Am menționat într-un articol precedent că atunci când vorbim despre energie electrică nucleară în spațiu trebuie să definim exact necesitatea ei. Un reactor nuclear spațial are potențialul de a produce zeci, dacă nu sute de kilowați (în multe studii se vorbește despre reactoare cu puteri de ordinul megawaților). Lăsând la o parte diferitele dificultăți pe care astfel de puteri le-ar pune în discuție, care este utilitatea unui asemenea nivel de energie?
ISS-ul este o stație spațiala de mărimea unui teren de fotbal, dar sistemele de menținere a vieții, telecomunicațiile de la bord și experimentele nu consumă decât 90 kW. E destul de puțin, și dificultățile utilizării unui reactor sunt mai greu justificabile. Poate dacă vorbim despre un nivel de radiocomunicații și transfer de date foarte mare, sau de radare de mare putere pentru a studia interiorul unei planete… poate.
Dar de departe cea mai energofagă utilizare a energiei electrice în spațiu ar fi propulsia. Din acest motiv, articolul de față va încerca să prezinte o listă a diferitelor tipuri de propulsie electrică. Lista nu are cum să fie exhaustivă pentru că sunt zeci, dacă nu peste o sută de tipuri de propulsoare electrice, așadar doar am să listez cele mai importante sau reprezentative și ceva despre fiecare în parte.
În articolele despre Proiectul ROVER, am vorbit strict despre rachete clasice, termice, cu energie nucleară. O rachetă nucleo-termică nu diferă principial foarte mult de una chimică, singura diferența fiind de fapt sursa de energie (o reacție chimică violentă la presiuni și temperaturi mari vs căldura emisă de un reactor nuclear). Ambele tipuri de motoare încălzesc un fluid care se dilată și iese printr-o ajutaj, generând mișcare în sens invers.
Un propulsor electric, însă, folosește energie electrică pentru a împinge un fluid (de regulă un gaz, dar vom vedea că nu tot timpul) într-o direcție, generând mișcare în sens invers. Exact cum este folosită această energie electrică diferă de la caz la caz. Conceptul pare high-tech, dar el exista încă din zorii erei spațiale, prima mențiune fiind într-o scriere a lui Robert Goddard din 1906, iar Konstantin Tsiolkovsky și-a petrecut ultima parte a vieții cercetându-le. Ele au fost readuse în actualitate de părintele propulsiei electrice moderne, Ernst Stuhlinger, la sfârșitul anilor 50, și de acolo au ajuns în mainstream-ul popular prin diferite opere SF (ca fapt divers, nava Enterprise din Star Trek folosește un astfel de sistem ca propulsie subluminică).
Schiță a propulsorului electric imaginat de Robert Goddard în 1906 – Imagine reprodusă prin amabilitatea site-ului beyondnerva: https://beyondnerva.com/wp-content/uploads/2018/08/goddard-drive-drawing.png
Putem să împărțim „etapele” funcționale ale unui propulsor astfel:
- Aducerea masei de reacție într-o formă utilizabilă. Poate fi vaporizare pentru a-l transforma într-un gaz, ionizare, transformare în plasmă, etc. Cam toate propulsoarele au etapa asta, chiar dacă unele o combina cu următoarea
- Etapa de accelerare. Aici gazul/plasma pe care-o folosești pe post de masă de reacție capătă viteză. La unele propulsoare, e simpla dilatare termică, la altele e accelerare electromagnetică sau electrostatică sau alte vrăjitorii electrice.
- Etapa de evacuare, care presupune o duză sau ajutaj de evacuare. În unele cazuri, duza e fizică, dar la majoritatea, pentru că masa de reacție e sub forma unui gaz absurd de fierbinte, ajutajul e de fapt un aranjament de bobine magnetice ale căror câmp magnetic capătă forma unei duze. Pentru că gazul ar topi o duza fizica, dar un câmp magnetic nu se poate topi (se pot topi bobinele, dar fiindcă gazul sau plasma nu e în contact direct cu pereții nu transmite multă căldură structurii adiacente).
Iar aceasta ultima etapa arată ce e special la propulsoarele electrice: exista un divorț între temperatura pe care trebuie să o suporte componentele și temperatura maximă a jetului de evacuare. Cu cât jetul e mai energic, cu atât viteza de evacuare e mai mare, și deci impulsul specific e mai mare. La un motor termic, energia termică a fluidului e limitată de temperatura maximă la care rezistă componentele motorului. Mai pe românește, dacă încerci să obții viteze de evacuare mai mari, ai nevoie de temperaturi mai mari. Motorul RS-25 al Navetei Spațiale operează la 3300 grade Celsius, și are o viteza de evacuare de 4500 m/sec. Cam aia e limita materialelor moderne. În schimb, propulsoarele electrice pot atinge ușor viteze de evacuare de zeci de km/sec, corespunzătoare unor impulsuri specifice de mii de secunde. Pentru că nu se încălzesc la fel de tare. Motiv pentru care sunt și mai eficiente la a transforma energia electrică primită în energia masei de reacție (bine, mai sunt motive secundare; spre exemplu, fără contact fizic între jet și pereți, nu pierzi energie prin vibrații).
Există și dezavantaje, însă. Cel mai pregnant e timpul. De ce? Păi, spre exemplu, ca să faci 1kg de masă de reacție să se miște cu 20km/sec trebuie să îi dai 200 MJ de energie. Cam 55 kWh. Și trebuie să produci acei 55 kWh. Dacă ai avea un reactor de 55 kWe putere, i-ai produce într-o oră. Dar de regulă majoritatea surselor electrice sunt mult mai mici, așa că durează zile. Sau ore. Sau săptămâni. Ca și când ai umple o cisternă cu un robinet casnic. 15 MJ are un proiectil de Abrams. Iar tu aștepți ca sursa ta să fi produs de 4 ori mai multa energie, Joule cu Joule. Timp în care, propulsorul tău funcționează pașnic, continuu, consumând câteva grame sau miligrame per oră. Vrei să obții dublu vitezei de evacuare, adică 40 km/sec? Trebuie să folosești de 4 ori mai multa energie. 220 kWh. Și astea nu sunt cine știe ce viteze de evacuare pentru un propulsor electric. Deci le va trebui timp să accelereze ca să atingă viteze mari. Dar vitezele lor finale după ce au accelerat îți lasă gura apă, așa că merită. Faptul că singura sursă de energie spațială folosită momentan sunt panourile fotovoltaice e o limită dura în prezent pentru explorarea spațială, și e și motivul pentru care mulți adepți ai propulsoarelor electrice visează reactoare. E greu să justifici o sondă spațială de 20 de tone, dintre care 18 tone sunt doar panouri. Dar un reactor poate obține puteri mari într-un pachet de mărime decentă.
Înainte să începem, fac câteva precizări: multe dintre sistemele de aici nu au denumiri formale în limba română, așadar am folosit cea mai apropiată traducere semantică a lor din engleză. Cu îi place, bine, cui nu… am să adaug și denumirea în engleză, ca să știm despre ce vorbim exact.
De asemenea, termenul corect e propulsoare, nu motoare. Un motor este și sursă de energie și sursă de propulsie, a se vedea rachetele chimice și nucleo-termice. Un propulsor electric produce doar forța motivă, sursa de energie fiind ansamblul reactor-generator (sau oricare altă sursă de alimentare electrică, inclusiv panouri solare).
Nu în ultimul rând, propulsia nucleo-termică poartă numele de NTR (nuclear-thermal rocket). Cea nuclear-electrică poartă numele de NER (nuclear-electric rocket).
Până data viitoare, vă salut!
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. https://etda.libraries.psu.edu/files/final_submissions/1358
2. https://ntrs.nasa.gov/citations/19890017533
3. https://chemistrytalk.org/water-polarity-why-polar/
4. http://www.astronautix.com/m/mr-502.html
5. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-and-development-of-a-low-power-laboratory-Mankavi-Rezaeiha/2c71fjhz1mu526H7mf8WDCTd1PxnvLRZdkp9076
6. https://etda.libraries.psu.edu/catalog/8309
7. https://www.eucass-proceedings.eu/articles/eucass/abs/2009/01/eucass1p425/eucass1p425.html
8. http://bustlab.boun.edu.tr/assets/B32%20-%202015%20JPC%20Serhan%20JPCv12_m09_SUBMITTED.pdf
9. https://golden.com/wiki/Momentus_Space-W4BNJRW
10. https://www.thespaceresource.com/news/2019/2/propelling-demand-for-space-water
11. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19950005171.pdf
12. http://alfven.princeton.edu/research/past/met
13. https://authors.library.caltech.edu/3304/1/PARaipcp04b.pdf
14. https://patents.google.com/patent/US5956938
15. https://sciencedocbox.com/Physics/70705799-Beamed-energy-propulsion.html
16. http://electricrocket.org/IEPC/7081.pdf
17. https://llis.nasa.gov/lesson/736
18. https://indico.esa.int/event/181/contributions/1374/attachments/1324/1549/2017_CSID_Gregucci_SITAEL_Arcjet1k.pdf
19. https://www.cc.miyazaki-u.ac.jp/kakami/index_e.html
20. https://www.spaceflightinsider.com/conferences/vasimr-plasma-engine-earth-mars-39-days/
21. https://www.daviddarling.info/encyclopedia/P/pulsedplasmathruster.html
22. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009457651000086X
23. https://appliedionsystems.com/portfolio/ais-uppt1-micro-pulsed-plasma-thruster/
24. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19910017903/downloads/19910017903.pdf
25. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576514004494
26. https://www.mdpi.com/2226-4310/8/1/22/htm
27. https://www.researchgate.net/figure/Self-field-MPD-with-coaxial-electrodes-of-the-same-length_fig2_265068302
28. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1686/1/012023/pdf
29. https://www.nature.com/articles/s41598-021-00308-4
30. http://www-personal.umich.edu/~ianrit/PIT/PIT2.pdf
31. https://www.researchgate.net/figure/A-two-grid-Gridded-Ion-Thruster-GIT-as-a-simplified-schematic-diagram_fig5_348599889
32. https://www.esa.int/gsp/ACT/doc/PRO/ACT-RPR-PRO-IAC2006-DS4G-C4.4.7.pdf
33. https://psyche.asu.edu/2018/01/19/electric-thrusters-psyche-spacecraft-work/
34. https://www.nasa.gov/feature/jpl/solar-electric-propulsion-makes-nasa-s-psyche-spacecraft-go
35. https://beyondnerva.com/electric-propulsion/hall-effect-thrusters/
36. https://whatnext.pl/aeps-czyli-zaawansowany-elektryczny-uklad-napedowy-osiagnal-kamien-milowy-w-swoich-testach/
37. https://pepl.engin.umich.edu/project/x3-nested-channel-hall-thruster/
38. https://www.sitael.com/sitael-space-has-successfully-tested-ram-ep-system/
39. https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster
40. http://electricrocket.org/IEPC/IEPC_2017_377.pdf
41. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576520304264
42. https://www.centauri-dreams.org/2021/11/19/wind-rider-a-high-performance-magsail/
43. https://www.centauri-dreams.org/2019/11/18/the-electric-sail-and-its-uses/
44. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrodynamic_tether
45. https://thedebrief.org/this-new-deep-space-propulsion-system-rides-like-a-leaf-on-the-solar-wind/
46. https://ghostarchive.org/archive/DxPRf
47. https://ghostarchive.org/archive/UCXqo
48. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1538-3873/ac4812
Multumesc! Sper ca data viitoare e sambata urmatoare… 🙂
Scuze pentru cadența redusă.
Da, data viitoare cred că va fi saptamana viitoare. Și vor fi mai multe ?
N-ai de ce sa-ti ceri scuze, fiecare scrie cand poate si, mai ales, cand are inspiratie si-l viziteaza muzele. Eu sunt nerabdator ca e un subiect care ma pasioneaza. Ma simt ca pe vremuri, cand asteptai urmatorul episod chiar si o saptamana… 🙂
Multumesc pentru articol si pentru atatea surse. O sa le iau batraneste una cate una sa le citesc saptamana asta
Sunt câteva… Dar sunt și f interesante. Cel puțin pentru mine ?.
