Πύραυλοι προωθούμενοι με λέιζερ. Supersonic Laser-Propelled Spacecraft Could Allow Astronauts to Explore the Universe

Η επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων συνεπάγεται ανάγκη χρήσης περισσότερου καυσίμου, το οποίο πρέπει πάντα να μεταφέρεται από το σκάφος. Researchers have described a new system that integrates a laser-ablation propulsion system with the gas blasting nozzles of a spacecraft which can increase the speed of the gas flow out of the system to supersonic speeds while reducing the amount of burned fuel. (Original image: solarseven via Shutterstock)

Έναν πρωτοποριακό τρόπο προώθησης πυραύλων, που παραπέμπει σε σελίδες επιστημονικής φαντασίας, προτείνουν ρώσοι ερευνητές.

Can you imagine flying through space with a laser-powered rocket? It seems like something more about of science fiction than reality, right? Yet a new method for improving the thrust generated by laser-propulsion systems could bring laser-powered rockets closer to reality. This artist's concept depicts NASA's Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) spacecraft near Mars. Missions like MAVEN could be improved upon if they were laser-powered. (Photo: NASA/GSFC)

Ειδικότερα οι φυσικοί Γιούρι Ρεζούνκοφ και Αλεξάντερ Σμιντ παρουσίασαν σε έρευνά τους που δημοσιεύτηκε στο journal Applied Optics της OSA (Τhe Optical Society) μέθοδο για τη βελτίωση της ώθησης που παρέχεται από ένα σύστημα προώθησης με λέιζερ- η οποία μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τέτοιων συστημάτων που θα ενδείκνυνται για πρακτική χρήση.

Αυτή τη στιγμή η μέγιστη ταχύτητα ενός διαστημοπλοίου περιορίζεται από την ποσότητα των στερεών ή υγρών καυσίμων που μπορεί να μεταφέρει. Η επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων συνεπάγεται ανάγκη χρήσης περισσότερου καυσίμου, το οποίο πρέπει πάντα να μεταφέρεται από το σκάφος. Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να λυθεί με τη χρήση ενός λέιζερ – ευρισκομένου σε απόσταση και όχι πάνω στο ίδιο το διαστημόπλοιο – για την παροχή επιπλέον προωθητικής ισχύος.

The effectiveness of current laser-propulsion techniques is limited by the instability of supersonic gas flow, caused by shock waves that "choke" the inlet of the nozzle, reducing thrust. Those effects can be reduced with the help of laser ablation, redirecting the plasma plume so that it flows close to the interior walls of a supersonic nozzle and significantly improving the overall thrust. Credit: Y.Rezunkov/IOIE

Για τη δημιουργία μιας προώθησης λέιζερ τέτοιου είδους έχει προταθεί μια σειρά συστημάτων. Ένα από τα πλέον υποσχόμενα συστήματα έχει να κάνει με μια διαδικασία που αποκαλείται κατάλυση/ εκτομή λέιζερ (laser ablation), κατά την οποία μία παλμική ακτίνα λέιζερ χτυπά μια επιφάνεια, την θερμαίνει και καίει υλικό για να δημιουργήσει αυτό που είναι γνωστό ως «λοφίο πλάσματος» (plasma plume), δηλαδή μία στήλη από φορτισμένα σωματίδια που ρέουν από την επιφάνεια. Η ροή αυτή έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή ώθησης για την κίνηση του σκάφους.

Στο paper τους στο Applied Optics, οι Ρεζούνκοφ και Σμιντ περιγράφουν ένα νέο σύστημα το οποίο ενσωματώνει σύστημα προώθησης laser ablation με τα συμβατικά/ «παραδοσιακά» ακροφύσια ενός διαστημοπλοίου. Ο συνδυασμός των δύο συστημάτων, σύμφωνα με τους ρώσους ερευνητές, μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα της ροής αερίων έξω από το σύστημα σε υπερηχητικές ταχύτητες, μειώνοντας παράλληλα την ποσότητα του καμένου καυσίμου.

