Νέες τεχνολογίες για την εξερεύνηση του Διαστήματος

Από σελίδα της NASA, 9 Σεπτεμβρίου 2002

Οι πύραυλοι που χρησιμοποιούν χημικά καύσιμα δυστυχώς ταξιδεύουν πολύ αργά ώστε να μπορέσουμε να εξερευνήσουμε γρήγορα το διάστημα. Ακόμη και για τον Άρη θέλουμε έξι μήνες για να πάμε και άλλους έξι μήνες για να γυρίσουμε. Και ο χρόνος αυτός ισχύει μόνο για 60 εκατομμύρια χιλιόμετρα που απέχει ο κόκκινος πλανήτης. Φαντάζεται κανείς τι χρόνο θέλουμε για την Ευρώπη, το φεγγάρι του Δία, που νομίζουμε ότι έχει συνθήκες κατάλληλες για την ανάπτυξη ζωής ή για άλλα αστρικά συστήματα.

Η NASA λοιπόν αρχίζει να αναπτύσσει διάφορες νέες ασφαλείς και γρήγορες τεχνολογίες για να προωθήσει τις εξερευνήσεις πέρα του ηλιακού μας συστήματος.

Αναπτύσσει ιοντικούς προωθητές, ηλιακά πανιά, και άλλες εξωτικές τεχνολογίες προώθησης, που για δεκαετίες έχουν στείλει τους ανθρώπους σε άλλους πλανήτες και άστρα... αλλά μόνο στις σελίδες της επιστημονικής φαντασίας.

Πρώτα-πρώτα η NASA δουλεύει σκληρά πάνω σε δύο βασικές κατευθύνσεις. Στην πρώτη προσπαθεί να κάνει μεγάλες οικονομίες στα καύσιμα των πυραύλων από όσο σήμερα ισχύει με τα χημικά καύσιμα. Στην δεύτερη προσπαθεί να αναπτύξει συστήματα χωρίς καύσιμα και τα οποία θα παίρνουν αρκετή ενέργεια από το κενό μέσα στο βαθύ διάστημα.

Όλες αυτές οι τεχνολογίες έχουν ένα κοινό: Ξεκινούν αργά, αλλά σιγά-σιγά αποκτούν μεγάλη ταχύτητα, για να πάνε στον Άρη ή οπουδήποτε αλλού. Στην πράξη βασίζονται σε συνεχείς μικρές επιταχύνσεις, κατά τη διάρκεια μιας πτήσης αρκετών μηνών, που μπορεί τελικά να οδηγήσει ένα διαστημόπλοιο πιο γρήγορα από ό,τι μια τεράστια αρχική ώθηση ακολουθούμενη από μια μεγάλη περίοδο αργού ταξιδιού.

Πάνω: Αυτό το διαστημικό όχημα χαμηλής ώθησης προωθείται από μια μηχανή ιόντων και παίρνει ενέργεια από τον ηλιακό ηλεκτρισμό.

Για να μιλήσουμε τεχνικά, αυτά όλα τα συστήματα έχουν χαμηλή ώθηση (που μόλις αντιλαμβάνεται κάποιος την επιτάχυνση), αλλά μακρύ χρόνο λειτουργίας. Μετά από μήνες συνεχών μικρών επιταχύνσεων, θα έχει αποκτήσει ταχύτητα αρκετά km/sec! Σε αντίθεση, τα συστήματα χημικών καυσίμων καίνε καύσιμα με γρήγορο ρυθμό αλλά λειτουργούν σε μικρό χρονικό διάστημα. Μπορεί να έχουν στην αρχή μεγάλη επιτάχυνση αλλά σε σύντομο χρόνο. Μετά η δεξαμενή των καυσίμων αδειάζει.