Mulțumesc pentru lectură!
Foarte interesant. Nu am crezut ca acele propulsie electrice funcționează tot ca una chimică
În principiu, ecuația rachetei li-i se aplică tuturor tipurilor de motoare (deși, la finalul seriei, vom vedea câteva care sunt mai… exotice ?).
Mulțumesc pentru lectură!
Da, asta e principala lecție învățată de mine. Deocamdată toate propulsiile dezvoltate sunt motoare racheta, adică un fluid care împinge. Cum e împins fluidul face diferența, reacție chimica, căldură unui reactor etc.
Mulțumesc pt cunoaștere:)
Motoare cu reacție bazate pe Principiul Acțiunii și Reacțiunii (conservarea impulsului): fluidul este accelerat într-un sens, racheta este accelerată în sens opus.
Numai că, așa cum zicea pe aici un alt coleg de forum care repara avioane nu-mi amintesc nick-ul lui, prin manuale sunt niște calcule care nu prea ies la socoteală.
Chiar îmi place articolul, foarte interesant, habar nu aveam de atâtea chestii.
SpaceX a testat zilele trecute cele 33 de motoare ale megarachetei pe care vrea să o trimită spre Marte, două n-au funcționat.
„sunt niște calcule care nu prea ies la socoteală.”
?
Le-am pus pe hârtie. Poate o să le detaliem și pe aici, poate vorbim în privat.
Scuze pentru divagație.
Navele spatiale nu au motoare nu scot foc si fum nu fac zgomot nu au fata sau spate, folosesc generatoare electro-magnetice merg cu sau in opozitie cu campul magnetic inconjurator.
?
Navele spațiale… În general… Produc fum și foc 🙂 În cazul de față plasmă…
Fi serios propulsia pe bază de ardere este depasita nociva o anomalie tine dezvoltarea pe loc trebuia demult sa dispara nu faci masini si devolti tehnologi pe baza limited de combustibilul este o inselatorie.
Pai cu ce lansezi?…
Te uiti la prea multe filme.
Multumesc Checkmate. Ma interesa in mod deosebit subiectul.
Siyeu pentru lectură! ?
Multumesc!
Cu drag!
Cand am invatat sa ne plimbam cu barcile pe rauri, lacuri, mari si oceane la inceput prima data am folosit curentii,am evoluat la vasle si carma ,dupa la vele,si tarziu la motor si de atunci ne alegem directia cum vrem noi.
La fel si cand am inceput sa zburam.
Si acu ne intrebam de ce nu mergem direct in picioare cand de fapt ar trebui sa mergem in 4 labe.
practic propulsoarele ar trebui folosite prima data ca vasle si carme,cu care sa corectezi directia de deplasare, nu ca motoare de sine statatoare, asa cum le intelegem noi la ora actuala pt vehicule in mediile in care excelam, ca sa ajungi la actualul nivel tehnologic sa poti sa te deplasezi ani lumina prin spatiu interplanetar
Și care ar putea fi echivalentul în spațiu al curenților? Am citit despre unele variante, mai mult sau mai puțin ancorate în realitate, de la o formă de nave cu „vele” ce ar utiliza vânt solar până la postularea unei forme de „subspațiu” cu reguli diferite de universul cunoscut.
probabil ca sunt unii care stiu,din moment ce exista miscare pe cer,ceva face obiectele alea sa se miste nu ,obiectele pe luciul unei ape sunt mai usor de observat,si necesita observarea in siguranta doar sa stii sa inoti,in spatiu nu prea,de aia e mult mai dificil,iar ca sa atingem macar cu un deget explorarea spatiala umana urmata de colonizare, mai avem de trimis in spatiu multe sonde care sa ne spuna ce e acolo,chiar daca unii se lauda ca maine sunt pe Marte
„ceva face obiectele alea sa se miste”
Care obiecte? Planetele? Sondele?
Câmpuri magnetice, lumina solară și vântul solar, ar fi echivalenții cerești ai curenților acvatici.