Omgaan met de zwaartekracht bij lanceringen in de ruimte is geen gemakkelijke taak. Conventionele raketten zijn erg duur, genereren veel puin en zijn in de praktijk erg gevaarlijk. Gelukkig staat de wetenschap niet stil en verschijnen er steeds meer alternatieve manieren die ons efficiëntere, goedkopere en veiligere manieren beloven om de ruimte te veroveren. Vandaag zullen we praten over hoe de mensheid in de toekomst de ruimte in zal vliegen.
Maar voordat we beginnen, moet worden opgemerkt dat chemische straalmotoren (CRM), die nu worden gebruikt als basis voor alle ruimtevaartlanceringen, een cruciaal instrument zijn voor de ontwikkeling van de ruimtevaartsector, dus het gebruik ervan zal nog tientallen jaren voortduren totdat er vond en, belangrijker nog, herhaaldelijk een technologie getest die in staat is om een pijnloze overgang te bieden naar een fundamenteel nieuw niveau van lanceringen en vluchten in de ruimte.
Maar nu al, wanneer de kosten van lanceringen honderden miljoenen dollars kunnen bedragen, wordt het duidelijk dat de HRD een doodlopende weg is. Neem als voorbeeld het nieuwste Space Launch System. Het is dit systeem dat door het ruimtevaartagentschap van NASA wordt beschouwd als de basis voor verkenning van de diepe ruimte. Deskundigen hebben berekend dat de kosten van één lancering van SLS ongeveer $ 500 miljoen zullen bedragen. Nu de ruimte niet alleen een zaak van staten is geworden, maar ook van particuliere bedrijven, worden er goedkopere alternatieven aangeboden. De Falcon Heavy van SpaceX kost bijvoorbeeld ongeveer $ 83 miljoen om te lanceren. Maar het is nog steeds erg, erg duur. En we hebben het nog niet over de kwestie van de milieuvriendelijkheid van lanceringen in de ruimte op basis van de CRD, die zonder twijfel aanzienlijke schade toebrengen aan het milieu.
Het goede nieuws is dat wetenschappers en ingenieurs al alternatieve manieren en methoden voor lanceringen in de ruimte voorstellen, en sommige van hen hebben het potentieel om de komende decennia effectieve technologieën te worden. Al deze alternatieven kunnen worden samengevat in verschillende categorieën: alternatieve soorten jetlanceringen, stationaire en dynamische transportsystemen en uitwerpsystemen. Ze verenigen natuurlijk niet alle voorgestelde ideeën, maar in dit artikel zullen we de meest veelbelovende analyseren.
Alternatieve soorten jetlanceringen
Stuwkracht van laserstralen
Omleiding van de plasmastroom om de stuwkracht te vergroten
Promotie video:
De raketten die tegenwoordig worden gebruikt, hebben enorme hoeveelheden vaste of vloeibare drijfgassen nodig, en meestal worden hun bereik en effectiviteit beperkt door hoeveel van die brandstof ze kunnen vervoeren. Er is echter een optie die deze beperkingen in de toekomst zal overwinnen. De oplossing kan zijn speciale laserinstallaties die raketten de ruimte in sturen.
De Russische natuurkundigen Yuri Rezunkov van het Instituut voor de Ontwikkeling van Opto-elektronische Instrumenten en Alexander Schmidt van het Ioffe Physicotechnical Institute hebben onlangs het proces van "laserablatie" beschreven, waarbij de stuwkracht van een vliegtuig zou worden gegenereerd met behulp van laserstraling die wordt gegenereerd door een laserapparaat buiten het ruimtevaartuig. Door blootstelling aan deze straling zal het materiaal van het ontvangende oppervlak worden verbrand en zal er een plasmastroom ontstaan. Deze stroom zorgt voor de nodige stuwkracht die het ruimtevaartuig kan versnellen tot snelheden die tientallen keren hoger zijn dan de geluidssnelheid.
Als we al het fantastische karakter van deze methode weglaten, voordat we een dergelijk systeem maken, moeten twee problemen worden opgelost: de laser moet in dit geval ongelooflijk krachtig zijn. Zo krachtig dat het letterlijk metaal kan verdampen over een afstand van honderden kilometers. Vandaar nog een probleem: deze laser kan worden gebruikt als wapen om andere ruimtevaartuigen te vernietigen.
Stratosferische lanceringen en ruimtevaartuigen
Minder conceptueel en realistischer lijkt de methode om ruimtevaartuigen te lanceren met behulp van speciale krachtige lastdragende luchttrekkers.
