Τρέξε, σκάφος, τρέξε! Run, spacecraft, run!

Ερευνητικές ομάδες προσπαθούν να αναπτύξουν νέες τεχνολογίες και συστήματα προώθησης που θα επιτρέψουν στα διαστημικά οχήματα να ταξιδεύουν όσο το δυνατόν πιο γρήγορα και πιο μακριά από τη Γη.

Οι υπάρχουσες τεχνολογίες και τα συστήματα προώθησης διαστημικών σκαφών δεν μπορούν να υποστηρίξουν πλέον τα ολοένα και πιο φιλόδοξα σχέδια του ανθρώπου για την εξερεύνηση του Διαστήματος. Γι' αυτό και οι επιστήμονες έχουν ριχτεί στη μάχη της ανάπτυξης νέων τεχνολογιών και συστημάτων που θα επιτρέπουν στα διαστημικά σκάφη (επανδρωμένα ή μη) να αναπτύσσουν πολύ μεγάλες ταχύτητες αλλά και να έχουν πολύ μεγάλη αυτονομία. Έτσι θα μπορούν να καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις γρήγορα αλλά και να παραμένουν για πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα... εν πλω.

Γη - Σελήνη σε 4 ώρες

Star Trek-style warp speed space travel that could allow us to travel between galaxies could be a reality in the next 100 years. This is according to Professor Geraint Lewis, from the University of Sydney, who claims the idea of warp speed is, in theory, possible.

Μια πραγματικά επαναστατική τεχνολογία δοκιμάζουν μηχανικοί της NASA. Πρόκειται για μια τεχνολογία που θα επιτρέψει στα διαστημόπλοια να αναπτύσσουν την περίφημη «ταχύτητα δίνης» (warp speed) που χρησιμοποιούσε το σκάφος Enterprise στη θρυλική σειρά επιστημονικής φαντασίας «Star Trek». Όταν το Enterprise χρησιμοποιούσε την ταχύτητα δίνης μπορούσε να μετακινείται από γαλαξία σε γαλαξία σε χρόνο dt.

Αν και η ταχύτητα του φωτός θεωρείται, από τον Αϊνστάιν και μετά, το ανώτατο όριο ταχύτητας, το 1994 ένας μεξικανός φυσικός, ο Μιγκέλ Αλκουμπιέρε, παρουσίασε μια θεωρία σχετικά με το πώς μπορούν να επιτευχθούν ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτή του φωτός χωρίς να παρουσιάζεται κάποια αντίθεση στις θεωρίες του Αϊνστάιν.

Κλειδί της θεωρίας του Αλκουμπιέρε ήταν η «τιθάσευση» της διαστολής και της συστολής του Διαστήματος. Ένα διαστημόπλοιο δεν θα ξεπερνούσε την ταχύτητα του φωτός σε μια περιοχή του Διαστήματος, αλλά ένα υποθετικό σύστημα προώθησης θα μπορούσε να επέμβει στον χωροχρόνο δημιουργώντας μια «φούσκα», η οποία θα διαστέλλει το Διάστημα από τη μία κατεύθυνση, ενώ θα το συστέλλει από την άλλη. «Με αυτόν τον τρόπο το διαστημόπλοιο θα απομακρυνθεί από τη Γη και θα κινηθεί προς ένα μακρινό άστρο χάρη στον ίδιο τον χωροχρόνο» είχε αναφέρει ο Αλκουμπιέρε.

Martin Tajmar, professor and chair for Space Systems at the Dresden University of Technology confirmed that the EMDrive would work. Pictured is the device created by Robert Sawyer.

Όπως έγινε γνωστό, ερευνητές της NASA πειραματίζονται με μια νέα τεχνολογία. Έναν ηλεκτρομαγνητικό κινητήρα που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ώθηση χωρίς την παρουσία κάποιου καυσίμου. Ο κινητήρας ονομάζεται EMDrive και «πυρήνας» του είναι ένα κλωβός μέσα στον οποίο αναπηδούν μικροκύματα. Οι μηχανισμοί των άστρων παράγουν ενέργεια που με τη σειρά της παρέχει ηλεκτρισμό για τα μικροκύματα. Οι ειδικοί όμως υποστήριζαν μέχρι σήμερα ότι αυτό το φαινόμενο δεν μπορεί να επιτευχθεί στις συνθήκες του διαστημικού κενού.