Πύραυλοι αποδοτικών καυσίμων

Κύριοι υποψήφιοι για προηγμένα συστήματα πυραύλων είναι διάφοροι τύποι μηχανών ιόντων. Επί του παρόντος οι μηχανές ιόντων, χρησιμοποιούν σαν προωθητικό ένα άχρωμο, άγευστο, άοσμο, αδρανή αέριο, όπως είναι το Ξένον. Το αέριο αυτό γεμίζει ένα θάλαμο με ένα δακτυλιοειδή μαγνήτη δια μέσου του οποίου τρέχει μια δέσμη ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια κτυπούν τα αεριώδη άτομα, απομακρύνοντας έτσι ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο από την τροχιά του, μετατρέποντας τα ουδέτερα άτομα σε θετικά ιόντα. Ηλεκτρικά πλέγματα με πολλές οπές (15.000 σε σημερινά μοντέλα) εστιάζουν τα ιόντα προς την εξάτμιση του διαστημοπλοίου. Τα ιόντα διασχίζουν τα πλέγματα με ταχύτητες μεγαλύτερες από 100.000 μίλια ανά ώρα --επιταχύνοντας τη μηχανή στο διάστημα κι έτσι παράγεται ώθηση.

Δεξιά: Το εσωτερικό μιας μηχανής ιόντων. Φωτογραφία του JPL Space Place.

Ο ηλεκτρισμός τώρα για να ιονιστεί το αέριο έρχεται είτε από τους ηλιακούς συλλέκτες (ή ηλιακούς ηλεκτρικούς προωθητές) ή από σύντηξη ή από διάσπαση (η πυρηνικούς ηλεκτρικούς προωθητές). Τα πρώτα συστήματα (ηλιακά) είναι πιο κατάλληλα για ρομποτικές αποστολές στο εσωτερικό ηλιακό σύστημα (μεταξύ Ηλίου και Άρη), και οι πυρηνικοί προωθητές για ρομποτικές αποστολές εκτός του Άρη, όπου η ηλιακή ενέργεια είναι μικρή ή για ανθρώπινες αποστολές όπου η ταχύτητα είναι ουσιώδης.

Οι μηχανές ιόντων σήμερα δουλεύουν. Έχουν δοκιμαστεί όχι μόνο πάνω στη Γη αλλά και σε διαστημόπλοια όπως το υπάρχον σήμερα Deep Space 1, που πέταξε και έλαβε φωτογραφίες από τον Κομήτη Borrelly το Σεπτέμβριο του 2001. Οι προωθητές με ιόντα όπως αυτό του Deep Space 1 είναι 10 φορές περίπου πιο αποδοτικός όσο οι χημικοί πύραυλοι.

Συστήματα δίχως προωθητές

Πάντως, τα συστήματα προώθησης με την μικρότερη μάζα, μπορεί να είναι εκείνα που δεν θα μεταφέρουν πάνω στο διαστημόπλοιο καμιά μάζα προωθητικού υλικού. Στην πράξη, δεν υπάρχουν ακόμη τέτοιοι πύραυλοι. Αντίθετα, βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο.

Πρόκειται για δύο υποψήφια συστήματα που θα χρησιμοποιούν ενέργεια άφθονη στο Διάστημα, τα ηλιακά ιστία και τα ιστία πλάσματος. Αν και το φαινόμενο είναι παρόμοιο, οι μηχανισμοί λειτουργίας είναι πολύ διαφορετικοί.

'Ένα ηλιακό ιστίο θα περιέχει μια τεράστια έκταση με ένα υλικό με υψηλή ανάκλαση που θα μοιάζει σαν δίκτυο αράχνης. Αυτό το δίκτυο που θα είναι ξεδιπλωμένο στο αχανές διάστημα προκειμένου να συλλάβει φως από τον ήλιο (ή από μια μικροκυματική δέσμη ή από μια δέσμη laser που θα έρχεται από τη Γη). Για πολύ φιλόδοξες αποστολές, τα ιστία θα μπορούν να αναπτυχθούν σε έκταση πολλών τετραγωνικών χιλιομέτρων.

