Πολλές ιδέες στην NASA για την προώθηση πυραύλων

Άρθρο, Μάρτιος 2002

Η NASA μελετά πολλές ιδέες για την προώθηση πυραύλων, που θα φέρουν πιό κοντά τα διαστημικά ταξίδια στο ηλιακό σύστημα, αλλά και θα ανοίξουν τις πόρτες στους διαστημικούς τουρίστες.

Έτσι δοκιμάζει έναν  μικρής κλίμακας αντιδραστήρα τήξεως, τον Gas Dynamic Mirror Engine (GDM). Το πείραμα GDM είναι μια προηγμένη ιδέα, που ερευνά η NASA καθώς οι επιστήμονες της δίνουν σταθερή μάχη για να σπάσουν την Γήινη βαρύτητα πιό αποτελεσματικά.

Μια εικόνα, στην οποία ένα διαστημόπλοιο που τροφοδοτείται με ενέργεια από τήξη, γλιστρά σε τροχιά γύρω από τον Τιτάνα, ένα από τα φεγγάρια του Κρόνου, που βρίσκεται τυλιγμένο στο μεθάνιο.

Πέρα από την παραδοσιακή χημική καύση που χρησιμοποιείται στα σημερινά οχήματα εκτόξευσης, και την χρησιμοποίηση ιόντων στο όχημα Deep Space 1,  κατά την κίνησή του,  υπάρχουν σήμερα διάφορες πυρηνικές προαιρετικές δυνατότητες. Αναβιώνεται λοιπόν η διαδικασία της διάσπασης των βαρέων ατόμων, όπως το ουράνιο, για να παράγουν ενέργεια. Αλλά ακόμη περισσότερη ενέργεια μπορεί να ληφθεί από την τήξη των ελαφρών ατόμων, σε ελαφρώς βαρύτερα όπως το ήλιον.  Μια διαδικασία που την συναντάμε μέσα στα άστρα.

Μάλιστα οι συνθήκες για ένα σύστημα προώθησης, είναι λιγότερο αυστηροί απ' ό,τι για την δημιουργία τέτοιων επίγειων εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας.

Οι προσπάθειες να στηριχτούν οι αντιδραστήρες σύντηξης πάνω στη Γη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, έχουν βασανιστεί, από το γεγονός ότι ορισμένη ποσότητα από το πλάσμα διαρρέει πάντα έξω. Αλλά αυτό όμως γίνεται πλεονέκτημα για τις μηχανές πυραύλων που τροφοδοτούνται με τη τήξη. Το πλάσμα που διαρρέει έξω παράγει μια ώθηση που έτσι προωθεί το διαστημικό σκάφος. Το τέχνασμα λοιπόν είναι να στηριχτεί μια αντίδραση τήξης ενώ θα ξεφεύγει λίγο από το αέριο πλάσμα για την προώθηση.

Μια παλιά ιδέα είναι το Gas Dynamic Mirror είναι. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθούν τα μαγνητικά πεδία ως καθρέφτες που να περιορίζουν το πλάσμα -- ένα τελείως ιονισμένο αέριο στο οποίο έχουν  απομακρυνθεί από τα άτομα όλα τα ηλεκτρόνια τους. Οι παλαιότερες συσκευές Καθρεφτών μολύνθηκαν από διάφορες αστάθειες όπως η "κακή κυρτότητα" του μαγνητικού πεδίου που άφησαν έτσι να διαφύγουν πυρήνες.

