TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

Daleki svemir / Moguće tehnike pogona leta kroz duboki svemir

Kako do međuzvezdanih putovanja

Međunarodna unija za telekomunikacije definiše da „duboki svemir” počinje na udaljenosti od 2 miliona km (približno 0,013 AJ) od Zemlje, dok je za američku agenciju NASA duboki svemir prostor na udaljenosti od 16.000 do 32.000 km od Zemlje. Fizičko istraživanje dubokog svemira do sada je realizovano pomoći robotizovanih sondi koje su prošle pored spoljnih planeta Sunčevog sistema (od Jupitera do Plutona), a potom su neke odletele i izvan granica Sunčevog sistema.

Putovanje letelica između zvezda (međuzvezdano putovanje) je daleko teže za realizaciju od međuplanetarnih letova jer su, zbog njihovog međusobnog rastojanja, za putovanje od jedne do druge zvezde potrebne brzine bliske brzini svetlosti (relativističke brzine) da bi ono moglo da se realizuje za nekoliko desetina godina ili čak milenijuma, zavisno od brzine letelice. Za putovanje do nama najbliže zvezde Alfa Kentauri, koja se nalazi na rastojanju od 4,3 s.g. odnosno 272.000 AJ, potrebno je oko 100 godina ako bi se letelica kretala brzinom od 10.000 km/s (nešto više od 3% brzine svetlosti) što je sa postojećim pogonima neizvodljivo postići. Putovanje svemirom između galaksija (međugalaktičko putovanje) je još zahtevnije sa tehnološke tačke gledišta zbog ogromnih udaljenosti između galaksija koje su, u proseku, milionima puta veće od udaljenosti između zvezda. Recimo, galaksija Andromeda, najbliža našoj galaksiji Mlečni put, udaljena je 2,5 miliona svetlosnih godina od Zemlje.
Istraživanjem dubokog svemira se bave posebne grane astronomije, astronautike i kosmičke tehnike, pri čemu je istraživanje pomoću sondi ograničeno na prostor izvan granica Sunčevog sistema bez mogućnosti da se dođe do najbližih zvezda jer bi im, pri trenutnim brzinama, za to trebalo više desetina hiljada godina. Kako pogon današnjih svemirskih letelica zasnovan na hemijskoj reakciji čvrstih ili tečnih goriva i oksidatora u raketnom motoru ni približno ne može da razvije potrebne brzine, napredak u međuplanetarnim putovanjima će biti moguć kada se ostvari tehnološki prodor prema drugim vrstama raketnog pogona, posle čega se mogu očekivati i letelice sa ljudskom posadom (kosmonautika dubokog svemira). Tehnologija potrebna za putovanje između galaksija je trenutno daleko van domašaja čovečanstva, i u domenu je spekulacija, hipoteza i naučne fantastike.
Ruski naučnik Ciolkovski je, krajem 19. veka, raketnom jednačinom definisao teoriju kretanja rakete izvan nekog gravitacionog polja, čime je prvi put dokazano da se rakete mogu koristiti za letove u kosmos. Raketna jednačina Ciolkovskog je matematička jednačina koja opisuje kretanje rakete kao tela promenjive mase koje može da ubrza svoje kretanje koristeći potisak nastao izbacivanjem dela svoje mase velikom brzinom da bi se tako održalo takvo kretanje.

Raketna jednačina Ciolkovskog ograničava brzinu kretanja bilo koje rakete na brzinu isticanja i odnos početne i krajnje mase rakete. U dosadašnjim raketnim motorima su se za pogon najčešće koristila hemijska raketna goriva koja, pri sagorevanju u komori, stvaraju gasove visoke temperature koji su pod visokim pritiskom (10-200 bara). Ovi gasovi pri isticanju kroz profilisani mlaznik dostižu nadzvučnu brzinu i tako stvaraju silu reakcije (potisak) usmerenu suprotno od smera isticanja gasa. Iz jednačine proizlazi da bi postizanje brzine rakete koja je nekoliko puta veća od brzine izduvnih gasova iz raketnog motora brzo postalo nepraktično pošto to zahteva da masa korisnog tereta i rakete bez goriva bude ispod 10% mase cele rakete sa gorivom. Za duže misije kao što su međuplanetarna putovanja i letovi u duboki kosmos, bilo da su sa ili bez ljudske posade, potreban je razvoj novih vrsta pogona koji bi omogućili da se putuje mnogo brže dok bi potrošnja goriva bili u prihvatljivim granicama.

