ASTRONAUTIKA

Pripremio: Ž. Miljanić

Električne rakete
Putovanja u daleki svemir

Usamljena usred kosmičke tame, sonda “Down” juri pored orbite Marsa ka asteroidnom pojasu. Lansirana sa ciljem da pruži nova saznanja o nastanku Sunčevog sistema, ova robotička letelica izučava asteriode Vesta i Ceres, dva najkrupnija ostatka planetarnih embriona koji su se sudarili i sjedinili pre nekih 4,57 milijardi godina. Sondu “Dawn”, koja je poletela u septembru 2007. godine, pokreće svemirska propulsiona tehnologija koja sada dospeva u centar pažnje za buduće dugačke misije - motor za plazma rakete.

Ljudi koji su osmišljavali misiju sonde “Dawn” u NASA laboratorijama izabrali su plazma motor kao raketni sistem za ovu sondu jer je to sistem visoke efikasnosti, koji zahteva samo jednu desetinu goriva koja bi bila potrebna hemijskom raketnom motoru da dopre do asteroidnog pojasa. Da su planeri izabrali konvencionalnu tehnologiju, ova letelica uspela bi da stigne samo do jednog od asteroida, bilo do Veste ili do Ceresa, ali ne i do oba.

I zaista, električne rakete, što je još jedan naziv kojim označavamo ove motore, ubrzano postaju najbolja opcija za slanje sondi na udaljene ciljeve. Najnoviji uspesi ove vrste omogućili su da otpreme vozilo “Deep Space 1” na kometu, kao dodatno putovanje koje je omogućeno gorivom koje je preostalo nakon što je ova svemirska letelica obavila svoj osnovni zadatak. Plazma motori su korišćeni i za pokušaj sletanja na asteroid u slučaju japanske sonde “Hayabusa”, kao i za putovanje letelice SMART-1 koju je na mesec uputila Evropska svemirska agencija.

Let bez goriva

U svetlu prednosti koje je ova tehnologija do sada dokazala, oni koji rade na planiranju misija u daleki svemir u SAD, Evropi i Japanu, odlučuju se za opciju sa plazma pogonom za svoje buduće misije koje će služiti za istraživanje udaljenijih planeta, potragu za vansolarnim planetama nalik na Zemlju, kao i za korišćenje spoljnog svemira kao laboratorije za fundamentalna istraživanja u oblasti fizike.

Već u prvoj deceniji 20. veka, pioniri raketne tehnike razmišljali su o mogućnosti korišćenja električne energije za pogon svemirskih letelica. Pokojni Ernst Štul, član legendarnog tima nemačkih naučnika u oblasti raketne tehnike, koji je predvodio razvoj američkog svemirskog programa, konačno je ovaj koncept pretvorio u praktično izvodivu tehnologiju sredinom pedesetih godina. Nekoliko godina kasnije, naučnici iz NASA Glenn istraživačkog centra (tada pod nazivom Lewis) izgradili su prvu funkcionalnu električnu raketu. Ovaj motor je izveo suborbitalni let 1964. godine na svemirskoj električnoj raketi „test 1“, koja je radila pola sata pre nego što je letelica pala na Zemlju.

U međuvremenu, istraživači u tadašnjem Sovjetskom savezu radili su takođe na razvoju koncepta električne rakete. Počev od sedamdesetih, planeri su birali ovu tehnologiju jer ona rešava pitanje goriva i istovremeno obavlja zadatke kao što su održavanje smera i orbitalne pozicije telekomunikacionih satelita u geosinhronoj orbiti.

Kada ljudi zamišljaju svemirski brod kako krstari kroz mračnu prazninu, obično pred očima imaju sliku u kojoj se pojavljuje izduženi, gorući trag koji brod ostavlja iza sebe. Istina je sasvim drugačija: ekspedicije u spoljni solarni sistem su uglavnom ne-raketne stvari, jer se najveći deo goriva potroši u prvih nekoliko minuta same operacije, a letelica ostatak puta prevaljuje bez goriva. Istina je da hemijske rakete pokreću sve letelice sa površine Zemlje i da mogu da se koriste za promenu kursa tokom same ekspedicije. Ali one su nepraktične kao pogon za ekspedicije u daleki svemir jer je za to potrebno mnogo goriva koje nije moguće praktično poneti u orbitu.

Da bi se dostigle potrebne putanje i visoke brzine za duga i precizna putovanja bez mnogo goriva, sonde su u svemiru morale da provedu mnogo vremena, često i godina, izvlačeći se iz nekih putanja kako bi dospele na put ka planetama i mesecima koji bi im dali gravitacioni “udar” koji bi ubrzalo njihovo kretanje u željenom pravcu (takozvani gravitacijom potpomognuti manevri).

Gravitacioni udar i kočenje

Što je još gore, posle više godina putovanja do odredišta, vozilo sa hemijskim raketnim motorom ne bi imalo dovoljno goriva za kočenje. Takvim sondama je potrebno da ispale raketu za usporavanje i tako dođu do cilja i obave planirana osmatranja. Bez sposobnosti kočenja, sonda je ograničena na vrlo kratak susret sa predmetom izučavanja. Na primer, posle 9 godina putovanja, NASA-ina sonda “Novi horizonti” lansirana 2006. godine, imaće susret ne duži od jednog zemaljskog dana sa krajnjim odredištem svog izučavanja - “patuljastom planetom” Pluton.

