1. No category

Univerza v Ljubljani
Fakulteta za matematiko in fiziko
Oddelek za fiziko
Seminar Ia - 1. letnik, II. stopnja
Prihodnost vesoljskih pogonov
Avtor:
Mitja Zidar
Mentor:
izred. prof. dr. Simon Širca
Ljubljana, 5.11.2014
Povzetek
V tem seminarju bom opisal fizikalne osnove raketnega pogona. Predstavil bom nekaj
mogočih zasnov prihodnjih raketnih motorjev ter njihove prednosti in slabosti. Osredotočil se
bom predvsem na jedrske raketne pogone, ki za svoje delovanje izkoriščajo fisijo in fuzijo.
KAZALO
2 FIZIKA RAKETNIH POGONOV
Kazalo
1 Uvod
2
2 Fizika raketnih pogonov
2.1 Osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Omejitve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
3
3 Fisija – ključ do našega osončja
3.1 Jedrske termične rakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Jedrski električni pogon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Projekt Orion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
7
9
4 Fuzija in antisnov - medzvezdna potovanja
4.1 Projekt Dedal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
10
5 Zaključek
11
1
Uvod
Brata Wright sta pred stoenajstimi leti dosegla prvi nadzorovan motoriziran polet. Naslednji
preboj je bil izum in izdelava reaktivnega motorja med drugo svetovno vojno štirideset let
pozneje. Nekako istočasno so v nacistični Nemčiji pričeli izdelovati prve rakete na tekoče
gorivo. Rakete V2 (slika 1 levo) na tekoči kisik in etanol so bili prvi človeški objekti, ki so
poleteli na rob vesolja. Poleg uničenja in žrtev, ki so ga povzročile, so nam nakazale prvi
realistični način osvajanja vesolja. Nemški raketni znanstveniki, zajeti po drugi svetovni vojni
na obeh straneh, so bili v veliki meri zaslužni za zgodnje preboje v raketni tehonologiji v
šestdesetih letih dvajsetega stoletja. Rezultat zlate dobe naših prvih korakov proti vesolju
je Saturn V (slika 1 desno), ki še vedno velja za najvišjo (110 m), najtežjo (3000 ton) in
najmočnejšo raketo in še vedno drži rekord za največjo težo, prenešeno v nizko zemljino orbito
(LEO - low earth orbit) v enem dvigu — 118 ton [1]. Impresivnim dosežkom navkljub pa
je Saturn V, kot tudi vse današnje rakete, le izpopolnjena verzija nemške V2 in predstavlja
tehnologijo štiridesetih let prejšnjega stoletja. Za nadaljnje raziskovanje vesolja, predvsem s
človeško posadko, bomo potrebovali nove tehnologije, predvsem pa ljudi z znanjem, voljo in
pogumom iti tja, kamor človeška noga še ni stopila.
2
2.1
Fizika raketnih pogonov
Osnove
Pri fizikalnem konceptu pogona v vakuumu smo omejeni z Newtonovimi zakoni. Potisno silo
dosežemo tako, da odvrežemo nekaj mase z določeno hitrostjo v smeri, ki je nasprotna smeri
potovanja. Zalogo mase oziroma pogonskega sredstva mora raketa prevažati s seboj. Ko
pogonskega sredstva zmanjka, sama energija ne pomaga pri pospeševanju rakete. Seveda za
pogonsko sredstvo lahko uporabimo tudi fotone, saj tudi ti nosijo gibalno količino, vendar
2
2.2 Omejitve
2 FIZIKA RAKETNIH POGONOV
Slika 1: raketa V2 (levo) in raketa Saturn V (desno) ob izstrelitvi. Med vojno je bilo izdelanih
kar 3000 raket V2. Za proizvodnjo raketnega goriva so uporabljali krompir — 30 ton krompirja
za vsako raketo. Končni produkt je bil štiri tone etanola, zmešanega z vodo v razmerju 3:1.