Το GDM, όμως είναι εντελώς νέα συσκευή, που υπερνικά όχι μόνο αυτές τις αστάθειες αλλά κι ένα άλλο φαινόμενο, τον "κώνο απωλειών," που άφηνε επίσης τα ιόντα να ξεφύγουν από το μαγνητικό πεδίο.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μια GDM μηχανή, θα είχε μια καθορισμένη ώθηση (specific impulse) περίπου 100.000 δευτερολέπτων. Καθορισμένη ώθηση, ή lsp, είναι ένα μέτρο του πόσα δευτερόλεπτα μια λίβρα (pound) προωθητικού καυσίμου θα μπορούσε να παραγάγει μια λίβρα της ώθησης. Για σύγκριση, η καθορισμένη ώθηση lsp της κύριας μηχανής του διαστημικού οχήματος Columbia  είναι περίπου 465 δευτερόλεπτα, και ενός πυρηνικού-θερμικού πυραύλου θα ήταν κάτω από 1.000 δευτερόλεπτα. Όσο υψηλότερο lsp, τόσο περισσότερο φορτίο μπορεί να φέρει αντί του προωθητηρίου καυσίμου.
(Μία λίμπρα-pound είναι 453,6 gr ή αντιστοιχεί σε δύναμη 4,448 Newton).

Έτσι, με αυτή την υψηλή ώθηση ο νέος πύραυλος μπορεί να χρησιμοποιηθεί άνετα για διαπλανητικές αποστολές.

Λέιζερ για τήξη

Η NASA/Marshall ερευνά επίσης ένα διαφορετικό σχέδιο που θα χρησιμοποιεί μικρές ατομικές βόμβες για προώθηση ενός πυραύλου, που έχει τις ρίζες του στο πρόγραμμα Orion . Το πρόγραμμα Orion όμως ακυρώθηκε λόγω της απαγόρευσης των πυρηνικών εκρήξεων στο διάστημα. Αλλά η ιδέα αυτή ποτέ δεν εγκαταλείφθηκε εξ ολοκλήρου.

Η ελπιδοφόρος ιδέα όμως που η NASA ερευνά, δηλαδή η μαγνητικά μονωμένη τήξη, υιοθετεί έναν μοναδικό συνδυασμό διάσπασης, τήξης και αντιύλης. Η ιδέα αυτή προέρχεται εν μέρει από τις προσπάθειες που καταβάλλονται να φτιαχθούν υψηλής ενέργειας λέιζερ για την σύντηξη στόχων όπως το δευτέριο και το τρίτιο, ισότοπα του υδρογόνου, που χρησιμοποιούνται στις περισσότερες μελέτες τήξης για την παραγωγή ισχύος. Στην NASA επιστήμονες, όπως ο Kammash,   πρότειναν τα μεγάλα λέιζερ με μια γρήγορη έκχυση αντιύλης.

Οι στόχοι που θα χρησιμοποιούνταν σε ένα τέτοιο σχέδιο (ένας σβώλος μόνο 2 εκατοστά σε μήκος και μάζας 3.5 γραμμαρίων), θα αποτελούνταν κατά το μεγαλύτερο μέρος από δευτέριο (D) και τρίτιο (T), με έναν κοίλο πυρήνα και ένα μικρό κομμάτι ουράνιου 238 στην μια πλευρά. Ο σβώλος του D-T πρέπει να είναι ντυμένος με το ουράνιο, που θα χρησιμεύσει σαν ένας ανακλαστήρας των νετρονίων που παράγονται.

Όταν λειτουργεί αυτή η κατασκευή, ένας στόχος (D-T) βρίσκεται στην αίθουσα καύσης και ένα ρεύμα αντιπρωτονίων στοχεύει, μέσω μιας μικρής οπής, προς τον πυρήνα. Αυτό προκαλεί τη διάσπαση του ουρανίου. Τα νετρόνια ανακλώνται από το κάλυμα του ουρανίου, και τα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια διαμορφώνουν ένα κατάλληλο μαγνητικό πεδίο για να περιορίσουν το πλάσμα του σβώλου D-T, αρκετό χρόνο για μια μικρή αντίδραση τήξης.

Θεωρητικά, μια τέτοια μηχανή θα μπορούσε να έχει ειδική ώθηση (lsp) μέχρι 200.000 δευτερολέπτων, αν και το πρακτικό όριο είναι 9.000 δευτερόλεπτα -- περισσότερο από 19 φορές αποδοτικότερο από τις βασικές μηχανές του διαστημικού λεωφορείου. Και αντίθετα από τα διάφορα άλλα σχέδια, όπου υψηλό isp σημαίνει επίσης χαμηλή ώθηση, η προώθηση του παλμού αυτού θα έχει μια πραγματική ώθηση.

