اختراقات الدفع المتقدمة وشيكة. ظلت المركبات الفضائية عالقة في سرعة بطيئة للصواريخ الكيميائية لسنوات وبقيادة الأيونات الضعيفة لعقود. ومع ذلك ، فإن السرعات التي تزيد عن مليون ميل في الساعة قبل عام 2050 ممكنة. هناك ابتكارات جديدة مفاجئة بمشاريع مجدية تقنيًا.
يمول معهد ناسا للمفاهيم المتقدمة (NIAC) مفهومين ذوي إمكانات عالية. يمكن أن يكون لمحركات الأقراص الأيونية الجديدة أفضل بعشر مرات من حيث ISP ومستويات الطاقة أعلى بعشرة آلاف مرة. يجري تطوير دفع المادة المضادة ومحركات أيون متعددة ميغاواط.
كتب هذا بريان وانج من Nextbigfuture. سيكتب براين مقالات منتظمة للضيوف في Universe Today.
الدفع والسرعة في الفضاء
ما هي أسرع مركبة فضائية صنعناها؟
تتحرك المركبة الفضائية فوييجر 1 بسرعة 38000 ميل في الساعة (61000 كم / ساعة). تم تحقيق ذلك في الغالب باستخدام صاروخ كيميائي ولكن أيضًا باستخدام مقلاع الجاذبية. وصلت المركبات الفضائية Juno و Helios I و Helios II إلى سرعات تصل إلى 150000 ميل في الساعة باستخدام تعزيزات الجاذبية. سيصل مسبار باركر الشمسي الذي تم إطلاقه مؤخرًا إلى 430 ألف ميل في الساعة باستخدام جاذبية الشمس.
يمكن أن يؤدي تسارع الجاذبية إلى زيادة سرعة المركبة الفضائية عدة مرات. ومع ذلك ، فإن استخدام جاذبية المشتري والشمس للحصول على مزيد من السرعة يضيع الكثير من الوقت. تستغرق المركبة الفضائية عدة أشهر للالتفاف حول الشمس والحصول على السرعة قبل بدء المهمة الحقيقية.
أفضل سرعات صاروخ كيميائي وأوقات
يمكن أن ينتج عن إعادة التزود بالوقود لصاروخ كبير مثل SpaceX BFR أوقات رحلة جيدة بشكل مدهش إلى المريخ.
يمكن أن تؤدي عمليات إعادة التزود بالوقود المدارية المتعددة لـ SpaceX BFR في مدار عالٍ إلى زيادة سرعة مثبطات اللهب المبرومة (BFR). ستعمل مركبة SpaceX BFR التي تعمل بالوقود بالكامل على تقصير الرحلة في اتجاه واحد إلى المريخ إلى أقل من 40 يومًا. سيتم استخدام مدار مكافئ بدلاً من نقل Hohmann.
كانت البعثات الفضائية إلى المريخ عبارة عن مركبات فضائية صغيرة. تم إطلاق المهمة بأكملها من الأرض. هذا يعني أن معظم الوقود تم استخدامه لإخراج النظام من الأرض. المرحلة النهائية صغيرة وبطيئة.
من خلال التزود بالوقود لـ SpaceX BFR في المدار ، من الممكن القيام بمهمة فضائية كبيرة تعمل بالطاقة الكيميائية تصل إلى 10.0 كيلومتر في الثانية دلتا- V. هذا أكبر بحوالي 100 مرة من مهمات الأرض السابقة إلى المريخ وثلاث مرات أسرع.
جدول سرعات محرك الأقراص
تتم مقارنة سرعات الوقود أدناه. يمكن أن يكون الدفع المتقدم أسرع بعشرين إلى خمسين مرة من الصواريخ الكيميائية ومحركات الأيونات الموجودة.