Nuklearno-termalni pogon

Kod nuklearno-termalnog pogona (NTP) toplota oslobođena iz nuklearne fisije se koristi za zagrevanje pogonskog materije, najbolje tečnog vodonika koji se čuva na niskim temperaturama. Vodonik se u nuklearnom reaktoru greje do oko 2.500°C i u gasovitom obliku izlazi kroz mlaznik, gde se širi i tako stvara potisak. Zbog male molekularne mase, dobija se veća brzina izlaznih gasova, a time i propulzivna efikasnost sa specifičnim impulsom reda dvostruko većim u odnosu na klasične motore sa pogonom na hemijska goriva sa najboljim odnosom tečnog vodonika/kiseonika, čak i ako se uračuna težina reaktora. To omogućava značajno smanjenje ukupne bruto mase ovakve rakete do oko polovine rakete sa pogonom na hemijska goriva i, kada se koristi kao pogon u poslednjem stepenu rakete, može da udvostruči ili utrostruči korisnu nosivost tereta koju raketa prevozi u orbitu. Nuklearno-termalni raketni motori se mogu podeliti u zavisnosti od faze (agregatnog stanja) nuklearnog goriva i konstrukcije reaktora u raketnom motoru, od već realizovanih reaktora sa čvrstim jezgrom do mnogo složenijih, ali efikasnijih reaktora sa gasnim jezgrom koji se tek razvijaju. Kod svih konstrukcija, specifični impuls je proporcionalan kvadratnom korenu temperature na kojoj se radni fluid (reakciona masa) zagreva, pa je samim tim najefikasnija konstrukcija ona kod koje se može ostvariti najviša moguća temperatura. Kod ovih motora se dobijaju manje brzine izduvnih gasova u poređenju sa pogonima opisanim u nastavku, i stoga su manje atraktivna rešenja. I pored toga, ovakav motor sa vodonikom kao pogonskom materijom je u stanju da ostvari specifični impuls u rasponu 850-1.000 sekundi, što je dva puta veće od onog koji ostvari glavni motor na „spejs-šatlu“. 

Fuzioni pogon

Ovaj pogon koristi energiju dobijenu nuklearnom fuzijom, gde jezgra lakih elemenata (deuterijum, tricijum ili izotop helijuma) spajanjem formiraju jedno teže jezgro. Pri tome se stvara ogromna temperatura (veća od sto miliona stepeni) i mnogo veća energija nego kod fisione reakcije, uz mnogo manju opasnost od radijacije. Oslobođena energija se koristi za zagrevanje pogonskog goriva (kao što je deuterijum koji se istovremeno koristi i za fuzionu reakciju) koje se pretvara u plazmu koja izlazi kroz mlaznik rakete i stvara potisak. Iako je sama fuzija energetski mnogo povoljnija od fisije, pa se u teoriji mogu postići brzine daleko veće od onih koje su potrebne za istraživanje Sunčevog sistema, zbog brojnih tehničkih problema očekuje se da raketni motori sa ovim pogonom budu korišćeni tek posle 2050. godine.