A laser lasing. Image: Pixabay

Όπως επιδεικνύουν οι Ρεζούνκοφ και Σμιντ, η αποτελεσματικότητα των σημερινών τεχνικών προώθησης λέιζερ περιορίζεται από παράγοντες οι οποίοι περιλαμβάνουν την αστάθεια των υπερηχητικών αερίων καθώς διαχέονται έξω από το ακροφύσιο, καθώς και την παραγωγή ωστικών κυμάτων που έχουν αποτέλεσμα τη μείωση της ώθησης. Ωστόσο, αυτά μπορούν να μειωθούν με τη χρήση ενός «λοφίου πλάσματος» από laser ablation, που ανακατευθύνεται έτσι ώστε να ρέει κοντά στα εσωτερικά τοιχώματα του ακροφυσίου. Το τελικό αποτέλεσμα, όπως διαπιστώνουν οι δύο ερευνητές, βελτιώνει σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα, αυξάνοντας κατά πολύ την παραγόμενη ώθηση.

«Συνοψίζοντας τα δεδομένα που προέκυψαν, μπορούμε να προβλέψουμε την εφαρμογή τεχνικών υπερηχητικής προώθησης λέιζερ όχι μόνο για την εκτόξευση μικρών δορυφόρων σε τροχιές γύρω από τη Γη, αλλά επίσης για επιπρόσθετη επιτάχυνση σε υπερηχητικά αεροσκάφη ώστε να επιτυγχάνουν ταχύτητες των 10 Μαχ και άνω» σημειώνει σχετικά ο Ρεζούνκοφ.

Ελένη Μερκενίδου, Άτιτλο (Το παθιασμένο φιλί μιας φόνιας τελετουργίας...)

Edvard Munch, The Kiss, 1897.

[...]

Το παθιασμένο φιλί μιας φόνιας τελετουργίας, όπου καμιά φυσιολογία δεν έχει σημασία. Τα σαπισμένα στόματα, τα δύσοσμα σάλια, αναδίδουν μονάχα το πάθος της διαιώνισης. Το είδος ανθίσταται μέσα μου, για να περάσει τον αιώνα, ερωτεύεται τον πιθανό του θάνατο. Τον αδιέξοδο. Τον στοιχειωμένο.

Θα κινούμαι μοιραία — ένα περίστροφο κίνημα — στην απόσταση της ύλης μου από το θεό της. Στη θετικότητα της θέωσης, την ερημιά της ερήμωσης νιώθοντας, κρύβομαι εκεί που η νύχτα μαζεύεται στο φεγγάρι της να σε βλάψει. Θίγεται το σκοτάδι — εγώ, για να με νικήσεις και να φυλάγομαι, με την ευθιξία του προσφερόμενου. Ο φόβος του φόβου, σαν όμαιμο νόημα, πλάθει ένα ζώο συντροφικό, εσένα, και το ρίχνει στη σκιά μου.

Διπλώνομαι. Να σ' αποθηκεύσω. Και γιατί αυτό το ταπεινό μερίδιο πρέπει να σκύψει στην καρδιά. Σα μοναξιά απ' τη μοναδικότητα — η ελευθερία. Από ελευθερία αφανίστηκε ο λαός μου.

Φίλησέ με σάπια, εδώ που είμαι όλοι μαζί οι κατακτημένοι, στα εύσημα της άλωσης, όλοι μαζί οι ανώφελοι.

Pablo Picasso, The Kiss, 1969.

[...]

Από τη συλλογή «Αντέρως η ερημιά» (1990)

Ελένη Μερκενίδου

Παρακολουθώντας την έκρηξη καινοφανούς αστέρα. Astronomers image the exploding fireball stage of a nova

Οι εκρήξεις καινοφανών αστέρων είναι σχετικά σπάνια φαινόμενα, τα οποία προκαλούνται από λευκούς νάνους, δηλαδή τα ουράνια σώματα στα οποία εξελίσσονται οι αστέρες σχετικά μικρής μάζας, μετά τον «θάνατό» τους. Astronomers have reported near-infrared interferometric measurements of the angular size of Nova Delphini 2013, starting one day after the explosion and continuing with extensive time coverage during the first 43 days. The image shows Tycho’s supernova remnant. Image credit: X-ray – NASA / CXC / SAO; infrared – NASA / JPL-Caltech; optical – MPIA / Calar Alto / O.Krause et al.

Αστρονόμοι από το πανεπιστήμιο της Georgia στις ΗΠΑ, χρησιμοποιώντας την διάταξη τηλεσκοπίων CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy) κατέγραψαν με εξαιρετική λεπτομέρεια την εξέλιξη της έκρηξης ενός καινοφανούς αστέρα, που πραγματοποιήθηκε το καλοκαίρι του 2013 στον αστερισμό του Δελφίνου.

Τα δεδομένα αυτών των παρατηρήσεων μελετήθηκαν από 37 ερευνητές υπό την καθοδήγηση του αστρονόμου Gail Schaefer και δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature [The expanding fireball of Nova Delphini 2013].