Saturn V je uporabljal kerozin, tekoči vodik in tekoči kisik. S sproščanjem 1011 W moči (≈ 130
milijonov konjskih moči) in potiskom 33,000 kN ostaja najmočnejši stroj, kar jih je izdelalo
človeštvo. Vir: [2], [3].
prav tako odnašajo maso z rakete po Einsteinovi zvezi E = mc2 . Osnovna enačba, ki opisuje
to načelo, je Tsiolkovskyjeva raketna enačba [1]:
∆v = v0 ln
m
,
m0
kjer je v0 hitrost odvržene mase, m začetna masa rakete (pogonsko sredstvo in tovor), m0
končna masa rakete in ∆v sprememba hitrosti končne mase m0 . Učinkovitost raketnega
motorja je tako popolnoma definirana s hitrostjo izpuha v0 . Boljšo predstavo pa nam da
podatek, koliko časa lahko raketa (če zanemarimo spreminjanje mase) pospešuje z določenim
pospeškom, recimo kar standardnim gravitacijskim pospeškom g0 . Zato je za primerjave med
raketami namesto v0 v uporabi specifični impulz, Isp , definiran kot
Isp =
v0
[s].
g0
Raketna enačba se potem glasi
m
m0
Za boljšo predstavo te logaritemske odvisnosti prilagam sliko 2.
Iz grafov izgleda očitno, kaj je potrebno storiti za zmanjšanje začetne teže in cene rakete
— povečati je treba specifični impulz, torej hitrost pogonskega sredstva.
∆v = g0 Isp ln
2.2
Omejitve
Današnje rakete na pogon, ki temelji na kemijskih reakcijah (v nadaljevanju: kemične rakete),
sežigajo tekoča gorivaqpri čim višji temperaturi. Molekule v nastali spojini se gibljejo s termično hitrostjo vT = kB T /m. Hitrost raketnega izpuha je neposredno povezana s to količino.
Grobo rečeno je termična hitrost molekul fundamentalna omejitev za specifični impulz. Zanj
3
2.2 Omejitve
120
2 FIZIKA RAKETNIH POGONOV
5000
Isp=500 s
Isp=1000 s
Isp=5000 s
100
∆v=11.2 km/s
∆v=42.1 km/s
4000
3000
Isp (s)
∆v (km/s)
80
60
2000
40
1000
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
m/m0
2
3
4
5
6
m/m0
7
8
9
10
Slika 2: maksimalna sprememba hitrosti pri določenem specifičnem impulzu (levo) in specifični
impulz za doseganje določene hitrosti (desno) v odvisnosti od razmerja mase rakete proti masi
tovora. Velik specifični impulz zagotavlja velike spremembe hitrosti z majhno količino goriva:
pri specifičnem impulzu Isp = 5000 s lahko ubežno hitrost od sonca dosežemo že pri m/m0
nekaj več kot 2, torej ko je masa pogonskega sredstva le nekaj več kot polovica mase celotnega
plovila. Pri Isp = 500 s pa za vsak kilogram tovora potrebujemo kar 5 ton pogonskega sredstva.
v takih raketah, v katerih se delo goriva prevede neposredno v večanje temperature izpuha (v
nadaljevanju: termičnih raketah), velja:
s
Isp ∝
T
,
mmol
(1)
kjer je mmol molekulska masa snovi v izpuhu (graf 3). Za povečanje specifičnega impulza lahko
bodisi povečamo delovno temperaturo motorja bodisi zmanjšamo molekulsko maso produktov
goriva. Pri prvem smo omejeni z materiali, iz katerih je zgrajena reakcijska komora, ki zdržijo
največ okoli 2500 K. Pri drugem pa smo omejeni z osnovno kemijo; najboljše kemično gorivo
sta tekoči kisik in vodik, ki nam s produktom, vodo (mmol = 18), zagotavljata Isp = 460 s.
Z nekaterimi eksotičnimi gorivi lahko to še izboljšamo na približno 500 s, vendar so bodisi
predraga bodisi predraga in prestrupena za splošno uporabo.
Druga težava se pojavi zaradi osnovne Newtonove mehanike. Če nam na neki način uspe
povečati specifični impulz, torej izpušno hitrost, bomo za isti potisk potrebovali veliko večjo
moč motorja. Naj bo φm masni pretok pogonskega sredstva, F potisna sila motorja, P pa
moč motorja. Velja:
F = φm g0 Isp ,
φm (g0 Isp )2
.