Wie zei dat de methode van Virgin Galactic alleen kan worden gebruikt voor ruimtetoerisme? Het bedrijf is van plan om zijn LauncherOne-apparaat te gebruiken als transportsysteem om compacte satellieten met een gewicht tot 100 kilogram in de baan van de aarde te lanceren. Gezien de snelheid waarmee ruimtesystemen nu worden geminiaturiseerd, is het idee erg interessant.
Andere voorbeelden van een lanceersysteem zijn het XCOR Aerospace Lynx Mark III-ruimtevaartuig (hierboven afgebeeld) en het Orbital Sciences Pegasus II-ruimtevaartuig (hieronder afgebeeld).
Een van de voordelen van ruimtelanceringen vanuit het luchtruim is dat raketten niet door een zeer dichte atmosfeer hoeven te reizen. Als gevolg hiervan zal de belasting van het apparaat zelf afnemen. Bovendien is het vliegtuig veel gemakkelijker te starten. Het is minder gevoelig voor atmosferische weersveranderingen. Uiteindelijk opent de functie van dergelijke lanceringen meer mogelijkheden in termen van de selecteerbare schaal.
Ruimtevliegtuigen zijn een andere optie. Deze herbruikbare vliegtuigen zullen vergelijkbaar zijn met de gepensioneerde shuttle en Buran, maar in tegenstelling tot de laatste, hebben ze geen grote lanceervoertuigen nodig om in een baan om de aarde te lanceren. Een van de meest veelbelovende en geavanceerde projecten in dit opzicht is het Britse ruimtevliegtuig British Skylon (hierboven afgebeeld) - een eentrapsvliegtuig om in een baan om de aarde te komen. De straalstuwkracht van het ruimtevaartuig wordt opgewekt door twee luchtstraalmotoren, die hem versnellen tot een snelheid die 5 keer hoger is dan de geluidssnelheid en hem naar een hoogte van bijna 30 kilometer brengen. Dit is echter slechts 20 procent van de vereiste snelheid en hoogte die nodig is voor een ruimtewandeling, dus het ruimtevliegtuig zal overschakelen naar de zogenaamde "raketmodus" na het bereiken van het hoogteplafond.
Helaas zijn er nog veel technologische problemen op weg naar de uitvoering van dit project die nog moeten worden opgelost. Zo wordt verwacht dat ruimtevliegtuigen een ongeplande verandering in hun opstijgbaan ondergaan als gevolg van hoge dynamische drukken en extreme temperaturen die onvermijdelijk de meest gevoelige delen van het vliegtuig zullen treffen. Met andere woorden, dergelijke ruimtevliegtuigen kunnen gevaarlijk zijn.
Een ander voorbeeld van ruimtevliegtuigen in ontwikkeling is de Dream Chaser, ontwikkeld door de Sierra Nevada Corporation voor NASA's ruimtevaartagentschap (zie foto hierboven).
Stationaire en dynamische transportsystemen
Als het geen vliegende machines zijn, dan zijn enorme constructies die tot ongelooflijke hoogten of zelfs recht de ruimte in reiken de oplossing.
Geoffrey Landis, een wetenschapper en sciencefictionschrijver, kwam bijvoorbeeld met het idee om een gigantische toren te bouwen, waarvan de top de grenzen van de aardatmosfeer zou bereiken. Het bevindt zich ongeveer 100 kilometer boven het aardoppervlak en kan worden gebruikt als lanceerplatform voor conventionele raketten. Op deze hoogte hebben raketten praktisch geen last van de impact van de aardatmosfeer.
Een andere constructieoptie die de aandacht heeft getrokken van veel vertegenwoordigers van de wetenschappelijke en pseudo-wetenschappelijke gemeenschappen, is de ruimtelift. In feite dateert dit idee uit de 19e eeuw. De moderne versie stelt voor om een zware kabel uit te rekken tot een hoogte van 35.400 (wat verder is dan de locatie van de meeste communicatiesatellieten) kilometer boven het aardoppervlak. Na het uitvoeren van al het nodige balanceren op de kabel, wordt voorgesteld om de transportvoertuigen op lasertractie met een lading op te starten.