Σύμφωνα με τη NASA, οι δοκιμές του EMDdrive δείχνουν ότι δεν είναι άπιαστο όνειρο η κατασκευή ενός σκάφους που θα μπορεί να πιάνει ταχύτητες δίνης. Αναφέρουν μάλιστα πως από τις δοκιμές προκύπτει ότι μπορεί να κατασκευαστεί ένας κινητήρας που θα επιτρέπει σε ένα σκάφος να μεταφέρει επιβάτες και φορτία στη Σελήνη σε μόλις 4 ώρες ενώ θα μπορεί να κάνει το ταξίδι στο Άλφα του Κενταύρου (που με τη σημερινή τεχνολογία απαιτεί ταξίδι χιλιάδων ετών) σε περίπου εκατό έτη.

Γη - Άρης σε 72 ώρες!

Graphic representation of DEEP IN- Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration. Credits: Philip Lubin, University of California

Ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (Σάντα Μπάρμπαρα) αναπτύσσουν μια επαναστατική τεχνολογία πρόωσης στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος Directed Energy Interstellar Precursors (Deep-In). To πρόγραμμα στοχεύει στην κατασκευή διαστημικών σκαφών που θα μπορούν να ταξιδεύουν με τρομερές ταχύτητες στο Διάστημα ώστε να μπορούν να φτάνουν σε πολύ μακρινούς προορισμούς σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Οι ερευνητές πειραματίζονται με ένα σύστημα που ονομάζεται «φωτονική αεριώθηση» το οποίο βασίζεται στην χρήση συστοιχιών λέιζερ τα οποία στην ουσία θα αντικαθιστούν τα «παραδοσιακά» καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα στα διαστημόπλοια. Ως γνωστόν οι σημερινοί τύποι καυσίμων πρώτον αυξάνουν σημαντικά το βάρος των διαστημοπλοίων ενώ φυσικά κάποια στιγμή εξαντλούνται. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το φως των λέιζερ μπορεί να εξασφαλίσει την απαραίτητη ώθηση σε διαστημικά σκάφη ώστε αυτά να καλύπτουν τεράστιες αποστάσεις σε χρόνο dt.

Imagine getting to Mars in just 3 days… or putting points beyond our solar system within our reach. New propulsion technologies could one day take us to these cosmic destinations making space travel truly interstellar! NASA 360 joins Professor Philip Lubin, University of California Santa Barbara, as he discusses his NASA Innovative Advanced Concept (NIAC) for energy propulsion for interstellar exploration. This video represents a research study within the NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) program www.nasa.gov/niac. NIAC is a visionary and far-reaching aerospace program, one that has the potential to create breakthrough technologies for possible future space missions. However, such early stage technology development may never become actual NASA missions.

«Οι φωτονικοί κινητήρες βασίζονται στην εκπομπή ενός ρεύματος φωτονίων με σκοπό να εκμεταλλευτούν την ώση την οποία αναπτύσσουν εξ αντίδρασης. Η ώση γίνεται υπολογίσιμη εξαιτίας της πάρα πολύ υψηλής ταχύτητας με την οποία τα εκπεμπόμενα φωτόνια μπορούν να κινηθούν. Ο τύπος αυτός κινητήρα εξασφαλίζει λειτουργία για απεριόριστο χρόνο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο στο διαστημικό κενό όπου δεν υπάρχουν τριβές» αναφέρει ο δρ Κωνσταντίνος Γ. Κολοβός, χημικός μηχανικός ΕΜΠ, σε μελέτη του για τους κινητήρες πυραύλων και τα προωθητικά πυραυλικών συστημάτων που πραγματοποίησε για το Ελληνικό Κέντρο Ελέγχου Όπλων «ΑΘΗΝΑ».

Οι αμερικανοί ερευνητές αναπτύσσουν μια τεχνολογία φωτονικής αεριώθησης την οποία προορίζουν για χρήση σε μίνι διαστάσεων διαστημικά σκάφη. Αν τα καταφέρουν θα ανοίξει ο δρόμος για την ανάπτυξη ανάλογων συστημάτων για διαστημόπλοια που θα μπορούν να μεταφέρουν και ανθρώπους. Οι ειδικοί εκτιμούν ότι ένα σκάφος που θα κινείται με φωτονική αεριώθηση θα μπορεί να ταξιδέψει στον Άρη σε μόλις 72 ώρες! Με την υπάρχουσα τεχνολογία το ταξίδι στον Κόκκινο Πλανήτη διαρκεί έξι μήνες.