Nuklearni pulsirajući pogon

Nuklearni pulsirajući pogon (ili spoljni pulsirajući plazma pogon) predstavlja hipotetičku metodu kretanja kosmičke letelice koja bi za svoj pogon koristila uzastopne eksplozije niza nuklearnih (fisionih ili fuzionih) bombi iza letelice, na čijim bi se udarnim talasima kretala. Krajem 1950-ih počela je da se razvija konstrukcija ovakvog pogonskog sistema letelice pod nazivom „orion“, da bi 1959. godine bile izvršene probe sa konvencionalnim hemijskim eksplozivom, sa kojima su izazivane usmerene eksplozije iza velike čelične potisne ploče koja je bila pričvršćena na model letelice zajedno sa apsorberima udara. Udarni talas izazvan eksplozijom je udarao o donju stranu potisne ploče dajući snažan potisak koji je povećao brzinu kretanja letelice sa specifičnim impulsom od oko 6.000 sekundi (što je oko dvanaest puta veće nego kod glavnog motora na „spejs-šatlu“). Proračuni su pokazali da bi pogon sa nuklearnim eksplozijama mogao dostići teorijski impuls od 100.000 sekundi i da bi, korišćenjem tada raspoloživih materijala, mogli biti izgrađeni kosmički brodovi čija je težina veća od nekoliko hiljada tona. Ovakva letelica bi stigla od Zemlje do Saturna za sedam meseci u poređenju sa sadašnjih devet godina za letelice koje koriste hemijski raketni pogon. Sistem je bio potpuno operativan kada je projekat obustavljen 1963. godine, posle potpisivanja Ugovora o zabrani nuklearnih testova u atmosferi, svemirui pod vodom.

Električni pogon

Električni pogon koristi spoljni izvor kao što je nuklearni reaktor (nuklearno-električni pogon-NEP) ili solarne ćelije (solarno-električni pogon-SEP) da generiše električnu energiju. Električna energija prvo zagreje radni fluid (pogonsko gorivo, najčešće ksenon) koji se pretvori u naelektrisane čestice, a zatim se koristi za napajanje odgovarajućeg uređaja koji stvara električno i/ili magnetno polje, zbog čega se ovi motori nazivaju i jonski motori. Iako polje ubrzava jone iz goriva do veoma velikih brzina, daleko veće od onih koje se postižu pri hemijskim reakcijama, zbog ograničene mase uređaja, oni pri izlasku iz mlaznika stvaraju mali potisak - ali u dužem vremenskom periodu. Kod električnog pogona postoje razlike u načinu na koji postižu ubrzanje naelektrisanih čestica, pre svega u vrsti sile koja se koristi za ubrzanje (elektrostatička ili Lorencova sila). Električni raketni motori se razlikuju i u vremenu rada jer će neki raditi duže vreme (neprekidno), a drugi će raditi povremeno u određenim razmacima-impulsima (nestabilno). Neki električni motori nemaju izlazni mlaznik za usmeravanje brzine izduvnih gasova, što ih razlikuje od konvencionalnih raketnih motora iako oba koriste princip akcije-reakcije za postizanje kretanja unapred.

Električni pogon se deli na tri tipa: elektrostatički, elektrotermalni i elektromagnetni. Kod elektrostatičkog pogona, pozitivno naelektrisane čestice kao što su katjoni (ili koloidne čestice) se ubrzavaju u statičkom električnom polju pomoću Kulonove sile, stvarajući potisak. Tipična pogonska goriva za elektrostatičke motore su inertni gasovi kao što su argon i ksenon. Elektrostatički pogon obuhvata: rešetkaste elektrostatičke jonske motore, elektrostatički pogon sa emisijom polja (field emission electric propulsion-FEEP) i koloidne (elektrosprej) motore. Kod elektrotermalnog pogona se elektromagnetno polje koristi za termičko zagrevanje pogonskog goriva do stanja plazme, koja se posle ubrzava kroz čvrsti ili magnetni mlaznik, što povećava kinetičku energiju čestice. Tipična goriva uključuju materijale male molekularne težine kao što su vodonik, helijum i amonijak. Postoje različiti tipovi elektrotermalnih motora: jednosmerni elektrolučni motor, mikrotalasni elektrolučni motor, impulsni plazma motor i helikonski dvoslojni motor. Kod elektrodinamičkog (magneto-plazma-dinamičkog) pogona pozitivno naelektrisani joni se ubrzavaju ili Lorencovom silom ili elektromagnetnim poljem koje ne mora biti u pravcu ubrzanja, ali dovodi do toga da se čestice ubrzavaju izvan ravni ukrštenih polja.