Illustratie van een ruimtelift op Mars
Het idee van ruimteliften heeft inderdaad het potentieel om een echte revolutie teweeg te brengen in het ruimtetransport naar een baan om de aarde. Maar het zal heel moeilijk zijn om dit idee in het echte leven te vertalen. Het zal lang duren voordat wetenschappers een materiaal hebben gemaakt dat het gewicht van zo'n constructie kan dragen. De opties die worden overwogen, zijn nu koolstofnanobuisjes, of liever structuren op basis van microscopisch kleine diamanten vervlechtingen met ultradunne nanovezels. Maar zelfs als we een manier vinden om een ruimtelift te bouwen, lost dat niet alle problemen op. Gevaarlijke trillingen, intense trillingen, botsingen met satellieten en ruimtepuin zijn slechts enkele van de taken die moeten worden uitgevoerd.
Een ander voorgesteld alternatief zijn gigantische "orbitale vliegwielen". Vliegwielen zijn roterende satellieten met lange kabels die in twee verschillende richtingen divergeren, waarvan de uiteinden tijdens de rotatie in contact komen met de atmosfeer van de planeet. In dit geval zal de rotatiesnelheid van de constructie de omloopsnelheid gedeeltelijk of volledig compenseren.
Het Orion's Arm-portaal legt uit hoe ze werken:
“Op het onderste deel van de kabel, vlakbij een planeet ter grootte van de aarde, komt een dockingplatform op een hoogte van 100-300 kilometer boven het oppervlak (terwijl de lengte van de kabels vanaf het midden van het vliegwiel enkele duizenden kilometers zal zijn). Deze hoogte is gekozen omdat hier het effect van de atmosfeer op het "vliegwiel" zelf zal worden geminimaliseerd, evenals de zwaartekrachtverliezen van de docking shuttles zullen worden geminimaliseerd. Het aanmeren vindt plaats bij zeer lage snelheden van zowel het vliegwiel zelf als de koppelingsshuttle, meestal op het hoogtepunt van het parabolische suborbitale traject dat door het draagraket is ingesteld. In dit geval zal de shuttle relatief onbeweeglijk zijn ten opzichte van het "vliegwiel" en kan hij worden opgevangen door een speciale haak en vervolgens naar de docking lock of landingsplatform worden getrokken. Voor een correcte positionering in een baan, zullen de "vliegwielen" thrusters gebruiken."
Omdat de vliegwielen zich volledig in de ruimte zullen bevinden, niet aan de aarde, zullen ze niet dezelfde fysieke belasting hoeven te ondergaan als de ruimtelift, dus dit idee kan uiteindelijk meer haalbaar blijken te zijn.
Als het gaat om dynamische structuren, beschrijft Popular Mechanics ten minste twee hoofdopties:
“Constructies zoals de 'ruimtefontein' en 'Lofstrom's loop' zullen hun structurele integriteit behouden vanwege elektrodynamische effecten of impulsen van bewegende delen binnenin, evenals vracht en passagiers die in een baan om de aarde gaan. Rotovators lijken een interessanter concept te zijn. Dit idee stelt de constructie voor van een grote orbitale structuur met een ketting die roteert in het vlak van de baan, zodat op het punt van de cirkel dat het dichtst bij de aarde ligt, de snelheid van het uiteinde van de ketting ten opzichte van het midden tegengesteld is aan de omloopsnelheid. Aldus kan de kabel, die het minimum passeert, het gewenste object, dat een lagere snelheid heeft dan het eerste kosmische object, oppikken en het loslaten op het punt van de maximale afstand met een snelheid die al groter is dan het eerste kosmische”.
Het ziet er ongeveer zo uit als de "gif"
Een ander alternatief voor de ruimtekabel en lift is een verticale opblaasbare toren die 20-200 kilometer hoog kan worden. Het door Brendan Quinn en zijn collega's voorgestelde ontwerp zal op de top van de berg worden geplaatst en zal perfect zijn voor atmosferisch onderzoek, installatie van televisie- en radiocommunicatieapparatuur, lanceringen van ruimtevaartuigen en toerisme. De toren zelf wordt gerealiseerd op basis van meerdere pneumatisch extern aangestuurde schuifsecties.
“Door een toren te kiezen, worden de problemen van de ruimtelift voorkomen. Het gaat om de sterkte van een bouwmateriaal dat geschikt is om in de ruimte te werken, de moeilijkheid om een kabel van minstens 50.000 kilometer lang te produceren en de dreiging van meteorieten in een lage baan om de aarde aan te pakken”, aldus de onderzoekers die het torenontwerp voorstelden.
Om hun idee te testen, bouwden ze een torenmodel van 7 meter met zes modules, elk gebaseerd op drie buizen die rond een cilindrisch compartiment gevuld met lucht waren geïnstalleerd.
