Vienišas kosmoso tamsoje, NASA zondas Dawn (Aušra) , pakilęs Marsą, skuba į asteroidų žiedą.
Skirtas Saulės sistemos atsiradimo kai kurių aspektų ištyrimui, jis apžiūrės du iš stambiausių asteroidų, Vesta
ir Cerera, likusius iš
pirminio planetarinio embriono, iš kurio maždaug prieš 4,57 mlrd. m. susiformavo planetos.
Tačiau tai nėra vienintelis jo tikslas. Dawn, pakilęs 2007 m. rugsėjį, yra varomas naujos technologijos variklio, pradedamo naudoti tolimiems
skrydžiams, t.y., plazminės raketos. Kelių tipų tokios raketos yra varomos ne deginant skystą ar kietą kurą, o įelektrintų jonų čiurkšlės.
NASA plazma variklį pasirinko todėl, kad jis yra labai efektyvus, ns jam tereikia tik dešimtadalio kuro
kiekio, kuris būtų reikalingas įprastinėms cheminėms raketoms. Naudojant tradicinę raketą, būtų galima pasiekti tik
Vestą arba Cererą, bet ne juos abudu.
Elektrinės raketos, kaip jos dar vadinamos, sparčiai tampa geriausiu pasirinkimu tolimiems skrydžiams. Taip ji leido NASA
Deep Space 1 zondui aplankyti kometą, - papildomą kelionę, kai buvo atlikta pagrindinė užduotis. Ji naudota japonų Hayabusa
zondo bandymui nusileisti į asteroidą, o taip Europos SMART-1 skrydžiui į Mėnulį. Ir nors tik dabar pradedama naudoti tolimiems skrydžiams,
minėta technologija buvo sėkmingai naudojama kosmose kitiems tikslams.
Dar pirmame 20 a. dešimtmetyje raketų kūrimo pionieriai išsakė mintis apie elektros panaudojimą kosminiuose aparatuose. Bet tik
Ernst Stuhlinger'is*), legendinės vokiečių W. von. Braun'o komandos narys,
6-ojo dešimtm. viduryje koncepciją padarė praktiškai naudojama technologija. Po kelių metų NASA inžinieriai sukūrė pirmą veikiančią elektrinę
raketą**). Ji buvo išbandyta 1964 m. ir veikė pusvalandį.
Tarybų Sąjungoje buvo vykdomi nepriklausomi tyrinėjimai. Nuo 1970-ųjų buvo pasirinkta ši technologija, nes ji gali būti panaudota
telekomunikacinių palydovų korekcijoms išlaikant geosinchroninę orbitą.
2018 m. pradžios duomenimis, konkrečioje misijoje jie dar nebuvo išbandyti. 2016 m. pradžioje
Roskosmos pranešė, kad MAI ir Voronežo KB sukūrė joninį variklį, kurį išbandė vakuuminiame stende. Tačiau
1971 m. Meteor palydovo korekcijos sistema turėjo du I. Kurčiatovo inst-to plazminius variklius,
kurių vienas nepertraukiamai dirbo 140 val. tad matyt tas įdirbis tiesiog buvo užmestas ir 2012 m. visi darbai pradėti vėl nuo nulio.
Neteisinga samprata, kad kosminę erdvė kosminiai aparatai skrodžia lydimi liepsnos liežuvių. Iš tikro, raketinis veikimas tevyksta trumpą laiką
pačioje pradžioje, o visą likusį laiką jis tiesiog sklendžia erdvėje artėdamas prie tikslo. Tradicinės raketos gali būti panaudojamos skrydžio koregavimui,
tačiau nėra praktiškos perskridimams kosmose, nes turi gabentis didelius kuro kiekius (papildomo 0,5 kg iškėlimas į Žemės orbitą kainuoja gerokai virš 10
tūkst. dolerių). Be to, tradicinės cheminės raketos turi dar vieną apribojimą - jos užtikrina palyginti nedidelį dujų išmetimo greitį (3-4 km/sek.).
Tad, pvz., kelionei į Marsą, kurui skirti reikia daugiau nei 2/3 kosminio aparato masės.