U pogon sa elektromagnetnim poljem spadaju: plazma motor bez elektrode, motor sa Holovim (Hall) efektom, magnetni plazma-dinamički motor, impulsni plazma motor i motor na magneto-plazmu sa promenljivim specifičnim impulsom (od: Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket –VASIMR, poznato i kao plazma raketa). Motor sa Holovim efektom je kombinacija elektrostatičkog i elektromagnetnog motora jer se joni ksenona ubrzavaju elektrostatičkim poljem, a samo elektrostatičko polje se generiše pomoću elektrona u interakciji sa magnetnim poljem. Ksenon se koristi zbog efikasnosti kojom se može jonizovati, a zatim ubrzati u elektrostatičkom polju za stvaranje potiska.
Motori na hemijska raketna goriva mogu da ostvare veliki potisak, ali pri tome gorivo troše tako brzo da mogu da rade samo nekoliko sekundi ili minuta.Ovo je dovoljno za podizanje tereta i ljudi u orbitu ali je neadekvatno za duža putovanja (van sistema Zemlja-Mars). Električni raketni motori, zbog malog potiska, ne mogu da ostvare velika ubrzanja, pa se ne mogu koristiti za poletanje raketa sa Zemlje, ali su već korišćeni u svemiru za promenu orbite i precizno podešavanje pozicije satelita (počev od 1971. godine, lansirano je preko 240 satelita sa ovom vrstom pogona). Zbog svoje ekonomičnosti u korišćenju reakcione mase, oni mogu neprekidno da rade duže vreme (danima ili nedeljama), pa rakete sa tim pogonom mogu dostići mnogo veće brzine od raketa na hemijska goriva što omogućava da se koriste i za letove u dubokom svemiru. Ovi motori su i najefikasniji raketni motori koji se danas koriste u svemiru jer su oko deset puta ekonomičniji od konvencionalnih raketnih motora na hemijska goriva.

Solarni termalni pogon

Solarni termalni pogon je hipotetički metod za pogon raketa u svemiru koji bi koristio solarnu energiju u obliku koncentrisane sunčeve svetlosti za direktno zagrevanje pogonskog goriva i stoga ne bi zahtevao električni generator kao što je to kod većine drugih vrsta solarnog raketnog pogona. Za hvatanje sunčeve energije koristio bi se sistem ogledala i sočiva koja bi koncentrisala sunčevu svetlost, pa bi nastala toplota zagrevala radni fluid (obično vodonik) do visoke temperature i on bi se, u gasovitom obliku, širio kroz konvencionalni mlaznik i stvorio potisak. Potisak motora bi bio direktno povezan sa površinom solarnog kolektora i sa lokalnim intenzitetom sunčevog zračenja, ali bi bio mali pa se ovaj pogon ne bi mogao koristiti za poletanje raketa sa Zemlje već samo za letove u svemiru. Iako je solarni termalni pogon dugotrajan, jeftin i efikasan sistem koji koristi sunčevu svetlost kao negraničeni izvor energije u svemiru, ovaj pogon bi imao ograničenu mogućnost rada daleko od Sunca.

Solarno, lasersko i mikrotalasno jedro

Solarno jedro je tehnika pogona svemirskih letelica koja se zasniva na efektu da svetlost, reflektovana od neke površine, vrši pritisak na samu površinu. Svetlost se sastoji od čestica koje se nazivaju fotoni koji nemaju masu ali, dok putuju kroz svemir, imaju impuls. Pri udaru fotona o neku površinu, on se od nje odbije ili ga ona upije, pri čemu u oba slučaja izvrši mali pritisak elektromagnetnog zračenja i stvori impuls sile. Solarno jedro je velika reflektujuća površina povezana sa letelicom, napravljena od vrlo tankog materijala, u koju udaraju fotoni i, pri udaru ili refleksiji, prenose impuls sile što omogućava kretanje letelice u svemiru. Iako su oba pritiska mala i u početku stvaraju malo ubrzanje, posle dužeg vremena se dostiže značajna brzina kretanja. Što su veće površina i refleksija jedra, veća je količina impulsa koja se sakupi za kretanje, ali se impuls smanjuje se kvadratom udaljenosti od Sunca. Pogon na solarna jedra ne zahteva da se nosi posebno pogonsko gorivo ili motor tako da, iako je potisak mali, on traje sve dok Sunce sija a jedro je razvijeno.