Interessant is dat een vergelijkbare technologie kan worden gebruikt bij de constructie van de "ruimtepier", voorgesteld door John Storrs Hall. Volgens dit concept wordt voorgesteld om een constructie op te richten van 100 kilometer hoog en 300 kilometer lang. Met deze opstelling beweegt de lift rechtstreeks naar het startpunt. De lancering van de lading in een baan om de aarde zal plaatsvinden met een versnelling van slechts 10 g.
“ Deze hybride optie negeert de nadelen van de voorgestelde opties met een orbitale toren (de grootte van de pier is veel kleiner, daarom is het gemakkelijker te bouwen) en de moeilijkheden die zullen moeten worden geconfronteerd met elektromagnetische lanceringen (de dichtheid en weerstand van lucht op een hoogte van 100 kilometer is een miljoen keer minder dan op het niveau zee),”zegt Hall.
Catapult-systemen
Als alle voorgestelde ideeën voor de gemiddelde lezer nogal sciencefiction lijken, dan liggen de volgende veel dichter bij de realiteit dan ze op het eerste gezicht lijken. Een ander alternatief voor raketlanceringen zijn katapultsystemen, waarbij ruimtevaartuigen als een kanon de ruimte in worden gelanceerd.
Het ligt voor de hand dat in dit geval de last zelf ontworpen zal moeten worden voor de impact van extreme krachten. Katapultsystemen kunnen echter een echt effectief hulpmiddel worden om een lading de ruimte in te sturen, waar deze wordt opgepikt door ruimtevaartuigen die zich daar bevinden.
Catapult-systemen kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdtypen: elektrisch, chemisch en mechanisch.
Elektrisch
Dit type omvat railguns of elektromagnetische katapulten, die werken volgens het principe van elektromagnetische versnellers. Tijdens de lancering wordt het ruimtevaartuig op speciale geleiderails geplaatst en met een magnetisch veld scherp versneld. In dit geval is de versnellingskracht voldoende om het apparaat uit de atmosfeer van de aarde te halen.
Het ontwerpkenmerk van dergelijke systemen maakt ze echter erg massief en duur om te bouwen. Bovendien zullen dergelijke systemen een enorme hoeveelheid elektriciteit verbruiken. Ondanks hun kracht zullen elektromagnetische katapulten nog steeds het hoofd moeten bieden aan enkele van de problemen die verband houden met de zwaartekracht en de dichte atmosfeer van de aarde. Als ze worden gebruikt, is de kans groter op planeten met een lagere zwaartekracht en een ijle atmosfeer.
Chemisch
Het stelt voor om objecten de ruimte in te lanceren met behulp van enorme kanonnen die worden aangedreven door een brandbaar gas zoals waterstof. Zoals bij elk uitwerpsysteem, zal de lading die de ruimte in wordt gestuurd tijdens de lancering echter grotere ladingen moeten ondergaan. Bovendien kunnen dergelijke systemen niet worden gebruikt om mensen de ruimte in te sturen. Bovendien zou er extra uitrusting moeten worden gebruikt om vracht, zoals compacte satellieten, in een permanente baan om de aarde te brengen. Anders zal het gelanceerde object, dat de maximale hoogte heeft bereikt, eenvoudig terugvallen op de aarde.
HARP-project (onderzoeksproject op grote hoogte). Dit kanon vuurde een Martlet-2 raketprojectiel af tot een hoogte van 180 kilometer. Het record wordt nog steeds gehouden
De logische ontwikkeling van het HARP-project was het SHARP-project (Super High Altitude Research Project). In de jaren 90 van de vorige eeuw voerden onderzoekers van het Lawrence Livermore Lab een demonstratie uit van de lancering van projectielen met een snelheid van 3 kilometer per seconde (hoewel niet in hoogte, maar op de grond). Uiteindelijk kwamen wetenschappers tot de conclusie dat voor de constructie van een echt werkend exemplaar van een dergelijk wapen minstens $ 1 miljard nodig zou zijn. Het beeld werd ook verdikt door het feit dat de wetenschappers de geplande projectielsnelheid van 7 kilometer per seconde niet haalden.
Mechanisch
Mechanische pistolen kunnen dienen als alternatief voor elektromagnetische en chemische pistolen. Toegegeven, het is niet helemaal correct om dergelijke systeembeweren te noemen. Het is eerder een soort katapult. Een voorbeeld is het Slingatron-project van HyperV Technologies Corp. Het systeem zelf is een spiraalvormige holle structuur binnenin. Een object dat in de spiraal is geplaatst, wordt versneld door de hele constructie rond een vast punt te draaien.