Tolimesnėms ambicijoms patenkinti ta dalis gerokai padidėja (pasiekia per 99%).
Kad pasiektų tolimą tikslą be papildomo kuro, daugelis zondų praeityje sudėtinga trajektorija skriedavo metų metus, atsispirdami nuo planetų
ir jų palydovų. Tad galimos skrydžių starto datos turėjo būti labai kruopščiai parenkamos.
Dar blogiau, kad po metus trukusios kelionės kosminis aparatas neturėjo kuro stabdymui. Tad jis turėjo tik ribotą laiką kosmoso objekto tyrimui
- pvz., 2006 m. paleistas NASA zondas po 9 m. skrydžio teturės tik vieną dieną Plutono tyrinėjimui.
Plazma varikliai leidžia pasiekti gerokai didesnį dujų išmetimo greitį. Vietoje
to, kad degintų kurą, elektrinis laukas veikia įelektrintas daleles. Plazma
sukuriama dujoms perduodant papildomą energiją, pvz., kaitinant lazeriu,
radijo ar mikrobangomis, veikiant stipriais elektros laukais. Papildoma energija
leidžia elektronams atitrūkti nuo atomų ir susidaro jonizuotos dujos. Tad
elektrinis ar magnetinis laukas gali nepaprastai pagreitinti tas dujas ir nukreipti reikiama kryptimi.
Elektrodams ir magnetams reikalingą energiją paprastai teikia Saulės baterijos, tačiau tolimiems skrydžiams (už Marso), tektų naudoti branduolinius
energijos šaltinius. Dabartiniai nedideli zondai naudoja termoelektrinius įrenginius, kuriuos kaitina radioaktyvaus izotopo atsargos, tačiau labiau
ambicingiems skrydžiams tektų turėti branduolinius reaktorius - kurie būtų įjungiami tik saugiu atstumu nuo Žemės.
Šiuo metu yra išvystytos trys plazma varančių variklių sistemos. Labiausiai
naudojama yra ir Dawn zonde - tai joninis variklis. Keli tuzinai joninių variklių veikia kosmose, daugiausia telekomunikacijų palydovuose.
Joninio variklio ištakos siekia Amerikos raketų pionieriaus Robert. H. Goddard'as, kai šis dar tebuvo Worcester'io Politechnikos instituto
studentas (maždaug prieš šimtmetį). Joniniai varikliai įstengia pasiekti 20-50 km/sek. dujų išmetimo greitį.
Dažniausiai sutinkamoje realizacijoje joninis variklis elektros energiją gauna iš
fotovoltinių panelių. Tai suplotas cilindras, ne didesnis nei kibirėlis, įtaisytas
|
Kosminis laivas, spinduliais prisitraukiantis priešininką ir užgrobiantis krovinius, nuo
seno dažnas fantastikoje (pvz., Žvaigždžių treke). O dabar mokslininkai iš Prahos
Mokslinių prietaisų instituto ir St. Andrews un-to (Škotija) iš tikro sukūrė panašią technologiją.
Tai mikrodaleles pritraukiantys lazerio spinduliai. Tai nėra taip paprasta, nes paprastai
lazerio skleidžiami fotonai stumia spindulio kelyje atsiduriančius objektus. Naujas
išradimas greičiausiai pradžioje bus panaudotas medicinoje leukocitų išskyrimui iš kraujo.
|
užpakalinėje dalyje. Per kibirėlį ksenono dujos teka iš bako į jonizacijos
kamerą, kurioje elektromagnetinis laukas nuplėšia elektronus. Teigiami jonai
įgreitinami elektrinio lauko, sukuriamo tarp dviejų elektrodų tinklelių ir išmetami lauk.
Teigiamiems jonams išskridus, pats kosminis aparatas būtų neigiamai
įelektrintas likusių elektronų ir trauktų atgal išmestus teigiamus jonus - ir taip
prarandant varomąją jėgą. Tam skirtas išorinis elektronų šaltinis (neigiamas
katodas ar elektronų patranka) įšvirkščia elektronus į teigiamų dalelių srautą
taip jį neutralizuojant - ir kosminis aparatas lieka neutralus.