P =
2
Potisk motorja torej narašča linearno z Isp , moč pa kvadratično. Zato imajo motorji z velikim
specifičnim impulzom običajno zelo majhno potisno silo. Vsaka ročna svetilka je pravzaprav
raketa z Isp ≈ 108 s, saj oddaja fotone s svetlobno hitrostjo, vendar pa tudi pri najmočnejših
laserjih dobimo le neznatno potisno silo. Tu imajo kemične rakete z ogromnimi potiski veliko
prednost, zaradi katere je njihova uporaba zagotovljena še daleč v prihodnost. Potrebno je
najti torej pogonski sistem, ki naredi pravi kompromis za potrebe določene naloge (slika 4).
4
3 FISIJA – KLJUČ DO NAŠEGA OSONČJA
2000
maksimum za atomizirani vodik, mmol=1
Isp
1500
H2
1000
NERVA (H2)
500
Space Shuttle (H2,O2)
H2O
CO2
V2 (etanol,O2)
0
10
20
30
mmol
40
50
60
Slika 3: teoretični maksimum Isp pogonskih sredstev pri temperaturah, kakršne zdržijo
današnji materiali. Toretični maksimum za atomarni vodik je sicer skoraj 2000 s, vendar
se pri temperaturi 3000 K le 7.85% vodika nahaja v atomarnem stanju [4].
10
Saturn V
(33 MN)
jedrski pulzni pogoni
Orion
Dedal
log(F)
8
NTR
(NERVA, 300 kN)
6
4
2
ionski pogoni
0
2
3
4
5
log(Isp)
6
7
8
Slika 4: ponazoritev F-Isp dileme [4]. Jedrske termične rakete (NTR) in ionski pogoni so
izvedljivi z obstoječo tehnologijo. Želimo pa si visokega specifičnega impulza in velike potisne
sile, ki nam jo lahko prinesejo jedrski pulzni pogoni. Žal je uporaba takih pogonov zaradi
omejitve uporabe jedrskega orožja in tehnične zahtevnosti danes neizvedljiva — za svoje delovanje namreč uporabljajo miniaturne jedrske eksplozije, kot je opisano v razdelkih 3.3 in
4.1.
3
3.1
Fisija – ključ do našega osončja
Jedrske termične rakete
Osnovni koncept jedrskih termičnih raket (NTR) prikazuje slika 5. Koncept je zelo podoben
običajni kemični raketi, le izvor toplote niso več kemične reakcije, temveč jedrski reaktor.
Raketa sedaj potrebuje zalogo pogonskega sredstva, ki jo jedrski reaktor segreva. Pogonsko
sredstvo v nasprotju z gorivom kemičnih raket ne reagira z ničimer, le izvrže se v smer, ki
5
3.1 Jedrske termične rakete
3 FISIJA – KLJUČ DO NAŠEGA OSONČJA
je nasprotna smeri pospeševanja. Na prvi pogled nismo s tem pridobili ničesar; omejitev (1)
še vedno velja, prav tako temperaturna omejitev zaradi materialov. Možnost za izboljšanje
se skriva v pogonskem sredstvu; medtem ko smo pri kemičnem pogonu omejeni na vodo z
mmol = 18 imamo pri izbiri pogonskega sredstva proste roke. Najbolj očitna izbira je vodik,
H2 , z mmol = 2. Z uporabo vodika lahko po formuli (1) Isp trikrat povečamo glede na najboljše
kemične rakete. Največja omejitev jedrskih termičnih raket je pretok pogonskega sredstva skozi
reaktor. Medtem ko lahko kemična raketa kuri gorivo skoraj poljubno hitro, smo pri jedrskem
reaktorju omejeni s prenosom toplote iz reaktorja na vodik na majhni površini napeljave, ki
jo lahko speljemo skozi jedrski reaktor. Ves vodik se mora skoraj v hipu segreti na 2500 K, za
kar mora biti presek cevi zelo tanek, tu pa nastanejo še hidrodinamske izgube.
