Ці ракетні технології майбутнього зможуть доставити людей на Марс

6 лютого SpaceX створила історію, запустивши ракети Falcon Heavy з мису Канаверал у Флориді. Сьогодні це сама велика і потужна ракета в світі. Ілон Маск, знаменитий на весь світ CEO космічної компанії, планує побудувати ракету ще більше, яка в кінцевому підсумку . Можливо. Falcon Heavy — 70-метрове диво інженерії — здатне переправляти вантажі до 64 тонн на низьку навколоземну орбіту. Тільки легендарна «Сатурн-5», ракета, яка відправила Ніла Армстронга на Місяць у 60-х і 70-х, була більше і товщі. Але ті часи давно пройшли. Втім, обидві ракети покладаються на рідке паливо.

Подорож на Марс в один кінець з використанням звичайних хімічних ракет може зайняти до дев'яти місяців. Людському екіпажу доведеться провести тривалий час під впливом радіації та інших небезпек. Це одна з причин, по яких NASA і інші космічні агентства, а також університети і приватна галузь намагаються розробляти різні інші види ракетних технологій.

Тяга плазмового двигуна

Провідною альтернативою для поїздки на Марс вважається електрична тяга. У 2015 році NASA відзначило три стартапу для розробки систем сонячної електротяги (SEP), кожен з яких отримав трирічний грант у рамках програми агентства Next Space Exploration Technologies for Partnerships.

NextSTEP — це всього лише один гвинтик у самому довгостроковому плані NASA щодо створення орбітальної станції біля Місяця, яка буде служити перевалочним пунктом для поїздок на Червону планету. Зараз це практично наукова фантастика в кращих традиціях Артура Кларка, але системи SEP вже цілком реальні, нехай і не такі масштабні.

Три компанії, які отримали контракти, — Ad Astra Rocket Company, Aerojet Rocketdyne і MSNW — розробляють різні іонні або плазмові двигуни.

Замість того щоб викидати гази в процесі згорання, які виробляють тягу в хімічні ракети, іонні двигуни застосовують силу для переміщення об'єкта шляхом іонізації інертного газу, такого як ксенон або водень, електричним зарядом. Він вибиває електрони з атомів, утворюючи позитивно заряджені іони. У результаті виходить газ, що складається з позитивних і негативних іонів електронів — іншими словами, плазма. Електричні та магнітні поля в подальшому допомагають направити плазму в потрібне русло для забезпечення тяги.

Плазма — це окреме четвертий стан речовини, поряд з твердим, рідким і газоподібним. Найяскравіший приклад плазми — центр нашої Сонячної системи, тобто сонце. Однак у природі, так і на Землі, плазма досить поширена: це і блискавки, і всім відома «плазма» телевізорів.

Фізика іонів

Іонні двигуни також довгий час використовуються на супутниках і навіть в глибокому космосі. У 2015 році, наприклад, іонні двигуни вивели зонд NASA Dawn на орбіту карликової планети Церери, яка знаходиться в поясі астероїдів між орбітами Марса і Юпітера.

У іонних двигунів є один мінус, якого немає у ракети Falcon Heavy: вони здатні миттєво прискорюватися, щоб залишити гравітацію Землі. Зате вони набагато ефективніші у безповітряному просторі. Космічний апарат з іонними двигунами може набирати швидкість постійно, досягаючи таким чином розгону, недоступного для традиційних хімічних двигунів. Наприклад, космічні шатли могли набирати швидкість в 30 000 км/год. А космічний апарат, спонукуваний силою іонів, може теоретично розрізати космос на швидкості понад 340 000 км/ч.

Колишній астронавт Франклін Чанг Діаз, який керує Ad Astra, заявив, що теоретично міг би вистрілити пристроєм на Марс так, що воно прибуде на планету через 40 днів. Ідея ракети VASIMR, що розробляється Ad Astra, прийшла до нього ще в 1980-х роках.

Не так давно компанія продемонструвала, що двигун VASIMR може виробляти 100 кіловат потужності протягом 100 безперервних годин. Наступним кроком буде активація двигуна для виробництва плазмової кулі, гарячого як сонце, і підтримка його протягом 100 годин поспіль. Aerojet Rocketdyne також повідомила про готовність до наступного етапу 100-годинних випробувань двигуна Холу, іншого типу двигуна на основі плазми. Найкраще, на що здатні сучасні іонні двигуни, 5 кВт.

Між тим MSNW досліджує різні прототипи термоядерних ракет, які зможуть викидати плазму, вироблену синтезом суміші ізотопів водню і гелію, що прогріваються низькочастотними радіохвилями. Цей процес перетворює частину маси атомів енергію. Багато енергії.

З тонкого повітря

Щоб не відставати, Європейське космічне агентство розробляє свій іонний двигун, який може буквально харчуватися повітрям. Повітряна силова установка всмоктує молекули на межі атмосфери планети, значною мірою усуваючи необхідність перенесення газового палива, такого як ксенон.

Хоча така технологія може і не знадобитися космічному апарату далекого прямування, вона ідеально живитиме супутники на низькій навколоземній орбіті або навіть на інших планетах начебто Марса, де можна засмоктувати гази і перетворювати їх в паливо.

Інсталяція була випробувана у вакуумній камері в Італії, де моделювали середу на висоті понад 500 кілометрів.

Всупереч законам природи

Електрична силова установка, яка забирає повітря і перетворює його в паливо, може здатися зайвою перед особою іншого космічного двигуна, який досі залишається теоретичним: електромагнітна рухова установка, яка не використовує ніякого палива взагалі. Такий двигун EmDrive, запропонований вченими NASA. Він створює тягу впроцесі відскоку мікрохвиль в закритій камері. В теорії такий двигун зможе доставити ракету на Марс за два місяці. Якби не той прикрий факт, що він порушує закони природи. Зокрема, EmDrive порушує третій закон класичної механіки Ісаака Ньютона, який говорить, що на кожну дію є рівна протидія.

Питання того, чи зможе EmDrive стати квитком людей на Марс, до цих пір не знайшов однозначної відповіді.

Не від світу сього

Інша незвичайна ідея, застосовна до космічних двигунів, надійшла від колорадського стартапу Escape Dynamics. Він запропонував використовувати технологію мікрохвильовій тяги.

В основі проекту лежить зовнішній вплив на електромагнітний двигун космічного апарату у вигляді мікрохвиль. Мікрохвильовий пучок буде сприяти нагріву бортового водневого палива, яке потім буде викидатися і виробляти тягу. Ранній прототип виявився вельми багатообіцяючим, але компанія була змушена припинити випробування в 2015 році, коли не зібрала достатньо коштів на продовження розробки.

Ракети — це вам не це

У наступному році виповнюється 50 років з дня історичної висадки на Місяць, коли один чоловік скоїв гігантський стрибок для людства. Щоб зробити наступний крок по сонячній системі, потрібно гігантський технологічний стрибок у ракетної науці. Сьогодні може здатися неймовірним, що людина потрапить на Марс, але це, без сумнівів, здійсниться.

Як писав Артур Кларк, «єдиний спосіб визначити межі можливого — вийти за них неможливе».