Pošto se intenzitet sunčevog zračenja smanjuje pri kretanju kroz svemir, razrađen je hipotetički koncept pogona sa jedrom u koje su upereni džinovski laseri, koji bi se postavili u orbitu oko Sunca i tako napajali sunčevom svetlošću. Takvi laseri bi mogli neprekidno da šalju visoko kolimirani, uski snop zračenja ka jedru svemirske letelice, pri čemu u teoriji intenzitet laserskog zraka neće opadati sa rastojanjem, za razliku od čiste sunčeve svetlosti. Kao i kod solarnog jedra, letelica sa laserskim jedrom ne nosi pogonsko gorivo ili motor.

Umesto korišćenja laserskih zraka, za pokretanje svemirskog broda na velikim udaljenostima može se poslati snop mikrotalasa pomoću masera (uređaj za stvaranje i pojačavanje mikrotalasa stimulisanom emisijom zračenja). Poput prethodno opisanih, mikrotalasno jedro omogućava kretanje sonde bez posade u svemiru bez nošenja pogonskog goriva.

Relativistički pogoni: antimaterija i međuzvezdani ramdžet

Sa brzinama koje se ostvaruju sa današnjim tehnologijama raketnog pogona, svemirskim letelicama bi bilo potrebno više hiljada godina da dođu do najbližih zvezda, mereno časovnicima na Zemlji. Međutim, ako bi se napravio svemirski brod koji bi mogao da ubrza do relativističkih brzina (bliskih brzini svetlosti kada relativistički efekti postaju značajni), onda je moguće smanjiti vreme putovanja do najbližih zvezda na nekoliko godina. Jedna od potencijalno najizazovnijih tehnika svemirskog pogona je ideja o raketi koju pogoni antimaterija. Čestice antimaterije (pozitron-antielektron, antiproton i antielektron) imaju identičnu masu kao i čestice materije, ali suprotno naelektrisanje i magnetni moment. Ista količina antimaterije oslobađa energiju oko hiljadu puta veću od fisije i oko sto puta veću od fuzije, tako da 1 g antimaterije oslobađa energiju koja odgovara količini od oko 20.000 t hemijskog goriva.

Postoji niz tehnika koje omogućavaju raketu zasnovanu na antimateriji. Motor sa čvrstim jezgrom mogao bi da postigne specifični impuls od oko 1.000 sekundi tako što bi antiprotoni anihilirali protone u volframovom ili grafitnom izmenjivaču toplote, koji apsorbuje sve pione (pi-mezone) i gama zrake nastale u reakciji. Vodonično gorivo se pumpa kroz izmenjivač toplote gde se zagreva emitovanom reakcionom energijom da bi se dobijeni gasovi koristili za stvaranje potiska. Umesto anihilacije čestica odvojeno, antiprotoni se mogu ubrizgati direktno u struju vodoničnog goriva i, iako je ovaj proces manje efikasan, upotrebom magnetnih polja za kontrolu naelektrisanih čestica može se dobiti specifični impuls i do 3.000 sekundi.
Međuzvezdani ramdžet pogon se tako zove zbog sličnosti sa atmosferskim ramdžet (nabojno-mlaznim) motorom, koji na Zemlji radi samo na velikim brzinama, usisavajući vazduh za sagorevanje. Umesto da nosi ogromne količine pogonskog goriva, međuzvezdani ramdžet bi sakupljao vodonik u međuzvezdanom prostoru i, pomoću magnetnog polja, sabijao dok ne dođe do termonuklearne fuzije u reaktoru koja bi obezbedila energiju za dobijanje snažnog mlaza gasova koji bi stvorili potisak. Ovaj pogon ima potencijal da dostigne relativističke brzine tako da predstavlja veliku nadu za međuzvezdana putovanja.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"