Τα ηλιακά ιστία πλεονεκτούν από το γεγονός ότι ηλιακά φωτόνια, αν και δεν έχουν μάζα, έχουν ορμή --αρκετά μικρο-newtons (πρόκειται για το βάρος ενός μικρού νομίσματος) ανά τετραγωνικό μέτρο στην γειτονιά της Γης. Αυτή η πίεση της ακτινοβολίας θα επιταχύνει αργά μα σταθερά το ιστίο και το φορτίο του έως και 150.000 μίλια την ώρα, ή περισσότερο από 40 μίλια το δευτερόλεπτο.

Μια συνηθισμένη παρανόηση είναι πως αυτά τα ηλιακά ιστία θα συλλαμβάνουν τον ηλιακό άνεμο, ένα ρεύμα ενεργητικών ηλεκτρονίων και πρωτονίων που ξεφεύγουν από το εξωτερικό στρώμα του Ηλίου. Δεν είναι όμως έτσι. Τα ηλιακά ιστία αποκτούν την ορμή τους από τα φωτόνια του Ήλιου. Είναι φυσικά δυνατόν να αποκτήσουν ορμή και από τα σωματίδια του λεγόμενου "ηλιακού πλάσματος".

Τα ιστία πλάσματος έχουν σαν πρότυπο το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες πάνω στο διαστημόπλοιο θα περιβάλλουν το διαστημόπλοιο με μια αόρατη μαγνητική φυσαλίδα με μήκος 15 ή 20 χιλιομέτρων.  Τώρα υψηλής ταχύτητας φορτισμένα σωματίδια, που βρίσκονται στον ηλιακό άνεμο, κτυπούν στην αόρατη αυτή μαγνητική φυσαλίδα, όπως γίνεται με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Η Γη όμως δεν μετακινείται λόγω αυτής της ώθησης με αυτόν τον τρόπο --γιατί ο πλανήτης μας έχει μεγάλη μάζα. Αλλά ένα διαστημόπλοιο, λόγω της μικρής μάζας του, θα σπρωχθεί βαθμιαία σε αντίθετη κατεύθυνση από τον ήλιο. (Μην ξεχνάμε πως το μαγνητικό πεδίο της Γης ενεργεί σαν ασπίδα του πλανήτη μας από τις ηλιακές εκρήξεις και τις θύελλες ακτινοβολίας, έτσι με αυτό τον τρόπο θα προστατέψει ένα μαγνητικό ιστίο πλάσματος το πλήρωμα του διαστημικού οχήματος.)

Πάνω: Ένα σκίτσο που δείχνει ένα διαστημικό όχημα μέσα σε μια μαγνητική φυσαλίδα (η "ιστίο πλάσματος"). Φορτισμένα σωματίδια εντός του ηλιακού ανέμου κτυπούν την φυσαλίδα, εξασκώντας πίεση, και δίνοντας ώθηση στο διαστημόπλοιο.

Φυσικά, η πρωτότυπη, αποδεδειγμένα καλύτερη τεχνολογία είναι η βαρυτική βοήθεια. Όταν ένα διαστημόπλοιο αιωρείται κοντά σε ένα πλανήτη, μπορεί να κερδίσει ταχύτητα σε βάρος της τροχιακής ορμής του πλανήτη. Αυτό το φαινόμενο δύσκολα γίνεται αντιληπτό στην ταχύτητα ενός πλανήτη, αλλά μπορεί να ενισχύσει εντυπωσιακά τη ταχύτητα ενός διαστημοπλοίου. Για παράδειγμα, όταν το διαστημόπλοιο Galileo αιωρείτο κοντά στη Γη το 1990, η ταχύτητα του διαστημικού οχήματος αυξήθηκε σε 11.620 μίλια την ώρα. Ενώ η ταχύτητα της Γης στην τροχιά της έπεσε κατά ένα ποσό λιγότερο από 5 δισεκατομμυριοστά της μιας ίντσας ανά χρόνο. Τέτοια βαρυτική βοήθεια βοηθάει συμπληρωματικά οποιοδήποτε τύπο προωστικού συστήματος.

Αλλά με ποιο τρόπο θα μπορούσανε να επιβραδυνθούν τα διαστημόπλοια μετά από ένα διαπλανητικό ταξίδι, ώστε να προετοιμαστούν για προσγείωση στους πλανήτες-αποστολής. Με χημικά προωθητικά στους πυραύλους, η συνηθισμένη τεχνική είναι να πυροδοτούνται ανάστροφοι πύραυλοι, άρα απαιτούν περισσότερα καύσιμα.

Δεξιά: Μια καλλιτεχνική άποψη ενός διαστημοπλοίου που επιβραδύνεται μέσω της αεροπέδησης.

Μια πολύ περισσότερη οικονομική επιλογή είναι η αεροπέδηση -- αυτή που 'φρενάρει' (επιβραδύνει) το διαστημόπλοιο μέσω της τριβής μέσα στην δική μας ατμόσφαιρα μόλις επιστρέψει στη Γη. Το τέχνασμα, φυσικά, είναι να μην αφήσεις ένα διαπλανητικό διαστημόπλοιο που επιστρέφει στη Γη να καεί. Αλλά οι επιστήμονες της NASA αισθάνονται πως, μια κατάλληλη σχεδιασμένη ασπίδα θερμότητας, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πολλές αποστολές και σε άλλους πλανήτες.

Καμιά όμως τεχνολογία προώθησης δεν κάνει για οποιαδήποτε αποστολή. Πράγματι, τα ηλιακά ιστία και τα ιστία πλάσματος θα είναι κατάλληλα κυρίως για μεταφορά φορτίων από ό,τι ανθρώπων από τη Γη στον Άρη, λόγω της μεγάλης χρονικής διάρκειας που απαιτείται για να αναπτύξουν ταχύτητες.

Παρ' όλα αυτά ένα υβρίδιο αρκετών τεχνολογιών θα μπορούσε να δοκιμαστεί για να γίνει πολύ οικονομική μια επανδρωμένη αποστολή στον Άρη. Στην πράξη, ένας συνδυασμός χημικών προωστικών, ιοντικών προωστικών και αεροπέδησης θα μπορούσε να μειώσει τη μάζα εκτόξευσης στην εκτόξευση 6-προσώπων για την αποστολή στον Άρη έως και κάτω από 450 μετρικούς τόνους.

Κάτω: Μια αποστολή στον Άρη με υβριδική τεχνολογία ξεκινάει με χημικά προωστικά μέσα έως να βρεθεί σε τροχιά χαμηλά στη γη.

Τέτοια υβριδική αποστολή μπορεί να δουλέψει ως εξής: Θα χρησιμοποιούνται πύραυλοι με συνηθισμένα χημικά καύσιμα για να ξεφύγουν από το έδαφος. Όταν βρεθούν σε τροχιά κοντά στη Γη, θα αναφλέγονται τμήματα με ιόντα, ή ελεγκτές από το έδαφος μπορεί να αναπτύξουν ένα ηλιακό ή ένα ιστίο πλάσματος. Επί 6 έως 12 μήνες, το διαστημόπλοιο -- προσωρινά θα είναι μη επανδρωμένο για να αποφευχθεί το πλήρωμα να λάβει μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας μέσα στις ραδιενεργές ζώνες της Γης Van Allen --θα γυρίζει σπειροειδώς βαθμιαία επιταχυνόμενο,  έως ότου βρεθεί στην τελική σε μεγάλο ύψος τροχιά του, αυτό της αναχώρησης, γύρω από τη Γη. Το πλήρωμα τότε, που θα μεταφερθεί στον Άρη, θα συναντήσει το διαστημόπλοιο με ένα αεροταξί υψηλής ταχύτητας που θα έλθει από τη Γη .

Καθώς η Γη και ο Άρης θα περιστρέφονται στις σχετικές τροχιές τους, η σχετική γεωμετρία μεταξύ των δύο πλανητών σταθερά θα αλλάζει. Αν και οι σχετικές ευκαιρίες για πτήση στον Άρη συμβαίνουν κάθε 26 μήνες, οι άριστες ευθυγραμμίσεις για τα φθηνότερα και γρηγορότερα ταξίδια συμβαίνουν κάθε 15 χρόνια --και η επόμενη τέτοια ευθυγράμμιση συμβαίνει το 2018.