Η ειδική ώθηση (isp) μας δείχνει για πόσα δευτερόλεπτα μπορεί το βάρος ενός καυσίμου μιας λίβρας (pound), να μας δώσει σταθερή προωστική δύναμη ίση με μια λίβρα.

Πυροδοτώντας με ένα ρυθμό 136 σβώλων ανά δευτερόλεπτο, το παλόμενο υβρίδιο πυρηνικής διάσπασης-σύντηξης θα επιτάχυνε ένα σκάφος στο 1/5 g για πολύ μεγάλη περίοδο.

Έτσι, με αυτό το τρόπο θα μπορούσαμε να φτάσουμε στους εσωτερικούς πλανήτες σε λιγότερο από μια εβδομάδα, ενώ για το ταξίδι για τον Δία θα διαρκούσε λιγότερο από ένα μήνα.

Τέτοιες μηχανές θα μπορούσαν να φθάσουν στο κοντινότερο αστέρι, το Άλφα του Κενταύρου, μόνο σε 200 έτη. Αν και φαίνεται πολύς χρόνος, είναι ένα γρήγορο ταξίδι,  αν αναλογιστούμε ότι ένα τέτοιο ταξίδι με μια συμβατική μηχανή, χημικών καυσίμων, θα έπαιρνε 168.000 έτη.

Αλλά η δοκιμαστική χρήση αυτής της συσκευής, θα αρχίσει μετά από πολλά έτη. Ήδη το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Marshall ερευνά τις βασικές μεθόδους με μια γεννήτρια Van de Graff, που θα παραγάγει υψηλής ταχύτητας ακτίνες   πρωτονίων που θα ρίπτονται πάνω στους στόχους τήξης. Κοστίζουν δε περίπου 5.000 $ η κάθε μία. Με αυτή τη μέθοδο μπορούν να μάθουν να τοποθετούν το στόχο και να στοχεύουν με την ακτίνα.

Συγχρόνως το Πολιτειακό Πνεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας αναπτύσσει μια παγίδα περίφραξης (Penning trap), σαν το μαγνητικό μπουκάλι του Star Trek, που θα συγκρατεί μια μικρή ποσότητα αντιπρωτονίων, προσεκτικά παγιδευμένη και ευρισκόμενη υπό ψύξη. Αυτή η ποσότητα θα έχει συλληφθεί,  μετά από συγκρούσεις ατόμων σε άλλα πειράματα. Η παγίδα αυτή θα συγκρατεί ένα ασήμαντο αριθμό, περίπου 1 τρισεκατομμύριο αντιπρωτονίων, αρκετά όμως για ένα δοκιμαστικό σχέδιο.

Ιόντα για διαστημικές μηχανές

Το ξένον ως καύσιμο είναι πολύ πιο ελαφρύ από τα συμβατικά καύσιμα, τα οποία επιβαρύνουν τους ίδιους τους πυραύλους που προωθούν. Επίσης το ξένον είναι πιο φθηνό και αξιοποιείται καλύτερα από τη μηχανή.
"Η σπουδαιότητα της μηχανής των ιόντων είναι η μεγάλη αποδοτικότητα," είπε ο Dr Marc Rayman, διευθυντής του προγράμματος για το Deep Space 1. "Χρησιμοποιεί πολύ λίγη προωθητική ύλη, ζυγίζει λιγώτερο και τελικά το διαστημόπλοιο θα άναπτύσσει μεγάλες ταχύτητες με μεγαλύτερη αυτονομία. Αυτό ανοίγει την πόρτα στην εξερεύνηση του ηλιακού συστήματος, οι οποίες με συμβατική τεχνολογία δεν θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν. " πρόσθεσε ο ίδιος.

Αναφορά: NASA-Marshall, Space.Com