Γκάζι με... ραδιοκύματα

A VASIMR powered space tug. (Credit: Ad Astra Rocket Company)

Από το 2005 μια εταιρεία στο Τέξας, η Ad Astra Rocket Company of Webster, έχει δουλέψει για να τελειοποιήσει έναν τύπο κινητήρα που λέγεται VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Αυτός ο τύπος πυραύλου χρησιμοποιεί ραδιοκύματα για τη θέρμανση του ευγενούς αερίου αργόν, μετατρέποντάς το σε ένα καυτό πλάσμα - μια κατάσταση κατά την οποία τα ηλεκτρόνια δεν δεσμεύονται πλέον από τους ατομικούς πυρήνες. Μαγνητικά πεδία τότε εκτοξεύουν υπέρθερμο πλάσμα από το πίσω μέρος του κινητήρα, δημιουργώντας μια ώση προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το μοντέλο αυτό του πυραύλου εκτοξεύει τα καύσιμα με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι οι συμβατικοί κινητήρες, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται τεράστια επιτάχυνση.

Η NASA αποφάσισε να δώσει στην εταιρεία δέκα εκατομμύρια δολάρια για να ολοκληρώσει την κατασκευή του κινητήρα. Αν ο κινητήρας αυτός κατασκευαστεί και αποδειχθεί λειτουργικός, τότε τα ταξίδια στο Διάστημα θα γίνονται με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι σήμερα. Σύμφωνα με τους ειδικούς, ένα σκάφος που θα διέθετε αυτόν τον κινητήρα θα μπορούσε να κάνει το ταξίδι από τη Γη στον Άρη σε μόλις 39 ημέρες.

Ο σούπερ πύραυλος

Artist concept of the next configuration of the Space Launch System rocket. Future versions of SLS, like this one, will have a powerful exploration upper stage. NASA successfully completed a preliminary design review for the EUS in late January. Now, the SLS team will start developing components and materials for the EUS, and build up tooling. Credits: NASA

Τα διαστημόπλοια, οι δορυφόροι, τα τηλεσκόπια και γενικότερα όλα τα αντικείμενα με προορισμό το Διάστημα ξεκινούν από τη Γη «δεμένα» σε πυραύλους που τα οδηγούν στα όρια της ατμόσφαιρας όπου και τα απελευθερώνουν είτε για να τεθούν σε τροχιά είτε για να συνεχίσουν το ταξίδι τους. Η NASA έδωσε στη δημοσιότητα σχέδια και λεπτομέρειες ενός νέου σούπερ πυραύλου προώθησης. Ένας τέτοιος πύραυλος θα μπορεί να μεταφέρει πολύ μεγάλο φορτίο ανοίγοντας νέους δρόμους στη διαστημική εξερεύνηση.

As shown in this new animation, future configurations of NASA’s Space Launch System rocket will include a powerful exploration upper stage (EUS) with four RL10C-3 engines. This is the part of the rocket that continues to operate after launch and ascent. The EUS will use an 8.4-meter diameter liquid hydrogen tank and a 5.5-meter diameter liquid oxygen tank. A new universal stage adapter will connect the EUS to the NASA’s Orion spacecraft, and be capable of carrying large co-manifested payloads, such as a habitat, on the same flight as Orion. NASA successfully completed a preliminary design review for the EUS in late January. Now, the SLS team will start developing components and materials for the EUS, and build up tooling. The EUS is first slated to be part of the 105-metric-ton SLS that will be the first flight carrying Orion and astronauts. The detailed assessment is a step forward for the agency’s capabilities for human and robotic missions to deep space including future missions to Mars. Credits: NASA

Η NASA ονόμασε το νέο σύστημα προώθησης SLS (Space Launch System - Διαστημικό Σύστημα Εκτόξευσης) και ανακοίνωσε ότι η κατασκευή του έχει ήδη ξεκινήσει. Πρωταγωνιστής είναι ένας τεράστιος πύραυλος, ο μεγαλύτερος που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Ο πύραυλος αυτός θα είναι ύψους 128 μέτρων και βάρους τριών εκατομμυρίων κιλών. Σύμφωνα με τη NASA οι πρώτες δοκιμές του πυραύλου θα ξεκινήσουν το 2017 και στόχος είναι να μπορεί να μεταφέρει φορτίο 130 τόνων.

Αυτό σημαίνει ότι θα μπορεί να μεταφέρει μεγάλα διαστημικά σκάφη τα οποία θα μπορούν να πραγματοποιήσουν μακρινά ταξίδια. Θα μπορεί, για παράδειγμα, να μεταφέρει ένα σκάφος επανδρωμένης αποστολής στον Άρη ή ένα μεγάλο σκάφος που θα ταξιδέψει ακόμη και εκτός του ηλιακού μας συστήματος. Θα έχει επίσης τη δυνατότητα να μεταφέρει μεγάλες δομές, όπως π.χ ολόκληρα κομμάτια βάσεων για τη Σελήνη.

