Napęd elektryczny pomoże dotrzeć na Marsa
Do tej pory ludzkość wykorzystywała napęd chemiczny w czasie podróży kosmicznych. Astronomowie twierdzą jednak, że to napęd elektryczny jest wydajniejszy i z jego pomocą odbędą się przyszłe misje na Marsa.
Istnieje wiele różnych sposobów dotarcia na Marsa. Najbardziej popularny napęd chemiczny, może szybko dostarczyć statek kosmiczny na czerwoną planetę. Wiąże się to jednak z wysokimi kosztami paliwa, co zwiększa całkowity koszt misji. Alternatywne technologie napędowe są najczęściej najwydajniejsze w głębokim kosmosie. Zespół naukowców z Hiszpanii wstępnie zbadał, co byłoby potrzebne, aby wysłać sondę na Marsa przy użyciu całkowicie elektrycznego napędu.
Elektryczne systemy napędowe mają kilka zalet w porównaniu z rakietami chemicznymi. Choć nigdy nie będą w stanie wytworzyć odpowiedniego ciągu, by wynieść na orbitę cokolwiek ciężkiego, ale gdy już znajdą się w przestrzeni kosmicznej, są niezwykle wydajne w przenoszeniu ładunków. Podczas gdy typowa rakieta chemiczna wymaga 70-90 proc. swojej masy startowej jako paliwa, elektryczny układ napędowy może wykorzystać zaledwie 10-40 proc. swojej masy startowej jako paliwo.
Do tej pory naukowcy nie zastanawiali się, jak duża byłaby różnica między misją na Marsa z wykorzystaniem napędu elektrycznego i chemicznego. Dzięki nowemu badaniu odkryli, że napęd chemiczny wymaga 2,5 razy większej masy niż napęd elektryczny. A zmniejszenie masy pojazdu kosmicznego obniżyłoby całkowity koszt misji.
W badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Acta Astronautica, naukowcy skupili się na trajektorii, która umieściłaby statek kosmiczny o masie 2 tysięcy kg na orbicie polarnej wokół Marsa w odległości od trzystu do tysiąca kilometrów nad powierzchnią planety. Limit masy 2 tysięcy kilogramów został wybrany jako pakiet, który mógłby przenieść wszystkie przyrządy naukowe wraz z orbiterem ExoMars, nad którym pracowała ESA.
Biorąc pod uwagę ograniczenia misji, naukowcy rozważyli kilka różnych typów elektrycznych systemów napędowych. Opracowali dodatkowy wymóg – musi on działać w górnym zakresie ciągu wielu elektrycznych układów napędowych. Siła ciągu wynosząca 0,1 N to minimum wymagane do pomyślnego wejścia na orbitę wokół Marsa.
To ograniczenie doprowadziło do wyboru BHT-6000 jako głównego systemu napędowego misji. Jest to silnik z efektem Halla, który działa z mocą od 2 kW do 6 kW i może wykorzystywać stosunkowo powszechne elektryczne materiały pędne, takie jak ksenon i krypton.
Naukowcy wykorzystali model wielociałowy do odwzorowania grawitacyjnego wpływu wybranej trajektorii. Następnie przeprowadzili symulacje misji ze standardowym paliwem chemicznym i BHT-6000. Przeprowadzone symulacje, dały wyniki zgodne z ogólnymi oczekiwaniami dotyczącymi zalet napędu elektrycznego.
Pod względem prędkości, rakieta chemiczna była szybsza, ale nie była to olbrzymia różnica. Rakieta chemiczna mogła odbyć podróż w nieco mniej niż rok, podczas gdy misja napędzana BHT-6000 zajęłaby około 3,2 roku od startu. Jednak masa chemicznego układu napędowego byłaby 2,4 razy większa niż elektrycznego. Nawet przy koszcie startu wynoszącym 10 tysięcy dolarów/kg, oszczędność kosztów napędu elektrycznego wyniosłaby prawie 30 milionów dolarów w porównaniu z alternatywą chemiczną. Wszystko to kosztem kilku lat więcej czasu podróży.
Jest to kompromis, który wiele agencji zajmujących się eksploracją kosmosu chętnie by zapłaciło ze względu na ograniczone budżety. Jak dotąd jest to jednak tylko model, ponieważ nie ma planowanej misji kosmicznej, która wykorzystywałaby metodę napędu elektrycznego jako głównego systemu ciągu, chociaż kilka misji kosmicznych, takich jak Hayabusa-2, już to zrobiło. Wraz z postępem technologicznym coraz bardziej prawdopodobne staje się jednak, że przyszłe misje kosmiczne, zwłaszcza te bezzałogowe, polecą na Marsa wykorzystując napęd elektryczny.
Emil Gołoś