20 a. pabaigoje Deep Space 1 tapo pirmuoju aparatu, kuris elektrinį
variklį panaudojo, kad paliktų Žemės gravitacinį lauką. Zondas pagreitėjo 4,3
km/sek. tesunaudodamas mažiau nei 74 kg ksenono, kad galėtų praskrieti pro
Borrelly kometos uodegą, sudarytą iš dulkių. Tai buvo tuo metu didžiausias
pasiektas pagreitėjimas. Dawn turėtų viršyti šį rekordą, greitį padidindamas
10 km/sek. NASA inžinieriai demonstravo joninius variklius, galinčius be sutrikimo veikti per 3 m.
Plazminių raketų efektyvumas nusakomas ne tik išeinančių dalelių greičiu,
bet ir jų srauto tankiu, kuris priklauso nuo jų generavimo pajėgumo. Joniniai
varikliai kenčia nuo vieno trūkumų, vadinamo erdvės įelektrinimo apribojimu,
gerokai sumažinančiu srauto tankį: kai teigiami jonai praeina tarp
elektrostatinių tinklelių, toje srityje neišvengiamai susidaro teigiamas elektros
krūvis, kuris trukdo elektros laukui greitinti dujas. Dėl šio reiškinio Deep
Space 1 joninis variklis sukuria srautą, kuris yra tarsi vieno popieriaus lapo
svoris (tokia trauka automobilį iki 100 km greitintų dvi paras). Tačiau, kadangi
nėra kur skubėti tolimose zondų kelionėse, tad galima ir pakentėti kelis
mėnesius, kol bus pasiektas reikiamas greitis. Mat vakuume, kuriame nėra trinties, net nežymus stumtelėjimas duoda ilgalaikį poveikį.
Minėto reiškinio išvengia Hall variklis, todėl jis kosminį aparatą gali pagreitinti
per trumpesnį laiką. Ši technologija Vakaruose imta vystyti paskutiniajame 20 dešimtm.,
nors TSRS jį tyrinėta apie 30 m. Sistema remiasi 1879 m. Edwin H. Hall
(tuo metu Johns Hopkins universiteto studento) atrastu efektu: kai
elektrinis ir magnetinis laukai yra statmeni laidininko viduje, elektros srov4
(vadinama Hall srove) teka kryptimi, statmena abiem laukams.
Hall variklyje plazma sukuriama, kai neutraliose dujose įrenginio viduje
įvyksta elektros iškrova tarp vidinio teigiamo anodo ir neigiamo katodo. Tada
plazma pagreitinama Lorenco jėgos, sukeliamos cilindre sąveikaujant
radialiniam magnetiniam laukui ir elektros srovei (šiuo atveju Hall srovei),
tekančiai azimuto kryptimi (t.y. ratu aplink centrinį anodą). Hall srovę sukelia
elektronų judėjimas magnetiniame ir elektriniame laukuose. Priklausomai nuo
galingumo, išmetamų dujų greitis siekia 10-50 km/sek.
Ši elektrinės raketos atmaina išvengia erdvės įelektrinimo problemos
greitindama visą plazmą (tiek teigiamus jonus, tiek neigiamus elektronus),
todėl pasiekiamas didesnis išmetamų dujų tankis ir tuo pačiu didesnė
stumiamoji jėga. Per 200 Hall variklių įrengta dirbtiniuose Žemės
palydovuose. Ir būtent jį Europos Kosmoso agentūra panaudojo SMART-1 skrydžiui į Mėnulį.
Prinstono Plazmos fizikos laboratorija patobulino sistemą į Hall variklio sieneles įmontuodami segmentuotus elektronus, kurie formuoja vidinį elektrinį
lauką, leidžiantį plazmą fokusuoti į ploną spindulį. Tai leidžia padidinti
sistemos veikimo gyvavimo trukmę, nes plazma neliečia įrenginio sienelių.