Slika 5: shema jedrske termične rakete (levo) in njena izvedba (desno) - projekt NERVA, ZDA.
Vir: [5], [6].
Raziskovanje na jedrskem termičnem pogonu se je začelo že v petdesetih letih. Sprva so se
namreč zdele omejitve kemičnega pogona prevelike za izdelavo medcelinske balistične rakete.
V ta namen so tako v ZDA kot v SZ izdelali svoje prototipe jedrskih raketnih motorjev.
Rezultati so bili obetavni; motorji so dosegali Isp okoli 900 s in razmerje potiska proti teži (na
zemljinem površju) okoli četrtino tistega pri kemičnih raketah. To razmerje, sicer nezadostno
za izstrelitev v orbito, v vesolju ni več tako pomembno. Kemične rakete namreč vse svoje
gorivo porabijo v okoli desetih minutah, jedrski reaktor pa brez težav obratuje več ur, da
porabi zalogo pogonskega sredstva. Za potovanje na Mars, recimo, med obema možnostma ni
nobene razlike.
Vendar jedrski termični pogon s trdno reaktorsko sredico morda še vedno ni pravi način za
znatno cenejši polet na Mars. Vzrok za to je med drugim teža reaktorja (okoli 10 ton za nekaj
gigavatni reaktor) in radiacijskega ščita (nekaj ton) za posadko. Poleg tega je tudi s sodobnimi
materiali njihov Isp omejen na okoli 1000 s, kar še vedno privede do zahteve po znatni količini
pogonskega sredstva, ki ga je treba najprej izstreliti v zemljino orbito s klasičnimi kemičnimi
raketami. Rešitev morda leži v reaktorju s plinasto sredico (slika 6).
V takem reaktorju so jedrski reaktanti v plinastem stanju pri temperaturi več 10,000 K.
Sloj hladnejšega plina (helija ali pa devterijevega oksida) jih ločuje od sten reaktorja, kjer
temperatura ne sme preseči prej omenjenih 2,500 K. Hladilni plin ves čas kroži okoli vroče
sredice in se hladi v radiatorju, ki (po štefanovem zakonu) seva v vesolje. Vprašanje je,
kako spraviti toploto iz sredice do pogonskega vodika. Konvekcija ne pride v poštev. Edina
možnost je toplotno sevanje, za katerega pa je čisti vodik prozoren; potrebno mu je torej dodati
ogljikove delce, ki prejemajo termično sevanje in grejejo vodik. Stene reaktorja morajo biti
zato prozorne (zaprt cikel) ali pa jih sploh ni (odprt cikel) in je laminarni vrtinec hladilnega
6
3.2 Jedrski električni pogon
3 FISIJA – KLJUČ DO NAŠEGA OSONČJA
Slika 6: shema reaktorja z odprtim (levo) in zaprtim (desno) ciklom. Vir: [4].
plina edino, kar ločuje gorivo od toka pogonskega vodika. Vodik od sten prav tako ločuje
tok hladilnega plina. Problem te zasnove je nelaminarnost vseh omenjenih tokov. Pogonski
vodik se neizbežno meša s plinom ob stenah na eni strani in v primeru odprtega cikla hkrati
odnaša majhen del plinastega jedrskega goriva. Plovilo tako potrebuje še zalogo hladilnega
plina, ki ga vodik odpihne s seboj v vesolje. Poleg tega je prenos toplote prek sevanja precej
neučinkovit, zato moramo večino toplote odvesti v vesolje prek ogromne površine radiatorja.
Zapletenost koncepta močno poveča težo končnega motorja, lahko prek 100 ton. Dodatno težo
odtehta veliko višja delovna temperatura, saj niti reaktorska sredica niti pogonsko sredstvo
nista v neposrednem stiku z raketo. Temperatura lahko tako naraste na več 10,000 K, Isp pa
naj bi bil od 1500 s pa vse do 6000 s.
3.2
Jedrski električni pogon
Pri tej vrsti pogona sta proizvodnja moči in pogonski sistem popolnoma ločena. Jedrski
reaktor proizvaja toplotno moč, ki se nato pretvori v električno. Za pretvorbo zadoščajo že
dobro preizkušene metode iz komercialnih elektrarn. Električna moč nato napaja pogonski
sistem.
