Prezentul si viitorul propulsiei spatiale depind de mai multe tehnologii cheie, in special de motoare electrice sau cu plasma.
Am asistat la un moment istoric: lansarea primei misiuni spatiale cu echipaj american. In timp ce designul interior futurist al lui Crew Dragon aminteste de seriale SF precum The Expanse, motoarele de rachete din lansatorul Falcon 9 de la SpaceX folosesc in esenta aceeasi tehnologie ca cele din R-7 care a lansat primul Sputnik pe orbita in 1957.
Intr-o misiune spatiala se reunesc nenumarate tehnologii de cea mai mare complexitate si criticitate, dar, fara indoiala, cea fundamentala este propulsia rachetei. Este izbitor ca, desi au fost aduse imbunatatiri, lansatoarele si caracteristicile lor nu s-au schimbat substantial de la inceputul erei spatiale, acum mai bine de 60 de ani. De ce? Pentru a pune un vehicul pe orbita, este necesar mai intai sa urcam prin atmosfera, depasind gravitatia pamantului, iar apoi sa atingem o viteza orizontala suficienta.
Rachetele trebuie sa dea o forta de tractiune mare, superioara greutatii lor; altfel nu s-ar putea decolare. Acest lucru se realizeaza facand motorul suficient de mare si puternic. Dar este, de asemenea, important ca rachetele sa aiba un impuls specific ridicat, sau raportul intre forta si consumul de combustibil, care se intampla sa fie egal cu viteza jetului ejectat . Un impuls specific mai mare inseamna un consum mai mic de combustibil si un lansator mai usor si mai economic.
Majoritatea lansatoarelor cu combustibil lichid, cum ar fi Falcon 9 si R-7, folosesc kerosen si oxigen lichid criogenic. Acest amestec ofera un impuls specific care variaza intre 3 si 3,5 km/s. Cele mai performante lansatoare precum Ariane 5, viitorul Ariane 6 si SLS inlocuiesc kerosenul cu hidrogen lichid si ajung la 4,5 km/s. Desi aceasta cifra pare mare, este mult mai mica decat este de dorit. Prin urmare, lansatoarele sunt in mare parte un rezervor de combustibil zburator. Doar o mica parte din masa sa corespunde sarcinii utile.
Este foarte putin probabil ca propulsia chimica sa depaseasca vreodata acest interval de valori, deoarece este limitata de energia specifica a combustibilului. Pur si simplu, nu exista substante mai bune de ars, care dau mai multa caldura si indeplinesc alte cerinte necesare.
Iesire acolo: propulsie electrica in spatiu
Deja in spatiu, nevoile noastre de propulsie se schimba drastic: acum, este vorba despre executarea de corectii si modificari de orbita , pentru care este necesara o forta infinit mai mica decat cea a unui lansator. Cu toate acestea, maximizarea impulsului specific este si mai mult o prioritate, deoarece cantitatea de propulsor pe care o putem transporta la bord este limitata. Odata ce il consumam complet, durata de viata utila a misiunii se va incheia.
De la mijlocul secolului al XX-lea, a fost dezvoltata o alternativa la forma chimica de propulsie spatiala, cunoscuta sub numele de propulsie electrica sau cu plasma. Aceste motoare, in loc sa se bazeze pe energia combustibilului, folosesc energie electrica pentru a accelera direct propulsorul. In acest fel se poate depasi cu mult impulsul specific motoarelor chimice, ajungand usor la 20-40 km/s. Aceasta reprezinta o economie uriasa de masa si face posibile calatorii irealizabile cu rachetele traditionale.
Pentru a face acest lucru, propulsorul este mai intai ionizat, transformandu-l intr-o plasma (o supa de ioni si electroni liberi), apoi accelerat cu campuri electrice si magnetice. Pe acest principiu se bazeaza o mare varietate de tehnologii diferite, cum ar fi motoarele de succes cu efect Hall si motoarele ionice.
Astazi, peste 40% dintre satelitii geostationari folosesc unul dintre aceste motoare pentru a economisi sute de kilograme de combustibil si pentru a prelungi durata de viata a acestora, in special motoarele Hall. De asemenea, sunt folosite pe orbita joasa si in misiuni interplanetare precum Bepi-Colombo, Dawn sau Hayabusa, in care motoarele ionice ofera performante exceptionale.
In ciuda marilor sale avantaje, propulsia electrica are si dezavantaje. Principalul este ca forta pe care o produce este limitata de puterea de la bord. Cu puterile actuale disponibile (10-20 kW), acesta reprezinta o forta foarte mica, de obicei mai mica de 0,2-1 N. Aceasta este mai mica decat greutatea unui telefon mobil in mana si inseamna ca propulsia electrica nu poate fi utilizata in manevre rapide (de exemplu pentru a evita o coliziune cu resturile spatiale). Mult mai putin de decolat de pe Pamant!
Din toate aceste motive, propulsia electrica nu inlocuieste propulsia chimica , ci o completeaza: este cea mai buna optiune pentru a zbura eficient o data in spatiu, cand avem suficient timp sa ne propulsam si fortele sunt mici.
Provocari actuale si viitoare
Planurile actuale ale agentiilor si companiilor private sugereaza ca ne aflam la portile unui nou capitol in cucerirea spatiului, in care toate tehnologiile propulsive cunoscute vor juca un rol fundamental . Angajamentul fata de propulsia electrica este clar: motoarele Hall stau la baza statiei Gateway a programului Artemis al NASA pentru a reveni pe Luna si a coloniza Marte.
Atat Boeing, cat si Airbus au dezvoltat in ultimii ani platforme de satelit complet electrice care desfasoara toate fazele misiunii spatiale cu aceste tehnologii. In cele din urma, un caz de utilizare care a crescut si a ieftinit dramatic productia de motoare cu plasma sunt proiectele mega-constelatiei.
Propulsia electrica este un domeniu de cercetare foarte activ. Unele dintre cele mai stringente provocari sunt legate de intelegerea si controlul fizicii turbulentelor plasmelor magnetizate, responsabile pentru o pierdere semnificativa de eficienta si erodarea peretilor si electrozilor motoarelor.
Astfel de probleme sunt bine cunoscute in fuziunea nucleara, unde turbulentele afecteaza direct functionarea reactoarelor. Initiative precum proiectul Prometheus din Comunitatea Madrid incearca sa gaseasca sinergii intre aceste doua domenii ale fizicii plasmei pentru a rezolva aceasta problema transversala.
In Europa, dezvoltarea motoarelor Hall este condusa de proiecte din programul H2020 precum Cheops, care vizeaza imbunatatirea confinarii magnetice a acestor motoare si scalarea lor la puteri foarte mari si foarte mici. In sfarsit, la frontiera cunoasterii gasim noi tehnologii cu mecanisme inovatoare de generare a plasmei si accelerare care promit mari avantaje.
In acest domeniu ies in evidenta motoarele fara electrozi cu duze magnetice, precum motorul Helicon, motorul VASIMR sau motorul ECR. Aceste dispozitive promit o durabilitate mare si vor putea functiona cu practic orice substanta ca propulsor. Acestea vor face astfel posibila reducerea costului ridicat al motoarelor care folosesc xenon (un gaz foarte scump) si realizarea unor misiuni interplanetare care necesita realimentare la fata locului.