Za one koji se pitaju: kako to da naučnici nisu mogli da nađu načine da sa letelicama u svemir pošalju dovoljno goriva i time eliminišu probleme na dugim putovanjima, objašnjenje leži u takozvanoj raketnoj jednačini, formuli koju koriste inženjeri u planiranju misija da izračunaju masu pogonskog goriva potrebnog za dotičnu misiju. Ruski naučnik Konstantin E. Ciolkovski, jedan od rodonačelnika raketne tehnike i svemirskih putovanja, prvi put je uveo ovu formulu 1903. godine. Raketna jednačina kaže ono što intuitivno znamo a to je da što brže izbacujemo gorivo iz svemirske letelice, sve je manja potreba da se izvrši raketni manevar. Konkretnije govoreći, jednačina povezuje masu goriva potrebnog za određenu misiju u svemir sa dve ključne brzine: brzinom kojom raketni izduvni gasovi bivaju izbačeni iz letelice i brzinom delta-v misije, odnosno koliko će se brzina letelice povećati usled izbacivanja izduvnih gasova. Delta-v korespondira sa energijom koju letelica mora da ekspandira da bi izmenila svoje početno inercijsko kretanje i sprovede željeni manevar u svemiru.

Evo par primera: da bi se putovalo na Mars iz niske orbite Zemlje, potrebna je delta-v brzina od oko 4,5 km/s. Raketna jednačina kaže da je konvencionalnoj hemijskoj raketi za ovo neophodno da više od dve trećine mase letelice bude gorivo. Za putovanja na udaljene planete, kod kojih je potrebni delta-v između 35 do 70 km/s, hemijske rakete bi trebale da se sastoje više od 99,98 procenata od goriva. Takva konfiguracija ne bi ostavila nimalo prostora za ostali hardver ili korisne terete. Pošto sonde putuju dalje u solarni sistem, hemijske rakete postaju sve više beskorisne ukoliko inženjeri ne pronađu način da znatno povećaju njihovu izduvnu brzinu.

Jonski motor

Za razliku od toga, sistemi koji koriste plazmu kao gorivo, obezbeđuju mnogo veće brzine izduvnog pogona. Umesto da sagorevaju hemijsko gorivo radi postizanja potiska, plazma motor ubrzava oblake električno nabijenih atoma ili molekula u plazmi na vrlo visoke brzine. Plazma se proizvodi dodavanjem energije u gas, na primer, radijacijom laserima, ultrazvukom ili radio-talasima ili izlaganjem snažnim električnim poljima. Dodatna energija oslobađa elektrone iz atoma ili molekula gasa, što čini da je jonizovani gas mnogo bolji elektro-provodnik nego bakarni metal. Obzirom da plazma sadrži čestice sa električnim nabojem, na čije kretanje snažno utiču električna ili magnetna polja, delovanjem elektro ili magnetnih polja na plazmu može se postići ubrzanje njenih sastavnih delova i njihovo slanje u izduvni sistem letelice. To se postiže elektrodama ili magnetima, indukcijom preko spoljnih antena ili namotaja žica, ili provođenjem električnih struja kroz plazmu.

Električna energija potrebna za kreiranje i ubrzavanje plazme obično potiče iz solarnih kolektora koji prikupljaju energiju Sunca. Ali letelice u duboku svemir koje idu pored Marsa moraju da se oslanjaju na nuklearne izvore energije, jer na tako velikoj razdaljini od Sunca, njegova energija postaje veoma slaba. Današnje male robotske sonde koriste termo-električne uređaje koji se zagrejavaju raspadanjem nuklearnih izotopa, ali ambicioznije misije budućnosti moraće da budu opremljene reaktorima za nuklearnu fisiju (ili čak i fuziju).

Do sada su razvijena tri tipa sistema na pogon plazmom za korišćenje na dugim misijama. Tip koji se najčešće koristi i koji služi za pogon letelice “Dawn” ima jonski pogon. Jonski motor potiče od ideja američkog pionira raketne teorije Roberta H. Godarda, iz vremena dok je bio student na Politehničkom institutu Vorčester, pre jednog veka. Jonski motori postižu brzinu izduvnog gasa od 20 do 50 km/s.

Najčešće, ovi motori dobijaju električnu energiju iz foto-voltaičkih panela. Radi se o cilindru, ne mnogo većem od obične kante. Unutar cilindra, gas ksenon iz rezervoara goriva dotiče do komore za jonizaciju gde elektromagnetno polje cepa elektrone sa atoma ksenona i stvara plazmu. Tada se izdvajaju pozitivni joni plazme i ubrzavaju na velike brzine akcijom električnog polja koje deluje između dve elektrodne rešetke. Svaki pozitivan jon u polju napaja negativnu elektrodu i uzrokuje ubrzanje.

Ovakvo dejstvo pozitivnih jona na kraju ostavlja letelicu sa neto negativnim nabojem koji bi, ukoliko bi se dozvolilo da se akumulira, privlačio jone nazad u letelicu i poništavao postignuti potisak. Da bi se izbegao takav problem, spoljni izvor elektrona (negativna katoda ili električni pištolj) injektira elektrone u pozitivan tok radi neutralizacije, čime je i letelica neutralna. Desetine jonskih pogona trenutno funkcioniše uglavnom na komunikacionim satelitima.

Krajem 20. veka, letelica “Deep Space 1” postala je prva svemirska letelica na električni pogon koja se otela Zemljinoj gravitaciji iz orbite. Pomenuta sonda je ostvarila ubrzanje od nekih 4,3 km/s, trošila samo 74 kg ksenona i proletela kroz prašnjavi rep komete Boreli. To je najveće povećanje ubrzanja koje je bilo koja letelica do sada ostvarila mlaznim pogonom. “Dawn” bi uskoro trebalo da obori taj rekord dodavanjem 10 km/s na svoju brzinu. Inženjeri u laboratorijama za svemirska istraživanja su nedavno dokazali da sonde na jonsko gorivo mogu besprekorno da funkcionišu više od tri godine.

Ž. Miljanić