Tak pogonski sistem je ionski pogon. Koncept je zelo preprost: med dvema ploščama na
nasprotnih potencialih, kot je prikazano na sliki 7 (levo), se pospešujejo nabiti delci. Pogonsko
sredstvo so v tem primeru ioni.
Nabit delec v električnem potencialu Uacc pridobi kinetično energijo:
Uacc e0 =
mv 2
.
2
Iz definicije specifičnega impulza sledi:
s
Isp =
2Uacc e0
.
mion g02
Kot vidimo iz te enačbe, z ionskimi motorji zlahka dosežemo visok specifični impulz. Že
s pospeševalno napetostjo U = 1000 V dobimo Isp ≈ 104 s za ionske mase mion nekaj 10 u.
Glavna omejitev je gostota ionskega curka; plazma, ki teče v motor, ne sme biti pod prevelikim
pritiskom, saj bi se lahko ioni in elektroni rekombinirali. To povzroči omejitev gostote potiska
na površino izhodnega curka v trenutno najboljšem primeru na nekaj N/m2 . Želimo si torej
maksimizirati potisk enega samega curka ionov. Potisna sila je
7
3.2 Jedrski električni pogon
3 FISIJA – KLJUČ DO NAŠEGA OSONČJA
F = φion mion g0 Isp ,
oziroma, upoštevajoč izraz za specifični impulz,
q
F = φion 2mion Uacc e0 .
Hitrost dotoka ionov v motor, φion [s−1 ], je glavni omejitveni parameter, ki ga ne moremo
povečati. Tudi Uacc lahko povečujemo le do neke mere, saj pri preveliki napetosti pride do
preboja. Ta pojav opisuje Paschenov zakon, ki pravi, da je prebojna napetost v plinu med
nabitima ploščama približno sorazmerna s tlakom plina. Ker pa je v ionskem motorju skoraj
vakuum, so prebojne napetosti več redov velikosti manjše kot pri standardnih pogojih. Preboj
tako lahko nastopi že pri nekaj kilovoltih, odvisno od geometrije motorja. Spreminjamo lahko
še mion . S pogonskim sredstvom z veliko atomsko maso žrtvujemo Isp , ki še vedno ostaja
za velikostni red višji kot v termičnih raketah, na račun večjega potiska. Težji atomi imajo
tudi manjše ionizacijske energije (slika 8); ne pozabimo, da je treba pogonsko sredstvo najprej ionizirati, da ga lahko pospešimo z električnim poljem. Ionizacijska energija je v celoti
izgubljena. Od pogonskega sredstva zahtevamo še inertnost; tako zaradi lažjega shranjevanja
kot zaradi obrabe motorja. Prav zato je večinoma v uporabi ksenon, kljub nekoliko večji ionizacijski energiji (12.1 eV) v primerjavi z podobno težkimi elementi. S pospeševalno napetostjo
Uacc = 1000 V z uporabo ksenona izgubimo 1.2 % vse energije z ionizacijo.
Slika 7: shema ionskega motorja (levo) in delujoč ionski motor med testiranjem (desno). Vir:
[7], [8].
Ionski motorji (slika 7 desno) so že dobro preizkušena vesoljska tehnologija. Uporabljajo
se za premikanje satelitov ter premagovanje zračnega upora v nizki zemljini orbiti. Danes jih
poganjajo sončne celice, zato so taki motorji prešibki za medplanetarne polete. Značilno so
zaradi celic omejeni na nekaj kilovatov in potisk manjši od 1 N. Z jedrskim reaktorjem lahko
to sicer znatno povečamo, v mejah prej omenjene omejitve površinske gostote sile. Ionski
motorji so zato primerni za dolge robotske interplanetarne polete, do Saturna ali še dlje, kjer
se plovilo pospešuje več mesecev ali celo let. Specifični impulz ionskih motorjev je praktično
poljuben. Prednost ionskih motorjev pa je, da pri konstantni porabi moči s spreminjanjem
pospeševalne napetosti lahko do določene mere izmenjujejo med obema načinoma delovanja:
velik Isp in majhen F ter majhen Isp in nekoliko večji F .