Vokiečių mokslininkai panašų efektą pasiekė naudodami specialius magnetinius laukus. Stanfordo universiteto tyrinėtojai parodė, kad sienelių
padengimas plonu polikristaliniu deimantu gerokai padidina įrenginio
atsparumą plazmos erozijai. Tie patobulinai Hall variklį daro priimtiną tolimiems skrydžiams.
Hall variklio trauką dar labiau padidintų bendras greitinamos plazmos kiekis.
Tačiau jos tankiui padidėjus, elektronai pradeda dažniau susidurti su atomais
ir jonais, todėl darosi sunkiau valdyti Hall srovę. Alternatyva vadinama
magnetoplazmadinaminis variklis (MPDT), užtikrinantis didesnį plazmos tankį. atsisakant Hall srovės.
Bendrais žodžiais, MPDT yra sudarytas iš centrinio katodo, įrengto
platesniame cilindro formos anode. Dujos, paprastai ličio, pumpuojamos į tarpą tarp katodo ir anodo,
kur yra jonizuojamos elektros srovės radiališkai tekančios iš katodo į anodą. Ši srovė sukelia azimutu nukreiptą magnetinį
lauką (aplink centrinį katodą), kuris sąveikaudamas su ta pačia srove, sukuria Lorenco jėgą, panaudojamą dujų išmetimui.
Kibiro dydžio MPDT variklis gali milijonų vatų elektros energiją, kurią pagamina Saulės baterijos ar branduolinis šaltinis, paversti varomąja jėga,
gerokai viršijančia joninių ar Hall variklių pajėgumą. MPDT gali sukurti 15-60 km/sek. išmetimo greitį.
Be to, išmetimo greitis ir tankis gali būti lengvai valdomi reguliuojant elektros srovės stiprumą ar pateikiamų dujų kiekį.
Intensyvūs tyrinėjimai klausimų, susijusių su MPDT efektyvu ir gyvavimo
ciklu, kaip elektrodų erozija, plazmos nestabilumas ir energijos išsibarstymas
plazmoje, leido sukurti naujesnius ir efektyvesnius variklius, naudojančius ličio
ir berilio garus. Šie elementai lengvai jonizuojami, praranda mažiau energijos plazmoje ir leidžia katodui išlikti vėsesniam.
Akademinių sluoksnių ir NASA tyrinėtojai neseniai užbaigė MPDT-2 ličio variklį, kuris galėtų būti
įrengtas branduolinį šaltinį turinčiame kosminiame aparate, galintį gabenti sunkų krovinį į Mėnulį ir Marsą, o taip pat būti naudojamas tolimų skrydžių zonduose.
Tačiau tyrinėtojai vysto ir kitas nemažai žadančias koncepcijas, kurios šiuo
metu yra skirtingame paruošimo lygyje. Vieni jų yra pulsiniai varikliai, veikiantys trumpą laiką; kiti - pastoviai veikiantys. Vieni jų kuria plazmą
elektrodų sukeliama iškrova, kiti magnetine indukcija ar antenų sukeliamu spinduliavimu. Skiriasi ir plazmos greitinimo būdai: vienuose - Lorenco jėga,
kituose magnetinio lauko sukeltų elektros srovių dėka ar elektromagnetinėmis bangomis. Viename jų plazma išmetama per nematomas magnetines raketos žiotis.
Tačiau visais atvejais elektrinės raketos greitėja lėčiau nei įprastos. Ir vis
tik jos tolimą tikslą gali pasiekti gerokai greičiau ir didesniu greičiu. Todėl atsiranda galimybė rengti egzotiškesnes misijas, tarp kurių pasiūlyta
pavyzdžių parvežimas iš Saturno palydovo Titano, kuriame, kaip mano mokslininkai, atmosfera yra tokia, kokia buvo Žemėje labai tolimoje praeityje.
Dawn (Aušra) NASA kosminė stotis, 2007 m. išskridusi tirti dviejų (iš trijų)
protoplanetų asteroidų žiede: Vesta ir Cerera.
