Місія на Марс за 45 днів

Чи міг би лазер відправити космічний корабель на Марс? Це запропонована місія групи з Університету Макгілла, розроблена на запит NASA. Лазер, 10-метровий масив на Землі, нагрівав би водневу плазму в камері позаду космічного корабля, створюючи тягу з газоподібного водню і надсилаючи його на Марс лише за 45 днів. Там він гальмував би в атмосфері Червоної планети, передаючи грузи людям-колоністам або, можливо, коли-небудь навіть доставляючи і самих людей.

У 2018 році NASA поставило перед інженерами завдання розробити місію на Марс, яка б доставляла корисне навантаження (щонайменше 1000 кілограмів) не більше ніж за 45 днів, а також тривалі подорожі вглиб Сонячної системи та за її межі. Короткий час доставки мотивується бажанням переправити вантажі і, коли-небудь, астронавтів на Марс, мінімізуючи згубний вплив галактичних космічних променів і сонячних буревіїв. SpaceX Ілона Маска передбачає , що подорож людини до Марса займе шість місяців з її ракетами на хімічній основі.

Концепція Макгілла, яка називається лазерно -тепловим рухом, спирається на набір інфрачервоних лазерів на Землі, діаметром 10 метрів, що поєднують безліч невидимих ​​інфрачервоних променів, кожен з довжиною хвилі близько одного мікрона, для загальної потужності 100 мегават. Корисний вантаж, що обертається на еліптичній середній орбіті Землі, мав би відбивач, який спрямовує лазерний промінь, що надходить із Землі, в камеру нагріву, що містить водневу плазму. Коли його ядро ​​нагріється до 40 000 градусів за Кельвіном (72 000 градусів за Фаренгейтом), газоподібний водень, що обтікає ядро, досягне 10 000 К (18 000 градусів за Фаренгейтом) і буде викинутий з сопла, створюючи тягу, щоб відштовхнути корабель від Землі. Бічні двигуни триматимуть корабель на одному рівні з лазерним променем під час обертання Землі.

Коли випромінювання припиняється, корисний вантаж відлітає зі швидкістю майже 17 кілометрів на секунду відносно Землі — достатньо швидко, щоб подолати орбітальну відстань Місяця всього за вісім годин. Коли він досягне марсіанської атмосфери через півтора місяця, він все ще рухатиметься зі швидкістю 16 км/с; однак, опинившись там, розміщення корисного вантажу на 150-кілометровій орбіті навколо Марса є важкою проблемою для інженерної групи.

Це складно, оскільки корисне навантаження не може нести хімічне паливо для запуску ракети, щоб уповільнити її швидкість — необхідне паливо зменшить масу корисного вантажу до менш ніж 6 відсотків від початкових 1000 кілограмів. І поки люди на Червоній планеті не зможуть сконструювати еквівалентну лазерну решітку для корабля, що надходить, щоб використовувати його відбивач і плазмову камеру для забезпечення зворотної тяги, аерозахоплення — єдиний спосіб уповільнити корисне навантаження на Марсі.

Навіть тоді, аерозахоплення, або гальмування повітрям, в атмосфері Марса може бути складним маневром, коли космічний корабель зазнає сповільнення до 8 g (де g — прискорення сили тяжіння на поверхні Землі, 9,8 м/с2), приблизно людська межа, лише за кілька хвилин, оскільки вона фіксується за один прохід навколо Марса. Великі теплові потоки на кораблі через атмосферне тертя будуть вище традиційних матеріалів системи теплового захисту, але не тих, що активно розробляються.

Лазерно-тепловий рух космічних кораблів у глибокий космос — Марс і далі — контрастує з іншими раніше запропонованими методами транспортування, такими як лазерно-електричний рух, при якому лазерний промінь вражає фотоелектричні (ФЕ) елементи позаду корисного вантажу; сонячно-електричний двигун, при якому сонячне світло на фотоелементах створює рухову тягу; ядерно-електричний двигун, в якому ядерний реактор створює електрику, яка виробляє іони, що виштовхуються з двигуна; і ядерно-тепловий рух, в якому тепло ядерного реактора перетворює рідину в газ, який виштовхує сопло для створення тяги.

«Лазерно-тепловий рух забезпечує швидкі транспортні місії вагою 1 тонну за допомогою лазерних решіток розміром з волейбольний майданчик — те, що лазерно-електричний двигун може зробити лише з масивами кілометрового класу», — говорить Еммануель Дюпле, провідний автор дослідження, який працював над проект протягом двох років, будучи частиною літньої програми бакалавриата з інженерних досліджень Університету Макгілла. Зараз Duplay навчається в програмі магістра наук Делфтського технологічного університету з аерокосмічної інженерії зі спеціалізацією в космічних польотах.

Велика перевага концепції лазерно-теплового двигуна, представленої Duplay et al. є його надзвичайно низьким відношенням маси до потужності в діапазоні 0,001–0,010 кг/кВт — «не має аналогів», пишуть вони, «набагато нижче навіть тих, які цитуються для передових технологій ядерного двигуна, через той факт, що джерело енергії залишається увімкненим на Землі і доставлений потік можна “обробити” за допомогою надувного відбивача малої маси».

Лазерно-тепловий рух вперше був досліджений у 1970-х роках за допомогою 10,6-мкм CO ₂ лазерів, найпотужніших на той час. Сучасні волоконно-оптичні лазери на один мікрон, які можна об’єднати в масивні паралельні фазовані решітки з великим ефективним діаметром, означають фокусну відстань потужності на два порядки більше — 50 000 км у лазері Duplay- концепція теплового двигуна.

Дюплей пояснює, що архітектуру для лазерів з фазованою решіткою розробляє група під керівництвом фізика Філіпа Любіна з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі. У групі Любіна використовуються індивідуальні лазерні підсилювачі потужністю приблизно 100 Вт кожен — кожен підсилювач є простим волоконно-оптичним ланцюгом і світлодіодним світлом як насос, і його можна випускати масово і недорого — тож для місії на Марс, яка передбачається, знадобиться близько 1 мільйона індивідуальних підсилювачів.

Перші люди на Марс, швидше за все, не потраплять туди за допомогою технології лазерно-теплового двигуна. «Однак, оскільки все більше людей відправляється в подорож, щоб підтримувати довготривалу колонію, нам знадобляться силові установки, які доставлять нас туди швидше — хоча б щоб уникнути радіаційної небезпеки», — каже Дюплей. Він припускає, що лазерно-теплова місія на Марс може початися через 10 років після перших місій людини, тож, можливо, приблизно в 2040 році.

Підписуйтесь на нас в Telegram: тут найцікавіші аерокосмічні новини!