8
3.3 Projekt Orion
3 FISIJA – KLJUČ DO NAŠEGA OSONČJA
Slika 8: ionizacijske energije elementov. Žlahtni plini imajo sicer večje ionizacijske energije od
ostalih elementov s podobnim masnim številom, a so zaradi svoje inertnosti še vedno glavna
izbira za ionske motorje [9].
Alternativa, ki ni omejena z gostoto potiska, je jedrski motor na električno iskro (arcjet
engine). Ta sila preprost koncept je mešanica med termičnim in električnim pogonom. V
izpuhu je stalna električna iskra, ki segreva izpušni plin in poveča specifični impulz motorja.
Iskra ne segreva vsega plina (ob stenah še vedno velja omejitev 2500 K). Prednost takega
motorja je velik potisk (gostota potiska je lahko tudi 3000 N/m2 ), medtem ko se Isp poveča
glede na standardne jedrske termične rakete na okrog 1500 s. Vprašljiva pa je dvojna pretvorba
energije — toplotna v električno in nazaj. Zaradi termodinamske omejitve izkoristka pretvorbe
in tako toplote se zopet pojavi potreba po težkih radiatorjih. Poleg tega tudi samo segrevanje
z iskro ni učinkovito; del energije se ujame v vibracijskih načinih molekul pogonskega plina,
ki ne prispevajo k segrevanju plina v raketi.
3.3
Projekt Orion
Obstaja še tretji, radikalen način izkoriščanja jedrske energije za pogon plovil. Raziskovala
sta jo Freeman Dyson in Ted Taylor. Ob testiranju atomskih eksplozij sta odkrila, da so z
grafitom prekrite kovinske krogle le 10 metrov od eksplozije ostale praktično nepoškodovane.
Ideja je bila, da se na zadnji konec vesoljske ladje pritrdi močno ojačano kovinsko ploščo, ladja
pa za sabo spušča in detonira jedrske bombe (slika 9). Plošča bi absorbirala ali odbila fisijske
produkte in tako delovala kot jadro, ladja pa bi plula na udarnih valovih jedrskih eksplozij.
Z dovolj šibkimi bombami (a še vedno z nadkritično maso goriva) in notranjimi blažilniki v
plovilu bi bili sunki pospeška dovolj majhni, da ne bi poškodovali človeške posadke. Tudi Isp
takega pogona bi bil zelo visok, do 106 s, večji kot pri vseh prejšnjih zasnovah. Pogon na
jedrske eksplozije namreč ne uporablja nobenega posrednega pogonskega sredstva in izmetava
le fisijske produkte. Ker ni omejitve reaktorja lahko gorivo (bombe) teče v motor (prostor za
ploščo) poljubno hitro, tudi več bomb na sekundo, tako da poleg velikega specifičnega impulza
dosežemo tudi velik potisk. V petdesetih letih, ko ni obstajala še nobena omejitev jedrskega
orožja, se je ta ideja resnično zdela izvedljiva. Danes si z omejitvami jedrskega orožja pogona v
tej obliki žal ne moremo predstavljati. Vseeno pa se z velikim potiskom in velikim specifičnim
impulzom zdi prihodnost jedrskega pulznega pogona v kakšni drugačni obliki svetla, saj bi
omogočil dolge interplanetarne polete [9].
9
4 FUZIJA IN ANTISNOV - MEDZVEZDNA POTOVANJA
Slika 9: ena od mogočih zasnov projekta Orion. Vir: [10]
4
Fuzija in antisnov - medzvezdna potovanja
Za medzvezdna potovanja bo najbrž potrebno priti do novih fizikalnih prebojev, s katerimi
ne bomo več omejeni le na raketni pogon. Tudi če bi imeli raketni pogon, s katerim bi Pluton
dosegli v nekaj mesecih (pa ga nimamo), bi potovanje do najbližje zvezde trajalo tisočletja.
Omejitev pa ni le časovna, pač pa tudi fizikalna. Vesoljski čolniček (Space Shuttle) s kemičnim
pogonom bi za tak podvig potreboval 10137 kg goriva. Ta masa presega maso celotnega vesolja.
Kot bomo videli v nadaljevanju, imata tudi fuzija in antisnov — kljub energijski gostoti, ki je
za 108 in 1010 večji od kemičnega goriva — svoje težave.
Prednost fuzije pred fisijo je, da se v fuzijskih reakcijah v maso pretvori večji del goriva
kot pri fisijskih reakcijah — približno štiri promile za fuzijo in nekaj manj kot promil za
fisijo. To pomeni večjo energijsko gostoto in tako manjšo težo goriva. Vendar moramo to
prednost dobro izkoristiti. Če porabimo energijo fuzijskega reaktorja za pretvorbo v električno,
ki nato poganja ionski motor, ni velike razlike med fuzijskim in fisijskim reaktorjem. Teža
jedrskega goriva je veliko manjša od teže pogonskega sredstva za ionski motor. Ionski motor
prinese še dodatno težo, prav tako radiatorji, ki se jim ne moremo izogniti zaradi pretvorbe
energije. Prava prednost fuzije je ta, da je del nastale energije že shranjen kot kinetična
energija nabitih delcev p, He+ in He++ . Če bi jih kolimirali z magnetnimi polji, bi že dobili
pogon s specifičnim impulzom 107 — pri fisiji večino energije odnesejo nevtroni, ki jih ne
znamo učinkovito usmerjati. Za potisk 10 kN bi tak reaktor moral obratovati z močjo enega
teravata, kar je enakovredno tisočim jedrskim elektrarnam Krško. Za medzvezdna potovanja
pa bi več let potrebovali konstanten pospešek velikostnega reda zemljinega gravitacijskega
pospeška. Za to bi potrebovali izjemno kompaktno in močno ladjo.
Pogon na antisnov bi nam zagotovil 100% pretvorbo goriva v energijo. Vendar bi bila
energija v obliki visokoenergijskih žarkov gama. Če bi jih izkoriščali posredno prek ionskih
pogonov, bi zopet izgubili glavno prednost vira energije. Z neposrednim izkoriščanjem pa je
Isp prevelik in spet smo pri potisku na ravni žepne baterije.
4.1
Projekt Dedal
Inženirji in znanstveniki Britanske medplanetarne družbe so v sedemdesetih letih raziskovali
možnost medzvezdnega potovanja z uporabo takratnje tehnologije ali tehnologije, ki nam
bo najverjetneje na voljo v bližnji prihodnosti. Predlagali so koncept za vesoljsko ladjo na
pulzni fuzijski pogon, ki bi dosegla Bernardovo zvezdo, oddaljeno 5.9 svetlobnih let, v 50 letih.
Ladja Dedal (slika 10) bi za gorivo uporabljala mešanico devterija in 3 He v kapsulah, ki bi
10
5 ZAKLJUČEK
jih v reakcijski komori vžgal curek elektronov po principu inercialnega ujetja (ICF — inertial
confinment fusion). Potekla bi jedrska reakcija:
2
H +3 He →4 He + p,
v kateri se sprosti 18.3 MeV. Nastalo plazmo He+ , He++ in p bi magnetno polje koliminiralo
v potisni curek. Ladja bi potrebovala 50,000 ton goriva; zaradi redkosti 3 He na zemlji bi ga
morali pridobiti iz Jupitrove atmosfere. Mnogi so mnenja, da bodo robotske tovarne jedrskega
goriva na Jupitru potrebne zgodaj v tretjem tisočletju, saj je fuzija najboljše nadomestilo za
fosilna goriva. Dedal bi porabil gorivo v štirih letih, ko bi potoval z 12% svetlobne hitrosti.
Bernardovo zvezdo bi dosegel v 46 letih. Takrat bi se od ladje odcepile sonde, ki bi potovale
skozi njeno osončje s hitrostjo 0.12 c in iskale morebitne znake življenja. Ladja se ne bi nikoli
upočasnila ali se vrnila nazaj na zemljo [11].
