Kategorie
Kosmologia

Zatoka Perska Układu Słonecznego

Zatoka Perska Układu Słonecznego

Dziś ziemska ekonomia opiera się głównie na ropie naftowej, którą transportuje się drogą morską z Zatoki Perskiej i Alaski za pomocą floty tankowców o napędzie spalinowym. W przyszłości mieszkańcy wewnętrznych obszarów Układu Słonecznego będą sprowadzali paliwo do reaktorów termojądrowych z zewnętrznego Układu Słonecznego statkami kosmicznymi napędzanymi tą samą, termojądrową mocą. Na razie trajektorie balistyczne, które osiągają rakiety o termicznym napędzie jądrowym lub o napędzie chemicznym, wystarczają do prowadzenia załogowych badań w wewnętrznych obszarach Układu Słonecznego i bezzałogowych poza nimi. W handlu międzyplanetarnym z gazowymi olbrzymami będziemy jednak potrzebowali znacznie szybszych środków transportu.

Reaktory termojądrowe spalające D-3He są świetnymi kandydatami na przyszły, bardzo zaawansowany napęd dla statków kosmicznych. Paliwo, które zużywają, ma największy stosunek energii do masy ze wszystkich występujących w przyrodzie i, co więcej, w przestrzeni kosmicznej próżnia potrzebna do przeprowadzenia reakcji dostępna jest w dowolnych ilościach. Praca silnika rakietowego wykorzystującego kontrolowaną reakcję termojądrową polegałaby na uwalnianiu plazmy z jednego końca pułapki magnetycznej, następnie na dodaniu do niej pewnej ilości wodoru, a na koniec na wyrzucaniu mieszaniny przez magnetyczną dyszę wylotową. Im więcej dodamy wodoru, tym większą otrzymamy siłę ciągu (ponieważ zwiększamy przepływ masy), ale mniejszą prędkość gazów wylotowych (gdyż dodawany wodór ma tendencje do obniżania temperatury układu). Przy podróżach do zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego wodór stanowiłby 95% materiału napędowego, a prędkość gazów odrzutowych wyniosłaby wtedy 250 km/s (impuls właściwy równy 25 tysiącom sekund, co w porównaniu z Isp rakiet chemicznych – 450 s – i rakiet o jądrowym napędzie termicznym – 900 s – jest świetnym wynikiem). Zanim jednak zaczniemy stosować reaktory termojądrowe do podróży kosmicznych, powstaną duże układy o elektrycznym napędzie jądrowym NEP, korzystające z konwencjonalnych reaktorów, i napęd jonowy, które również są w stanie osiągnąć Isp równy 25 tysięcy sekund. Z uwagi na złożoność układów konwersji elektrycznej, wymaganych w pojazdach NEP, statki te miałyby przypuszczalnie ośmiokrotnie większą masę niż systemy wykorzystujące reakcje termojądrowe, i dlatego podróż takimi układami trwałaby dwa razy dłużej. Gdybyśmy nie musieli dodawać wodoru, statki z napędem termojądrowym byłyby w stanie osiągnąć prędkość gazów odrzutowych rzędu 15 tysięcy km/s, czyli 5% prędkości światła! Mimo że siła ciągu wygenerowana przez rakietę spalającą D-3He byłaby zbyt niska, by latać w obrębie Układu Słonecznego, potężna prędkość wylotowa gazów umożliwiłaby podróżowanie do najbliższych gwiazd w czasie krótszym niż 100 lat.

Wydobywanie helu 3 z atmosfer gigantycznych planet gazowych to zadanie trudne, ale nie niemożliwe. Potrzebny będzie do tego oskrzydlony pojazd transatmosferyczny, który może wykorzystywać paliwo zawarte w atmosferze planety, podgrzewając je w reaktorze jądrowym, by wytworzyć ciąg. Taki statek kosmiczny nazwałem transatmosferycznym pojazdem o napędzie jądrowym spalającym lokalnie dostępne paliwo (NIFT, od ang. Nuclear Indigenous Fueled Transatmosferic vehicle). Po opuszczeniu bazy na którymś z księżyców planety NIFT przemierzałby atmosferę gazowego olbrzyma, oddzielając z niej hel 3, bądź spotykałby się w atmosferze z zawieszoną w niej stacją i odbierał gotowy ładunek. W obu wypadkach po odebraniu ładunku NIFT uzupełniłby zapasy ciekłego wodoru wydobywanego na planecie i opuścił jej atmosferę, odpalając silniki, by dostarczyć transport helu 3 do orbitującego tankowca zasilanego energią termojądrową, który z kolei, z pełną ładownią, leciałby w stronę wewnętrznego Układu Słonecznego.

Tabela. Podróże w zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego.

Tabela przedstawia podstawowe dane na temat transportu helu 3 z zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego. Podany czas lotu dotyczy podróży z Ziemi na daną planetę w jedną stronę, przy czym czas lotu po trajektorii balistycznej został określony dla orbit o minimalnym zużyciu energii. Czas lotu można skrócić za cenę większego zużycia paliwa (asysty grawitacyjne mogą co prawda pomóc, ale występują zbyt rzadko, by uwzględniać je w regularnym transporcie), ale byłby nadal o wiele za długi przy lotach na Saturna lub jeszcze dalej (a czas to pieniądz, czego nie zmieni nawet stosowanie w pełni zautomatyzowanych statków kosmicznych). Przedstawiony w tabeli czas lotu dla statków z jądrowym napędem elektrycznym (NEP) i napędem termojądrowym został obliczony przy założeniu, że 40% masy startowej statku na orbicie okołoziemskiej stanowi ładunek, 36% paliwo (na podróż w jedną stronę; statek uzupełnia paliwo lokalnie występującym wodorem w atmosferze planety), a 24% – silnik. Jowisz znajduje się znacznie bliżej’ Ziemi niż inne gazowe olbrzymy, ale ma tak potężną siłę przyciągania, że nawet przy wykorzystaniu bardzo dużej prędkości obrotowej na równiku prędkość wymagana do wyjścia na orbitę wynosi 29,5 km/s. NIFT jest, ogólnie rzecz biorąc, rakietą o termicznym napędzie jądrowym (NTR), w której prędkość gazów wylotowych wynosi 9 km/s, więc jeśli nawet założymy, że układ startujący z atmosfery Jowisza ma prędkość początkową równą 1 km/s, stosunek mas potrzebny do opuszczenia planety wyniósłby ponad 20. Nie jesteśmy w stanie zbudować rakiety spalającej wodór, której stosunek mas byłby większy niż 6-7. Dlatego wydobywanie helu 3 z Jowisza nie wchodzi w grę. Z drugiej strony, statki NIFT o stosunku mas równym 4 byłyby w stanie wznieść się z atmosfery Saturna, Urana lub Neptuna na orbitę wokół każdej z tych planet dzięki słabszej grawitacji i dużej prędkości obrotowej na ich równikach.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *