30 юни 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Лазерите могат да изпращат мисии до Марс само за 45 дни

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 17 февруари 2022 в 00:01 61550
Рояк космически кораби с лазерни платна, напускащи Слънчевата система. Кредит: Adrian Mann

НАСА и Китай планират да организират мисии с екипаж до Марс през следващото десетилетие. Въпреки че това е огромен скок в изследването на космоса, ще има и значителни логистични и технологични предизвикателства. Като начало, мисиите могат да стартират за Марс само на всеки 26 месеца, когато нашите две планети са най-близо една до друга в своята орбита (по време на т.нар. „опозиция“). Използвайки сегашната технология, ще са нужни шест до девет месеца за пътуването от Земята до Марс.

Дори с ядрено-термично или ядрено-електрическо задвижване (NTP/NEP), еднопосочният транзит до Марс може да отнеме 100 дни. Въпреки това, екип от изследователи от Университета Макгил в Монреал оценява потенциала на лазерно-термичната задвижваща система. Според тяхното проучване космически кораб, който разчита на нова задвижваща система - в която лазерите се използват за нагряване на водородно гориво - може да намали времето за пътя до Марс до само 45 дни!

Изследването е водено от Еманюел Дюпле (Emmanuel Duplay), завършил Макгил и настоящ студент по аерокосмическо инженерство в Технологичния университет в Делфт. В екипа са и доцент Андрю Хигинс (Andrew Higgins) и множество изследователи от катедрата по машинно инженерство в университета Макгил. Тяхното проучване, озаглавено „Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion (Проектиране на мисия за бърз транзит до Марс, използвайки лазерно-термично задвижване)“, наскоро е изпратено в списание Astronomy & Astronomy.

Концепцията на художник за платно, задвижвано с лазерно насочена енергия в действие. Кредит: Q. Zhang/deepspace.ucsb.edu

През последните години задвижването с насочена енергия (DE) е обект на значителни изследвания и интерес. Примерите включват програмата Starlight – известна още като DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) и програмите за насочени енергийни междузвездни изследвания (DEIS - Directed Energy Interstellar Studies) – разработена от проф. Филип Лубин и Експерименталната космологична група (ECG) на UCSB . Като финансирани отчасти от НАСА изследвания, започнали през 2009 г., тези програми имат за цел да адаптират метода на задвижване с насочена енергия за широкомащабно приложение за междузвездни мисии.

Известни са и проектите Breakthrough Starshot и Project Dragonfly, и двата организирани от Инициативата за междузвездни изследвания (i4iS - Initiative for Interstellar Studies) през 2013 г. Тези концепции изискват масив от лазери с гигаватова мощност за ускоряване на светлинно платно и малък космически кораб до част от скоростта на светлината (наричани релативистични скорости), за да се достигнат близки звездни системи за десетилетия, а не за векове или хилядолетия.

Но докато тези концепции са междузвездни, Дюпле и неговите колеги проучват възможността за междупланетна концепция. Както Дюпле обяснява за Universe Today:

„Окончателното приложение на задвижването с насочена енергия би било да задвижи светлинно платно към звездите за истинско междузвездно пътуване, възможност, която мотивира нашия екип, който направи това проучване. Интересувахме се как същата лазерна технология може да се използва за бърз транзит в Слънчевата система, което да се надяваме, че ще бъде по-скорошен етап, който може да демонстрира технологията.

Освен за задвижване с лазерно платно, технологията се проучва за няколко други приложения за изследване на космоса. Това може да е излъчване на енергия към и от космически кораби и постоянно засенчени места (напр. програмата "Артемис"), комуникации, защита от астероиди. Има и концепция за лазерно-електрически космически кораб, който се изследва от НАСА и като част от съвместно проучване между UCSB ЕКГ и MIT .

За това приложение лазерите се използват за доставяне на енергия на фотоволтаични панели на космически кораб, която се преобразува в електричество за захранване на двигател с ефект на Хол (йонен двигател). Тази идея е подобна на системата за ядрено-електрическо задвижване (NEP), където лазерен масив заема мястото на ядрен реактор. Както Дюпле обяснява, тяхната концепция е свързана, но различна:

„Нашият подход допълва тези концепции, тъй като използва същата лазерна концепция с фазирана решетка, но би използвал много по-интензивен лазерен поток върху космическия кораб за директно нагряване на горивото, подобно на гигантски парен чайник. Това позволява на космическия кораб да се ускорява бързо, докато е все още близо до земята, така че лазерът не трябва да се фокусира толкова далеч в космоса.