Astronomers have observed the expanding thermonuclear fireball from a nova that erupted last year in the constellation Delphinus with unprecedented clarity. Last year, on Aug. 14, Japanese amateur astronomer Koichi Itagaki discovered a "new" star, promptly named Nova Delphinus 2013. Credit: Jimmy Westlake, Colorado Mountain College via Wikimedia Commons

Στις 14 Αυγούστου του 2013, ο ερασιτέχνης αστρονόμος Koichi Itagaki ανακάλυψε ένα “νέο” άστρο. Επρόκειτο για τον υπερκαινοφανή αστέρα που ονομάστηκε Nova Delphinus 2013 και προέκυψε από την έκρηξη ενός λευκού νάνου.

Ο λευκός νάνος αποτελεί το τελευταίο στάδιο ενός άστρου μικρής σχετικά μάζας, που έχει καταναλώσει τα πυρηνικά του καύσιμα. Αν όμως ένας λευκός νάνος σχηματίζει διπλό σύστημα με έναν άλλο «ενεργό» αστέρα, τότε υδρογόνο που προέρχεται από το άστρο-συνοδό συσσωρεύεται στην επιφάνεια του λευκού νάνου. Το αποτέλεσμα της συσσώρευσης αυτής είναι μια βίαιη έκρηξη – και η δημιουργία του λεγόμενου καινοφανούς αστέρα.

Καθώς ο λευκός νάνος ρουφά μέσω της βαρυτικής έλξης αργά αλλά σταθερά υδρογόνο από τον συνοδό του, δημιουργείται ένας “ωκεανός” υδρογόνου στην επιφάνειά του, με πάχος περίπου 200 μέτρων. Εξαιτίας της πίεσης που αναπτύσσεται λόγω της τεράστιας βαρύτητας στην επιφάνεια του λευκού νάνου, στο κάτω μέρος του στρώματος υδρογόνου προκαλείται θερμοπυρηνική σύντηξη του υδρογόνου.

Δημιουργείται δηλαδή μια αστρική βόμβα υδρογόνου. Η βίαιη εκτόνωση που ακολουθεί ονομάζεται έκρηξη του καινοφανούς αστέρα. Το φως που παράγεται από την έκρηξη υπερβαίνει σημαντικά την φωτεινότητα των κανονικών άστρων και μπορεί να παρατηρηθεί ακόμα και με γυμνό μάτι. Μετά από μερικές εβδομάδες το φαινόμενο εξασθενεί και ο καινοφανής αστέρας εξαφανίζεται.

Time evolution of the two-component model of Nova Delphini 2013; the time since the explosion (in days) is indicated in each panel; intensity refers to the flux per unit area. Image credit: G. H. Schaefer et al.

15 ώρες μετά την ανακάλυψη του Nova Del 2013 και μέσα σε 24 ώρες από την έκρηξη, οι αστρονόμοι της διάταξης CHARA μέτρησαν το μέγεθος και το σχήμα της (για πρώτη φορά μελετήθηκε έκρηξη καινοφανούς σε τόσο πρώιμο στάδιο). Οι παρατηρήσεις τους συνεχίστηκαν για 27 νύχτες στη διάρκεια των επόμενων δυο μηνών.

Ο καινοφανής απέχει απόσταση 14800 έτη φωτός από μας, οπότε μπορούμε να πούμε ότι η έκρηξη πραγματοποιήθηκε πριν από 15000 χρόνια περίπου.

Στις πρώτες παρατηρήσεις που έγιναν, η πύρινη σφαίρα της έκρηξης είχε μέγεθος συγκρίσιμο με την τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο, ενώ μετά από 43 μέρες είχε επεκταθεί 20 φορές επιπλέον, με μια ταχύτητα μεγαλύτερη των 600 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο, φθάνοντας στο μέγεθος της τροχιάς του Ποσειδώνα γύρω από τον Ήλιο – τον τελευταίο πλανήτη του ηλιακού μας συστήματος.

Animation of Fireball expansion.

Χιλιάδες καινοφανείς αστέρες έχουν καταγραφεί από το 1670. Μόνο όμως την τελευταία δεκαετία έγινε δυνατή η λεπτομερής καταγραφή των σταδίων της έκρηξης. Και η καταγραφή του Nova Del 2013 μας αποκαλύπτει με πρωτόγνωρη λεπτομέρεια το πως εξελίσσεται η έκρηξη ενός καινοφανούς αστέρα.