Ηλιακή... βενζίνη

Solar Electric Propulsion

Η NASA χρηματοδοτεί έρευνες για την κατασκευή διαστημικών σκαφών που θα κινούνται με ηλιακή ενέργεια. Μια από αυτές είναι το Ηλιακό Ηλεκτρικό Σύστημα Πρόωσης (SEP), μια επαναστατική τεχνολογία στην οποία ποντάρει η αμερικανική υπηρεσία για το μέλλον της διαστημικής εξερεύνησης.  Η ανάπτυξη διαστημικών σκαφών που κινούνται με ηλιακή ενέργεια κρίνεται ως απολύτως απαραίτητη για τη συνέχιση της διαστημικής εξερεύνησης και ειδικότερα για την οργάνωση μεγάλης διάρκειας ή απομακρυσμένων αποστολών. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες ηλιακής ενέργειας για διαστημικές εφαρμογές δεν είναι τόσο αποδοτικές ώστε να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση διαστημοπλοίων χωρίς την παράλληλη παρουσία και συμβατικών καυσίμων.

Future Human Exploration requires high power solar electric propulsion vehicles to move cargo and humans beyond Low Earth Orbit, which requires large light weight arrays, high power processing, and robust ops in egregious environs. The SEP Project will develop and mature technologies primarily for transition to NASA Mission Directorates engaged in manned and robotic exploration of space.

Η NASA επιθυμεί να χρησιμοποιήσει κάποια τεχνολογία ηλιακής ενέργειας σε μια φιλόδοξη αποστολή και πιο συγκεκριμένα στην «αρπαγή» ενός μικρού αστεροειδούς και στην τοποθέτησή του σε τροχιά γύρω από τη Σελήνη. Αν το εγχείρημα στεφθεί με επιτυχία θα οργανωθεί μια επανδρωμένη αποστολή μελέτης του αστεροειδούς. Αν αναπτυχθεί μια αποτελεσματική, αποδοτική ηλιακή τεχνολογία, η NASA σκέφτεται να τη χρησιμοποιήσει και σε μια επανδρωμένη αποστολή στον Άρη.

Διαστημοπλάνα και ιστιοφόρα

The Skylon vehicle is intended to be an aircraft designed to reach orbit.

O Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) ανακοίνωσε ότι θα συμμετάσχει στη χρηματοδότηση της κατασκευής του Skylon, ενός φουτουριστικού σκάφους που οι ειδικοί ονομάζουν «διαστημοπλάνο». Το Skylon θα μπορεί να λειτουργεί και ως επιβατηγό αλλά και ως εμπορικό αεροσκάφος μεταφέροντας ταχύτατα ανθρώπους και φορτία στον πλανήτη ενώ επίσης θα μπορεί να λειτουργεί και ως διαστημικό σκάφος.

Η αρχική ιδέα για τον σχεδιασμό ενός «διαστημοπλάνου» προτάθηκε τη δεκαετία του 1980 από την British Aerospace και τη Rolls Royce. Ομως το Hotol, όπως είχε ονομαστεί το προτεινόμενο σκάφος, είχε σημαντικές τεχνικές αδυναμίες και έτσι η κατασκευή του εγκαταλείφθηκε. Ωστόσο ορισμένοι από όσους αρχικά ασχολήθηκαν με αυτή την πρόταση συνέχισαν την εργασία τους και προχώρησαν σε βελτιώσεις. Δημιούργησαν μάλιστα την εταιρεία Reaction Engines Limited (REL) και αποφάσισαν να σχεδιάσουν ένα σκάφος με βάση το σύστημα προώθησης Sabre.

Πρόκειται για έναν υβριδικό κινητήρα που συνδυάζει τις λειτουργίες των πυραυλοκινητήρων αλλά και των κινητήρων τύπου τζετ. Το καύσιμό του είναι μείγμα υδρογόνου-οξυγόνου και όταν το σκάφος θα βρίσκεται σε μικρά ύψη το απαιτούμενο οξυγόνο θα λαμβάνεται από την ατμόσφαιρα. Άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του Skylon είναι επίσης ότι μπορεί να χρησιμοποιεί κοινά αεροδρόμια για την προσγείωση και απογείωσή του.

Το Skylon θα μπορεί να μεταφέρει ανθρώπους και φορτία οπουδήποτε στη Γη μέσα σε διάστημα μάξιμουμ τεσσάρων ωρών! Θα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στον τομέα του διαστημικού τουρισμού μεταφέροντας επιβάτες έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα αλλά και να μεταφέρει φορτία (π.χ. δορυφόρους) στο Διάστημα. Σύμφωνα με τους κατασκευαστές του, αν όλα πάνε καλά, σε περίπου δέκα έτη το Skylon θα είναι έτοιμο να ξεκινήσει τις πρώτες του πτήσεις.