Slika 10: primerjava ladje Dedal z najmočnejšo raketo danes, Saturn V, ki je ponesla astronavte
na luno. Vir: [12].
5
Zaključek
Človeštvo je od zgodnjih uspehov v šestdesetih letih izgubilo zagon in pogum za raziskovanje
vesolja. Novi modeli vesoljskih plovil in fizika njihovih pogonov so bili podrobno raziskani
že pred 40 in več leti . Od takrat je sicer močno napredovalo naše inženirsko znanje, znanje
o materialih, termodinamiki in aerodinamiki, nista pa se spremenili sama dinamika tekočin
in osnovna fizika. Osnovni koncepti plovil so tako praktično enaki že desetletja, treba jih
je le zgraditi in testirati. Tu pa se je zataknilo. Izgubili smo sposobnost spremembe idej
v dejanske stroje. Raketa Saturn I leta 1961 je bila na hitro zgrajena iz že uporabljenih
raketnih motorjev in rezervoarjev, samo kot dokaz uresničljivosti koncepta za raketo Saturn
V, ki je ponesla astronavte na luno. Danes so take odločitve obremenjene s tveganjem in
neodločnostjo. Razlika med včasih in danes je pomanjkanje intenzivne gradnje in testiranja
novih modelov in pa sprejemanje neuspeha kot ravno tega — neuspeha, ne pa kot možnosti
za izboljšanje in kot stopnico do cilja. Za neuspeh lahko štejemo le to, da smo se prisiljeni
nadaljnjemu testiranju odpovedati, ne da bi našli pravo napako ali izboljšali prototip. Vse,
11
LITERATURA IN SLIKE
LITERATURA IN SLIKE
kar smo se naučili novega v zadnjih štiridesetih, letih je privedlo do paradoksalnega rezultata:
raziskovanje novih idej in konceptov na papirju vodi v vse več raziskovanja na papirju in
numeričnih simulacij, med katerimi se porodijo nova neodgovorjena vprašanja. Tako mišljenje
je privedlo do vse manjše pripravljenosti financiranja raziskovanja vesolja; NASA je v zlati
dobi sredi šestdesetih let prejemala več kot 4 odstotke ameriškega BDP, danes pa je ta delež
padel na manj kot polovico odstotka. Drugi vzrok pa je prav gotovo nepripravljenost javnosti,
da bi se sprijaznila z neuspehom, in strah pred novimi, zlasti jedrskimi tehnologijami.
Dejstvo je, da je napredek v vesoljski tehnologiji nujen za dolgoročno preživetje človeške
rase. Za to pa bomo morali sprejeti tveganja, ki ležijo na poti.
Literatura in slike
[1] P. A. Czysz in C. Bruno, Future Spacecraft Propulsion Systems (2nd Ed.) (Springer, Berlin,
2009)
[2] http : //upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Bundesarchiv_
Bild_141 − 1880%2C_Peenem%C3%BCnde%2C_Start_einer_V2.jpg (20.10.2014)
[3] http://static.ddmcdn.com/gif/blogs/6a00d8341bf67c53ef017d3d759ecf970c-800wi.jpg
(20.10.2014)
[4] N. N. Greenwood in A. Earnshaw, Chemistry of the Elements (2nd Ed.) (ButterworthHeinemann, Oxford, 1997).
[5] http://eo.ucar.edu/staff/dward/sao/fit/images/nuclea10.gif (16.10.2014)
[6] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/NASA-NERVA-diagram.jpg
(16.10.2014)
[7] http://dawn.jpl.nasa.gov/mission/images/CR-863.gif (18.10.2014)
[8] http : //upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Ion_Engine_Test_Firing_
−_GPN − 2000 − 000482.jpg (18.10.2014)
[9] G. P. Sutton in O. Biblarz, Rocket Propulsion Elements (7th Ed.) (John Wiley & Sons,
New York, 2001)
[10] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/ProjectOrionConfiguration.png
(17.10.2014)
[11] K. F. Long, Deep Space Propulsion (Springer, Berlin, 2012)
[12] http : //www.daviddarling.info/images2/Daedalus_Saturn_V_comparison.jpg
(21.10.2014)
12