Эти ракетные технологии будущего смогут доставить людей на Марс
6 февраля SpaceX сотворила историю, запустив ракету Falcon Heavy с мыса Канаверал во Флориде. Сегодня это самая большая и мощная ракета в мире. Илон Маск, знаменитый на весь мир CEO космической компании, планирует построить ракету еще больше, которая в конечном итоге доставит людей на Марс. Возможно. Falcon Heavy — 70-метровое чудо инженерии — способное переправлять грузы до 64 тонн на низкую околоземную орбиту. Только легендарная «Сатурн-5», ракета, которая отправила Нила Армстронга на Луну в 60-х и 70-х, была больше и толще. Но те времена давно прошли. Впрочем, обе ракеты полагаются на жидкое топливо.
Поездка на Марс в один конец с использованием обычных химических ракет может занять до девяти месяцев. Человеческому экипажу придется провести длительное время под воздействием радиации и других опасностей. Это одна из причин, по которым NASA и другие космические агентства, а также университеты и частная отрасль пытаются разрабатывать различные иные виды ракетных технологий.
Тяга плазменного двигателя
Ведущей альтернативой для поездки на Марс считается электрическая тяга. В 2015 году NASA отметило три стартапа для разработки систем солнечной электротяги (SEP), каждый из которых получил трехлетний грант в рамках программы агентства Next Space Technologies for Exploration Partnerships.
NextSTEP — это всего лишь один винтик в самом долгосрочном плане NASA по созданию орбитальной станции возле Луны, которая будет служить перевалочным пунктом для поездок на Красную планету. Сейчас это практически научная фантастика в лучших традициях Артура Кларка, но системы SEP уже вполне реальны, пусть и не так масштабны.
Три компании, получившие контракты, — Ad Astra Rocket Company, Aerojet Rocketdyne и MSNW — разрабатывают различные ионные или плазменные двигатели.
Вместо того чтобы выбрасывать газы в процессе сгорания, которые производят тягу в химические ракеты, ионные двигатели применяют силу для перемещения объекта путем ионизации инертного газа, такого как ксенон или водород, электрическим зарядом. Он выбивает электроны из атомов, создавая положительно заряженные ионы. В результате получается газ, состоящий из положительных ионов и отрицательных электронов — другими словами, плазма. Электрические и магнитные поля в дальнейшем помогают направить плазму в нужное русло для обеспечения тяги.
Плазма — это отдельное четвертое состояние вещества, наряду с твердым, жидким и газообразным. Самый яркий пример плазмы — центр нашей Солнечной системы, то есть солнце. Однако в природе, да и на Земле, плазма достаточно распространена: это и молнии, и всем известная «плазма» телевизоров.
Физика ионов
Ионные двигатели также долгое время используются на спутниках и даже в глубоком космосе. В 2015 году, например, ионные двигатели вывели зонд NASA Dawn на орбиту карликовой планеты Цереры, которая находится в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера.
У ионных двигателей есть один минус, которого нет у ракеты Falcon Heavy: они неспособны мгновенно ускоряться, чтобы покинуть гравитацию Земли. Зато они намного более эффективны в безвоздушном пространстве. Космический аппарат с ионными двигателями может набирать скорость постоянно, достигая таким образом разгона, недоступного для традиционных химических двигателей. Например, космические шаттлы могли набирать скорость в 30 000 км/ч. А космический аппарат, движимый силой ионов, может теоретически разрезать космос на скорости свыше 340 000 км/ч.
Бывший астронавт Франклин Чанг Диаз, который руководит Ad Astra, заявил, что теоретически мог бы выстрелить устройством на Марс так, что оно прибудет на планету через 40 дней. Идея ракеты VASIMR, разрабатываемой в Ad Astra, пришла к нему еще в 1980-х годах.
Не так давно компания продемонстрировала, что двигатель VASIMR может производить 100 киловатт мощности на протяжении 100 непрерывных часов. Следующим шагом будет активация двигателя для производства плазменного шара, горячего как солнце, и поддержание его на протяжении 100 часов подряд. Aerojet Rocketdyne также сообщила о готовности к следующему этапу 100-часовых испытаний двигателя Холла, другого типа двигателя на основе плазмы. Лучшее, на что способны современные ионные двигатели, это 5 кВт.
Между тем MSNW исследует различные прототипы термоядерных ракет, которые смогут выбрасывать плазму, произведенную синтезом смеси изотопов водорода и гелия, прогреваемых низкочастотными радиоволнами. Этот процесс преобразует часть массы атомов в энергию. Много энергии.
Из тонкого воздуха
Чтобы не отставать, Европейское космическое агентство разрабатывает свой ионный двигатель, который может буквально питаться воздухом. Воздушная силовая установка всасывает молекулы на грани атмосферы планеты, в значительной степени устраняя необходимость переноса газового топлива, такого как ксенон.
Хотя такая технология может и не пригодиться космическому аппарату дальнего следования, она идеально запитает спутники на низкой околоземной орбите или даже на других планетах вроде Марса, где можно засасывать газы и превращать их в топливо.
Установка была испытана в вакуумной камере в Италии, где моделировали среду на высоте более 500 километров.
Вопреки законам природы
Электрическая силовая установка, которая забирает воздух и превращает его в топливо, может показаться излишней перед лицом другого космического двигателя, который до сих пор остается теоретическим: электромагнитная двигательная установка, которая не использует никакого топлива вообще. Таков двигатель EmDrive, предложенный учеными NASA. Он создает тягу в процессе отскока микроволн в закрытой камере. В теории такой двигатель сможет доставить ракету на Марс за два месяца. Если бы не тот досадный факт, что он нарушает законы природы. В частности, EmDrive нарушает третий закон классической механики Исаака Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное противодействие.
Вопрос того, сможет ли EmDrive стать билетом людей на Марс, до сих пор не нашел однозначного ответа.
Не от мира сего
Другая необычная идея, применимая к космическим двигателям, поступила от колорадского стартапа Escape Dynamics. Он предложил использовать технологию микроволновой тяги.
В основе проекта лежит внешнее воздействие на электромагнитный двигатель космического аппарата в виде микроволн. Микроволновый пучок будет способствовать нагреву бортового водородного топлива, которое затем будет выбрасываться и вырабатывать тягу. Ранний прототип оказался весьма многообещающим, но компания была вынуждена прекратить испытания в 2015 году, когда не собрала достаточно средств на продолжение разработки.
Ракеты — это вам не это
В следующем году исполняется 50 лет со дня исторической высадки на Луну, когда один человек совершил гигантский скачок для человечества. Чтобы сделать следующий шаг по солнечной системе, потребуется гигантский технологический скачок в ракетной науке. Сегодня может показаться невероятным, что человек попадет на Марс, но это, без сомнений, свершится.
Как писал Артур Кларк, «единственный способ узнать пределы возможного — выйти за них в невозможное».