Ηλιακά... πανιά

In this concept, long, very thin, bare wires construct the large, circular E-Sail that would electrostatically repel the fast moving solar protons. The momentum exchange produced as the protons are repelled by the positively charged wires would create the spacecraft’s thrust. Credits: NASA/MSFC

Στο Κέντρο Διαστημικής Πτήσης «Μάρσαλ» της NASA, ερευνητές ξεκινούν τις πρώτες δοκιμές ενός «ηλεκτροστατικού ιστίου», ή E-Sail, το οποίο θα μπορούσε να επιταχύνει διαστημικά σκάφη χωρίς καν να χρειάζεται καύσιμα.

Πρόκειται για μια ελαφριά αλλά γιγάντια κατασκευή που θα αξιοποιεί τον λεγόμενο ηλιακό άνεμο, ένα συνεχές ρεύμα πρωτονίων και ηλεκτρονίων που πηγάζει από τον Ήλιο και κινείται σφαιρικά προς όλες τις κατευθύνσεις.

Τα σωματίδια αυτά κινούνται με ταχύτητα 400 έως 750 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο και μπορούν να προσφέρουν έτσι την απαιτούμενη ορμή.

Within a controlled plasma chamber -- the High Intensity Solar Environment Test system -- tests will examine the rate of proton and electron collisions with a positively charged tether. Results will help improve modeling data that will be applied to future development of E-Sail technology concept. Credits: NASA/MSFC/Emmett Given

Το σύστημα θα αποτελείται από 10 με 20 λεπτά καλώδια από αλουμίνιο τα οποία απλώνονται ακτινωτά από το κέντρο του σκάφους και σχηματίζουν ένα κυκλικό «ιστίο». Τα καλώδια θα φέρουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο ώστε να απωθούν τα πρωτόνια του ηλιακού ανέμου. Λόγω της αρχής διατήρησης της ορμής, η άπωση αυτή θα επιταχύνει το σκάφος αργά αλλά σταθερά.

Για να φτάσει όμως μέχρι το όριο του Ηλιακού Συστήματος, το ηλεκτροστατικό ιστίο θα έπρεπε να είναι πραγματικά τεράστιο, με τα καλώδια να ξεπερνούν σε μήκος τα 19 χιλιόμετρα.

Καθώς το σκάφος περιστρέφεται αργά, εκτελώντας μια στροφή ανά ώρα, φυγόκεντρες δυνάμεις θα τεντώνουν τα καλώδια μέχρι να αναπτυχθούν πλήρως στην τελική τους θέση. Επιπλέον, η ρύθμιση της ηλεκτρικής τάσης σε κάθε καλώδιο ξεχωριστά θα επέτρεπε στο σκάφος να στρίβει.

Οι πρώτες, προκαταρκτικές δοκιμές πραγματοποιούνται με ένα καλώδιο από ανοξείδωτο ατσάλι που βρίσκεται μέσα σε έναν θάλαμο με ελεγχόμενη εκπομπή πλάσματος. Οι μετρήσεις της εκτροπής των πρωτονίων θα επιτρέψουν στους υπεύθυνους του ερευνητικού προγράμματος να αναπτύξουν υπολογιστικά μοντέλα της αλληλεπίδρασης των καλωδίων με τον ηλιακό άνεμο.

Animation of Heliopause Electrostatic Rapid Transport System (HERTS) concept. NASA engineers are conducting tests to develop models for the Heliopause Electrostatic Rapid Transport System. HERTS builds upon the electric sail invention of Dr. Pekka Janhunen of the Finnish Meteorological Institute. An electric sail could potentially send scientific payloads to the edge of our solar system, the heliopause, in less than 10 years. The research is led by Bruce M. Wiegmann, an engineer in the Advanced Concepts Office at NASA's Marshall Space Flight Center. The HERTS E-Sail development and testing is funded by NASA’s Space Technology Mission Directorate through the NASA Innovative Advanced Concepts Program. Credits: NASA

Αν οι δοκιμές δώσουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, το πρώτο ηλεκτροστατικό ιστίο θα μπορούσε να εκτοξευτεί σε μια δεκαετία και να φτάσει μέχρι την άκρη του Ηλιακού Συστήματος σε 20 χρόνια από σήμερα.

Πηγές: http://www.tovima.gr/science/article/?aid=859414, https://www.nasa.gov/