In theorie is de slingatron in staat om voor de nodige versnelling te zorgen. Zoals de ontwikkelaars zelf aangeven, is het systeem echter niet geschikt om mensen en grote ladingen in een baan om de aarde te lanceren. Maar deze methode zou kunnen worden gebruikt om kleine ladingen de ruimte in te sturen, zoals watervoorraden, brandstof en bouwmaterialen.
Een volledige weergave van de slingatron zou er ongeveer zo uitzien
Hoe ziet de toekomst er echt uit?
Het is buitengewoon moeilijk te voorspellen wat het antwoord op deze vraag zal zijn. Onverwachte technologische ontdekkingen en de effecten die erdoor worden gecreëerd, kunnen ertoe leiden dat alle opties voor raketloze ruimtelanceringen die vandaag worden overwogen, op één lijn worden gebracht met efficiëntie. Nu is dit niet het geval, zoals in ieder geval blijkt uit de vergelijkende tabel hier.
Neem het potentieel van moleculaire assemblagetechnologie als voorbeeld. Zodra we dit gebied onder de knie hebben, hoeven we niets meer de ruimte in te lanceren. We zullen simpelweg asteroïden in het zonnestelsel vangen en van hen (of liever de nuttige materialen die erin zitten) creëren wat we willen in de ruimte. Het meest interessante is dat vooruitgang in deze richting vandaag al zichtbaar is. NASA-astronaut Barry Wilmore had bijvoorbeeld ooit een compacte verstelbare sleutel nodig. Het lijkt erop, wat is het probleem - naar de dichtstbijzijnde gereedschapswinkel gaan? Alleen de dichtstbijzijnde gereedschapsmagazijn was op dat moment niet naast Wilmore, aangezien de astronaut aan boord van het internationale ruimtestation was!NASA kwam netjes uit de situatie - het stuurde een e-mail naar het ISS met een diagram van de vereiste sleutel en bood Wilmore aan om het zelf af te drukken op een 3D-printer aan boord. Dit is slechts één voorbeeld dat laat zien dat we in relatief korte tijd helemaal niets de ruimte in hoeven te lanceren. Alles wordt al op zijn plaats gemaakt.
Wat betreft de benodigde middelen, ook dit zal geen probleem meer zijn. De asteroïdengordel zit vol met het benodigde materiaal: het volume is bijna de helft van de massa van onze maan. Op een dag zullen we tot de conclusie komen dat een hele zwerm "Philae" -achtige ruimtesondes gewoon op de volgende asteroïde of meteoriet zal landen en er minerale bronnen op zal produceren. NASA wil de eerste dergelijke missie in 2020 uitvoeren. Het is de bedoeling om een kleine asteroïde te vangen, deze in een stabiele maanbaan te brengen en daar astronauten op te laten landen, die de kasseien in de ruimte kunnen bestuderen en zelfs interessante bodemmonsters kunnen verzamelen.
Mensen de ruimte in krijgen is een ander probleem, vooral als je bedenkt dat er in de toekomst plannen zijn om massaal mensen de ruimte in te sturen. Sommige van de voorgestelde ideeën, zoals de ruimtelift, werken misschien wel. Maar alleen als we het niet hebben over de verovering van de diepe ruimte. Daarom zullen we in deze kwestie lange tijd moeten vertrouwen op traditionele raketlanceringen. Hun ideeën worden al geuit, zowel op staatsniveau als in de privésfeer. Neem opnieuw dezelfde Elon Musk met zijn Mars-kolonisatieproject.
We moeten ook rekening houden met het feit dat het menselijk lichaam niet echt is ontworpen voor een heel lang verblijf in de ruimte. Daarom kunnen robots, totdat we tot effectieve technologieën komen die kunstmatige zwaartekracht creëren, een gedeeltelijke oplossing voor dit probleem worden. Robots kunnen de ruimte in worden gestuurd en op afstand worden bediend vanaf de aarde met behulp van augmented of virtual reality.
Robots hebben een reële kans om de sleutel te zijn tot het starten van onze diepe verkenning van de ruimte. Het is heel goed mogelijk dat we in de verre toekomst zullen leren hoe we onze hersenen kunnen digitaliseren en deze informatie kunnen verzenden naar supercomputers aan boord van afgelegen ruimtestations, waar het zal worden geladen in een verscheidenheid aan robotachtige avatars, waarmee we ons een weg banen naar de verre grenzen van de ruimte.
NIKOLAY KHIZHNYAK