Space Shuttle Solid Rocket Booster 250 ISP 2,500 meters per second. Liquid oxygen-liquid hydrogen 450 ISP 4,400 meters per second. Ion thruster 3000 ISP 29,000 meters per second. New Lithium-ion drive 50000 ISP 480,000 meters per second (1.07 million mph). Positron Dynamics catalyzed fusion 100000 ISP 980,000 meters per second (2.1 million mph). Advanced catalyzed fusion 1000000 ISP 9,800,000 meters per second. (21 million mph)
الدفع المتقدم: محركات ليثيوم أيون بقدرة متعددة ميغاوات
سيختبر مختبر الدفع النفاث JPL (مختبر الدفع النفاث) 50000 ISP أيون الليثيوم الدافع في غضون 4 أشهر. هذا جزء من المرحلة الثانية من دراسة ناسا NIAC لاستخدام الليزر لإرسال 10 ميغاوات من الطاقة إلى محركات أيونية جديدة.
كثير من الناس لا يدركون التقدم الأخير في استخدام الليزر الأكثر قوة. يطور الجيش الأمريكي مصفوفات من الليزر يمكنها إنتاج 100 كيلووات خلال العامين المقبلين. يجب أن يكون لدى الجيش صفيفات ليزر ميغاواط بحلول عام 2025 تقريبًا.
يتم تشغيل الليثيوم أيون الذي يعمل بشعاع الليزر أسرع عشر مرات من أي محرك أيون سابق. قد تستغرق المركبة الفضائية بهذا النظام أقل من عام للوصول إلى بلوتو.
يقوم مختبر الدفع النفاث ببناء وإثبات المكونات المختلفة لهذا النظام. الشراع ومحركات الأيونات يجتمعان معًا. الجزء الصعب هو ليزر الصفيف التدريجي.
إنهم يعززون جهد الاختبار حتى 6000 فولت بحيث يمكن تشغيل محركات أيونات الليثيوم بشكل مباشر. يلغي محرك الأقراص المباشر الحاجة إلى الكثير من الأجهزة الإلكترونية الثقيلة التي قد تقتل الأداء.
ستكون كثافة الطاقة مائة مرة أكثر من الطاقة الشمسية القائمة على الشمس. سوف يقللون من حجم النظام باستخدام طول موجة ليزر 300 نانومتر بدلاً من 1063 نانومتر.
يواجه محرك أيونات الليثيوم بقدرة متعددة ميغاوات تحديات تقنية. ومع ذلك ، يمكن أن يكون المشروع الممول جيدًا ناجحًا قبل عام 2040.
الدفع المتقدم: Positron Dynamics - Positron Catalyzed Fusion Drive
قدمت Positron Dynamics تحديثات إلى NIAC وأجرى Brian Wang مقابلة مع Ryan Weed الرئيس التنفيذي لشركة Positron Dynamics.
يتم تجنب مشاكل تكوين المادة المضادة وتخزينها. تستخدم نظائر الكريبتون لتوليد البوزيترونات الساخنة. يمكن صنع المزيد من النظائر باستخدام مفاعلات إنتاج النيوترونات. هذا يتجنب مشكلة تكوين المادة المضادة.
لا يتم تخزين المادة المضادة ، وهو أمر رائع لأننا لا نعرف كيفية تخزين المادة المضادة. يتم إنشاء البوزيترونات ثم توجيهها إلى عملية تنتج دفع الاندماج. هذا أيضًا يحل مشكلة استخدام المادة المضادة لتوليد الدفع.
تعمل ديناميكيات البوزيترون على إبطاء البوزيترونات التي يتم إنشاؤها. لديهم جهاز وسيط صغير. يستخدم عدة طبقات من فيلم كربيد السيليكون لاستخراج البوزيترونات الفردية. يتسبب المجال الكهربائي في انجراف الجسيمات إلى سطح كل طبقة حيث يمكن أن تبرد. تحفز البوزيترونات تفاعلات الاندماج في كتلة كثيفة من الديوتيريوم. هذا ينتج الدفع.
بقلم: بريان وانغ أوف التالي