Pavadintas taip, kad tiria ankstyvosios Saulės sistemos aspektus. 2009 m. vasario 4 d. zondas pasiekė Marso orbitą ir pro jį praskrido vos 549 km
atstumu. 2011 m. pasiekė Vestą (čia dirbo iki 2012 m. rugpjūčio), o 2015 m. kovo 6 d. Cererą, kurios orbitoje iki šiol randasi (ir joje išsilaikys iki
21 a. vidurio) nors projekto dalyviai ir siūlė panaudoti kuro likučius skrydžiui iki asteroido 145 Adeona.
Zondas sukurtas Star 2 platformos (mažųjų geocentrinių palydovų) pagrindu ir yra cilindras ir grafitinio kompozito,
kurio viduje randasi bakai kurui: ksenonui joniniams varikliams ir hidrasino įprastiniams. Taip pat jo viduje yra
aliuminio panelės, prie kurių pritvirtinta didžioji dalis kitos įrangos. Vienoje korpuso pusėje pritvirtinta pagrindinė
antena, o kitoje Saulės baterijos. Jis neša ir 8×8 silicio plokštelę, kurioje įrašyti 365 tūkst. (užsiregistravusių)
Žemės gyventojų vardai. Apatinėje dalyje įrengti trys 33x30 cm ir 8,9 kg svorio joniniai NSTAR varikliai (pagal Deep
Space 1 pavyzdį) vienas palei ašį, o kiti priekinėje ir užpakalinėje panelėse. Jų veikimo principas greitinti
ksenono dujas elektriniame lauke iki 10 kartų didesnio greičio nei tai vyksta cheminiuose varikliuose. Jie gali suteikti iki 90 mN trauką.
Vestą pirmąkart nufotografavo 2011 m. gegužės 3 d., o rugpjūčio 2 d. perėjo į jos orbitą
16 tūkst. km atstumu, o vėliau nusileido iki 680 k, o tada ir iki 210 km. Padaryta apie 7000 nuotraukų, o VIR spektrometras atliko 15 tūkst.
kadrų, leidusių sudaryti nuodugnų geologinį Vestos žemėlapį.
2012 m. gauta pirma Cereros 27 pikselių nuotrauka. Gruodžio mėn. zondas jau buvo nusileidęs iki
385 km. Atliktas nuodugnus jos fotografavimas. Oficialiai misija baigta 2018 m. lapkričio 1 d. Per ją į Žemę atsiuntė apie 69 tūkst. nuotraukų.
\
Atgal prie gyvsidabrio?
6-ojo dešimtm. pradžioje JAV slaptos kosmoso programos ir
nacių skraidantys diskai naudojo gyvsidabrį ir kitus
galio grupės metalų junginius ypač stiprių elektrinių laukų generavimui. Anot senovės Indijos tekstų, vimanai
irgi naudojo gyvsidabrį (apie tai žr. >>>>>). Vis tik atrodo, kad šiuolaikinės idėjos
apie gyvsidabrio naudojimą nėra ypač pažangios, tačiau vis tik įdomios. Tai mums bando įteigti iliuziją apie spartų ir
elektrogravitacinių ir kitų pažangių technologijų progresą, - ir kurias pateisk kaip kažką visiškai nauja.
O jos tik tebuvo įslaptintos nacionalinio saugumo pretekstu. Ar tas progresas paspartės kai priartėsime 2020 m. prie kosminių pajėgų sukūrimo?
SpaceX jau daugelį metų kuria pakartotinio panaudojimo raketas, NASA žvalgosi, kur brangiausiai parduoti savo sielą, o
Rusijos startuolis kuria branduolinį variklį ateities raketoms. Tik per tas naująsias sroves galima ir nepastebėti vieno Silicio
slėnio startuolio, kuris nepelnytai nesulaukia jam tinkamo dėmesio.
Tai Apollo Fusion, raketoms kurianti traukos sistemas, kurios naudoja gyvsidabrį. Tai, be abejo, tikrai teikia vilčių. Tačiau
kiekvienas tokios raketos startas didina riziką, kad atmosferą užterš toksiškomis medžiagomis. Gyvsidabrio panaudojimo
idėja nėra nauja. NASA eksperimentavo su gyvsidabriu 7-ame dešimtmetyje SERT misijų
metu. Joniniuose varikliuose galingi magnetai dideliu greičiu išskraidindavo įelektrintas daleles, taip sukurdamos trauką.