„Нашият космически кораб е като драгстер, който ускорява много бързо, докато е все още близо до земята. Вярваме, че можем дори да използваме същия ракетен двигател, задвижван с лазер, за да върнем ускорителя в земна орбита, след като изхвърли основния апарат на Марс, което позволява бързото му рециклиране за следващото изстрелване.

Кредит: Emmanuel Duplay et al.

В това отношение концепцията, предложена от Дюпле и неговите колеги, е подобна на ядрено-термичната система за задвижване (NTP), където лазерът е вместо ядрен реактор. Освен задвижването с насочена енергия и водородното гориво, архитектурата на мисията за лазерно-термичен космически кораб включва няколко технологии от други архитектури. Както Дюпле посочва, те включват:

„масиви от фибро-оптични лазери, които действат като единичен оптичен елемент, надуваеми космически структури, които могат да се използват за фокусиране на лазерния лъч в нагревателната камера, когато пристигне до космическия кораб, и разработването на високотемпературни материали, позволяващи на космическия кораб да премине през марсианската атмосфера при пристигането.

Този последен елемент е от съществено значение, като се има предвид, че на Марс няма лазерен масив, който да забави космическия кораб, след като достигне Марс. „Надуваемият рефлектор е ключ от други архитектури с насочена енергия - проектиран да бъде силно отразяващ, той може да поддържа по-голяма мощност на лазера на единица площ от фотоволтаичния панел, което прави тази мисия осъществима със скромен размер на лазерния масив в сравнение с лазерно-електрическия задвижване“, добавя Дюпле.

Чрез комбиниране на тези елементи лазерно-термичната ракета може да позволи много бързи транзити до Марс, които биха продължили шест седмици – нещо, което преди се смяташе за възможно само с ракетни ядрени двигатели. Най-непосредствената полза е, че представлява решение за опасностите от преминаване в дълбокия космос, като продължително излагане на радиация и микрогравитация.

Кредит: Emmanuel Duplay et al.

В същото време, признава Дюпле, мисията има някои препятствия, тъй като много от включените технологии са нови и все още не са тествани:

„Лазерната нагревателна камера вероятно е най-значимото предизвикателство: можем ли да съхраняваме водороден газ, нашето гориво, докато се нагрява от лазерния лъч до температури по-високи от 10 000 K, като в същото време поддържаме стените на камерата хладни? Нашите модели казват, че това е осъществимо, но експериментално тестване в пълен мащаб в момента не е възможно, тъй като все още не сме изградили необходимите лазери от 100 MW.

Докато голяма част от технологиите в тази предложена архитектура на мисията – и други подобни предложения – все още са във фаза теория и разработка, няма съмнение относно техния потенциал. Намаляването на времето, необходимо за достигане до Марс до няколко седмици вместо месеци, ще отговори на две от най-големите предизвикателства за мисиите на Марс – логистични и здравни.

Концепция на художник за базов лагер на Марс. Когато започнат мисиите до Марс, един от най-големите рискове ще бъде космическата радиация. Кредит: Lockheed Martin

Освен това, създаването на система за бърз транзит между Земята и Марс ще ускори създаването на инфраструктура между Земята и Марс. Това може да включва подобна на Gateway космическа станция на орбита около Марс, като базовия лагер на Марс, предложен от Lockheed Martin, както и лазерен масив за забавяне на пристигащия космически кораб. Наличието на тези съоръжения също би ускорило плановете за създаване на постоянно човешко присъствие на повърхността. Както заключи професор Хигинс:

„Проектното изследване "До Мар за 45 дни", което Еманюел ръководи, бе мотивирано от проучването на други, близкосрочни приложения на лазерната технология с фазирана решетка, която групата на Филип Лубин разработва. Способността да се доставя енергия дълбоко в космоса чрез лазер би била технология-пробив за задвижване и мощност. Нашето проучване изследва лазерния термичен подход, който изглежда обнадеждаващ, но самата лазерна технология ще промени играта."

Справка: Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion
Emmanuel Duplay, Zhuo Fan Bao, Sebastian Rodriguez Rosero, Arnab Sinha, Andrew Higgins, arXivhttps://arxiv.org/abs/2201.00244

Източник: Lasers Could Send Missions to Mars in Only 45 Days, Universe Today


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.