędu setek tysięcy Celsjuszów). Jony wodoru zaczynają wirować wokół linii sił pola magnetycznego (wytworzonego przez elektromagnesy) między 1 a 2 elektromagnesem i jednocześnie przemieszczać się wzdłuż nich.
Linie sił tych pól przebiegają równolegle wzdłuż całego silnika – tworząc kanał (przez całą drogę plazma nie ma żadnego kontaktu ze ścianami i urządzeniami komory silnika, ponieważ skończyłoby się to się ich stopieniem). Stamtąd „zimna” plazma wchodzi do komory grzewczej. Mikrofale z drugiej anteny przy 3 elektromagnesie podgrzewają ją do stanu plazmy wysokotemperaturowej ( czyli plazmy „gorącej” o temperaturach rzędu 10 mln stopni Celsjusza) i powiększają jej energię kinetyczną, a jednocześnie jej szybkość przepływu. Jony przelatując kanałem z linii sił pól magnetycznych dochodzą do przewężenia dyszy magnetycznej silnika. Tam przekraczają prędkość prędkości rzędu 300 km/s i opuszczają dyszę dostarczając siły ciągu poruszającej statek kosmiczny. Na foto obok widać silnik podczas testów. Ciąg i wydajność silnika można łatwo regulować za pomocą prędkości plazmy i ilości podawanego paliwa.
Na foto obok widać trochę bardziej szczegółowy schemat silnika. Proszę kliknąć obrazek aby powiększyć. Silnik podczas pracy wydziela sporo ciepła więc musi być ono sprawnie odprowadzane, w próżni kosmosu jest z tym problem bo nie ma atmosfery która może odebrać ciepło wiec radiatory muszą być duże, aby wypromieniowywać ciepło w postaci podczerwieni. Dodatkowo silnik chłodzi ciekły wodór lecący z zbiorników paliwa do silnika.
Myśli się dziś już o zastosowaniu tego silnika w locie człowieka na Marsa, wg wstępnych analiz przy zasilaniu statku reaktorem o mocy 200MW można by dolecieć do Marsa w 39 dni i dostarczyć tam 20 ton ładunku. Silnik jest udoskonalany ciągle i być może za kilkanaście lat gdy wyprawa dojdzie do skutku silnik ten będzie miał większą sprawność, np 90% a co za tym idzie ilość energii pochłanianej będzie znacznie mniejsza. Na dzień dzisiejszy budowa w kosmosie reaktora o mocy 200 MW jest bardzo trudno wykonalna, ponieważ takie urządzenie ważyło by ok 300 – 400 tom. Silnik Vasimr ma jeszcze jedna poważna zaletę jaką się silne pole elektromagnetyczne go otaczające, widać je na diagramie obok. Pole to ochroni astronautów przez promieniowaniem kosmicznym i rozbłyskami na słońcu. Taka ochrona ma bardzo duże znaczenie jeżeli chodzi o misje między planetarne. Ostatnio na dniach NASA oraz firma Ad Astra Rocket Co. podpisały porozumienie, w ramach którego ma być rozwijany zaawansowany rakietowy napęd plazmowy, nad którym badania trwają od 25 lat. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) mógłby przyspieszyć podróż na Marsa ponad dwukrotnie.
W umowie chodzi o umożliwienie transferu technologii do sektora prywatnego, co ma zapewnić dalszy jej rozwój. Szefem projektu z ramienia Ad Astra został fizyk i były astronauta NASA, siedmiokrotny uczestnik lotów kosmicznych, Franklin Chang-Diaz, od 1979 do 2005 roku pracujący nad projektem VASIMR.
System napędowy VASIMR ma produkować plazmę o temperaturze zbliżonej do panującej wewnątrz Słońca. Ciąg napędzanej za jego pomocą rakiety będzie setki razy silniejszy niż ciąg rakiety napędzanej konwencjonalnym chemicznym paliwem. Lepsza efektywność pomoże kilka razy zredukować zużycie paliwa. Obecnie istniejące dysze rakietowe pod wpływem wygenerowanych ekstremalnych temperatur uległyby stopieniu, VASIMR chce wykorzystać pole magnetyczne do kontrolowania uchodzenia strumienia plazmy, umożliwiając dodatkowo precyzyjne nim sterowanie.
Nowy napęd znalazłby zastosowania do podnoszenia platform orbitalnych (takich jak ISS), wynoszenia i zmiany pozycji satelitów, a także wynoszenia ładunków na Księżyc oraz w przyszłych misjach robotowych i załogowych.
Nowa technologia może również znaleźć zastosowanie poza przemysłem kosmicznym, w mikroelektronice i przemyśle ekologicznym. Rozpatruje się użycie gorącej plazmy do przetwarzania radioaktywnych odpadków nuklearnych oraz toksycznych odpadków chemicznych i biologicznych. Nadprzewodzące magnesy zaprojektowane do potrzeb napędu mogą znaleźć zastosowanie w ochronie przed promieniowaniem kosmicznym, transporcie, medycynie czy energetyce.
“Poprzez transfer nowoczesnych technologii do sektora prywatnego przyspieszymy jej rozwój, ku zadowoleniu wszystkich” – mówi Helen Lane z Johnson Space Center. – “Przyszłość eksploracji kosmosu i rozwoju nowych technologii jest zależna od współpracy między przemysłem a NASA”. Przez najbliższe kilka lat, NASA będzie współpracować z As Astra, co ma zapewnić płynny transfer.

Przedruk testu o porozumieniu z NASA skopiowany za zgodą autorów z serwisu Astro NEWS. http://news.astronet.pl/news.cgi?5237

Komentarze wyłączone.