Šiuolaikiniai joniniai varikliai naudoja kriptoną arba ksenoną. Pvz., neseniai (2018 m. lapkričio 1 d.) baigęs darbą Dawn
zondas naudojo ksenoninį variklį persikeliant asteroidų juostoje. O eksperimentinėse SERT misijoje palydovai naudojo gyvsidabrį.
Gyvsidabris gerokai sunkesnis už ksenoną ir kriptoną, tad jis aparatui gali suteikti didesnę trauką. Tačiau jis yra labai
nuodingas, tad NASA liovėsi jį naudojęs. Apollo Fusion bando sugražinti gyvsidabrio panaudojimą sukuriant pigius ir galingus joninius variklius
palydovams ir kosminiams zondams. Bet kartu sukurs pavojų, kad atmosfera gali būti užteršta o tada pasekmes pajusime mes visi.
*) Ernstas Stuhlingeris (Ernst Stuhlinger, 1913-2008) - vokiečių kilmės amerikiečių atomo, elektros
irraketų sričių mokslininkas, į JAV perkeltas Sąvaržėlės operacijos metu (1945) ir dirbo V.
von Brauno komandoje, o vėliau NASA (nuo 1960 m.).
Laisvalaikiu kūrė joninį traukosvariklį(Saulės laivą) ir parengė daug mokslinių eksperimentų, pvz., įrengiant ATM teleskopą Skylab stotyje.
Parašė Joninė trauka kosminiams (1964).
Karo metais buvo sužeistas prie Maskvos (1941) ir vėliau kariavo prie Stalingrado ir buvo vienas nedaugelio likusių gyvų, šaltą žiemą pėsčiomis
grįžęs į Vokietiją 1943 m., kur buvo paskirtas į Penemundės raketų tyrimų centrą. 6-me dešimtm. bendradarbiavo Walt Disney Pictures kuriant 3 filmus:
Žmogus kosmose (1955), Žmogus Mėnulyje (1955) ir Į Marsą ir už jo (1957).
**) SERT (Space Electric Rocket Test) - du NASA palydovai, skirti joninių variklių
išbandymui. Pirmąjį 1964 m. liepos 20 d. iškėlė Scout raketa ir jis turėjo du elektrinius variklius. Pirmasis
gyvsidabrio (Kaufmano) veikė per 30 min. Kitas, cezio tipo, nesuveikė. Antrasis SERT-II į 1000 km aukščio poliarinę orbitą
buvo iškeltas 1970 m. vasarį. Jo du gyvsidabriniai joniniai varikliai veikė ilgiau nei po 2000 val. Buvo pademonstruota apie 300 jų įjungimų.
Papildomai skaitykite:
Greičiau už šviesą!
Lenktynės kosmose
Galileo misija
Nusitaikant į žvaigždes
Kyla ultralengvieji
Antigravitacijos paieškos
Projektas Farside
Raketų eros ištakose
Svajokliai prieš imperiją
JAV antigravitacinė eskadrilė
Duokite mums Alcubierre pavarą
Tarpžvaigždinio skrydžio ir kontakto įvertinimas
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Kosmonautikos pergalės ir pralaimėjimai
Kokoni, Morisonas. Tarpžvaigždinio ryšio paieškos
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Kosmoso eskadrilės sutiktuvės?
Per meilės orgijas į žvaigždes
Siekiant plačiajuosčio ryšio
Dulkėtais tolimų planetų takais
Astronomija: Žymesnieji įvykiai (20 a.)
Kaip sukurti laiko mašiną?
Nesklandumai įsisavinant kosmosą
Keista Ciolkovskio filosofija
Atominio amžiaus vaikai
Išsigelbėjimo arkos
Privačiai į kosmosą
Aplenkęs savo laiką
Mūšis dėl Veneros
Holografinė visata
Nežinomi kosmonautai
Karai dėl telefono
Baikonūro tremtyje
Triukšmai
