Tipărire
Categorie: Blog Gabriela Costache
Accesări: 4377

Ramjet Bussard. Conceptie artistContinuăm seria de articole dedicate prezentării diferitelor sisteme de propulsie ce pot fi utilizate în cadrul călătoriilor în spaţiu cu fuziunea ramjet, fisiunea nucleară şi fuziunea nucleară. Vorbim şi despre animaţia suspendată, efectul de praştie, dar şi despre antimaterie.

 

 

 

 

Călătoria în spaţiu. Variante de propulsie. 1

 

Fuziunea ramjet

Motorul cu fuziune ramjet, folosind ca şi combustibil hidrogenul, permite colectarea acestuia pe parcursul călătoriei, fără a condiţiona de la început, prin limita maximă a cantităţii de combustibil, punctul final posibil de atins.

Hidrogenul se găseşte din abundenţă în Univers, mai ales dacă ne deplasăm în zone în care este concentrat. Teoretic, un motor ramjet ar putea menţine o acceleraţie constantă de 1 g, iar după doar un an să ajungă la 77% din viteza luminii. Cu un astfel de mijloc de deplasare, având în vedere şi faptul că timpul din interiorul navei s-ar scurge mai lent, călătoria interstelară ar deveni o posibilitate reală.

Există şi provocări tehnologice. Hidrogenul este rarefiat în spaţiu, astfel că pentru a-l colecta va fi nevoie de o zonă de captare considerabil de mare, de peste 100 km diametru. Dar dacă construcţia are loc în spaţiu, proiectul este realizabil. Iar atâta vreme cât nu intervin probleme tehnice, acest tip de motor se poate propulsa fără limită de timp.

Având în vedere viteza teoretică ce poate fi atinsă şi dilataţia timpului, din punctul de vedere al astronauţilor o nava dotată cu un motor ramjet ar putea ajunge până la Pleiade în 11 ani (Pleiadele se află la 400 a.l.), iar în 23 ani ar putea deja atinge galaxia Andromeda (aflată la 2 milioane a.l.). Tot teoretic, nava ar putea ajunge la limita Universului vizibil în limita vieţii membrilor echipajului, timp în care pe Terra vor trece deja miliarde de ani, şi practic Sistemul Solar va fi murit deja demult.


Fisiunea nucleară

Este o posibilitate atractivă de propulsie în spaţiu, oferind o densitate energetică net superioară reacţiilor chimice. Fisiunea nucleară este spargerea unui atom în fragmente mai mici. Aceasta se produce prin bombardarea atomilor grei cu neutroni. Atomul fisionabil capturează neutronul şi se dezintegrează în doi atomi mai mici plus 2 sau 3 neutroni, ce vor dezintegra mai departe alţi atomi, rezultând reacţia în lanţ. Masa combinată a produşilor reacţiei este mai mică decât masa nucleului iniţial, iar această pierdere de masă este convertită în energie.

Există probleme ale folosirii acestei tehnici, cea mai cunoscută şi mai importantă fiind siguranţa. Produşii fisiunii sunt înalt radioactivi, iar reacţia în sine produce radiaţii gama şi beta. De asemenea, echilibrul este precar, o insuficientă funcţionare a reactorului ducând la consecinţe dezastruoase.

Există mai multe posibilităţi de folosire a acestui tip de energie:

a) Utilizarea directă a unui reactor de fisiune este cel mai simplu mod. Un combustibil, de exemplu hidrogen lichid, ar fi încălzit de reactor şi apoi ejectat, obţinându-se propulsia.

b) Utilizarea directă a fragmentelor dintr-un reactor este o altă metodă. Fisiunea nucleară produce fragmente extrem de energetice, iar acest sistem le foloseşte drept carburant lichid, lăsându-le să scape din reactor. Aceste fragmente se deplasează cu viteze foarte mari, ceea ce ajută propulsia. Mai mult, sunt ionizate, permiţând astfel controlul direcţiei folosind un câmp magnetic. Construirea unui astfel de reactor este însă foarte dificilă şi implică costuri mari.

c) Detonarea de bombe atomice poate suna cel puţin ciudat ca procedeu de propulsare. Ideea constă în lansarea câtorva bombe atomice pe secundă la o anumită distanţă în urmă şi detonarea acestora. Scutul împotriva radiaţiilor trebuie să fie extrem de eficient în acest caz. Vehiculul spaţial ar trebui dotat cu o suprafaţă de şoc, care să fie împinsă de radiaţiile produse. Mai mult, aceasta ar trebui dotată cu absorbanţi de soc (un fel de amortizoare) pentru a face călătoria liniară, şi nu avansări mici şi dese ca urmare a fiecărei explozii în parte. Această idee ar fi într-adevăr foarte mare consumatoare de energie, doar o mică parte din puterea exploziilor putând fi folosită. Această tehnologie a fost folosită experimental în Proiectul Orion.

 



Fuziunea nucleară

Un proiect mult mai interesant decât fisiunea este fuziunea nucleară. Marele avantaj pe care îl are este că se prezintă ca o formă de energie mult mai curată, nu are produşi radioactivi. Densitatea energiei este considerabil de mare, de 10^8 ori mai mare decât cea a sistemelor chimice curente. Mai mult, drept combustibil este folosit hidrogenul, cel mai uşor element, şi nu este necesar în cantitate foarte mare având în vedere puterea pe care o dezvoltă reacţia. Din păcate, deşi primele cercetări în domeniu au început încă din anii '30, nici până astăzi nu dispunem de o tehnologie viabilă. Dacă s-ar construi un asemenea tip de propulsie, tot Sistemul Solar ar fi deschis explorării umane.

Principiul de bază este fuzionarea a două nuclee uşoare într-unul singur, diferenţa de masă fiind convertită în energie. Soarele şi celelalte stele din secvenţa principală îşi iau energia din acest tip de proces.

Combustibilul cel mai probabil a fi folosit sunt izotopi de hidrogen. Cea mai simplă reacţie ar fi între deuteriu (hidrogen cu un neutron în plus) şi tritiu (2 neutroni în plus). Dacă deuteriul poate fi uşor extras din apa de mare, tritiul are o perioadă de înjumătăţire de doar 12,5 ani, ceea ce înseamnă că nu mai există demult în stare naturală pe Terra. Iar o reacţie în care se va folosi doar deuteriu este foarte greu de obţinut.

Producerea de neutroni în timpul reacţiilor, în unele cazuri, este însoţită de raze gama, periculoase şi în acelaşi timp însemnând pierdere de energie.

Soluţia ar fi folosirea unor combustibili ce nu produc neutroni când fuzionează.

Dificultatea principală este legată de declanşarea reacţiei. Este extrem de greu să se apropie două nuclee pentru a fuziona, având în vedere că acestea sunt încărcate pozitiv, deci se resping reciproc. Pentru a realiza acest lucru, există câteva posibilităţi:

1. Fuziunea limitată magnetic. Numită şi fuziune continuă, încearcă efectiv să recreeze metoda stelară de obţinere a energiei, prin aducerea combustibilului la temperaturi de milioane de grade pentru a declanşa fuziunea nucleelor. La aceste temperaturi, agitaţia termică este foarte mare, ceea ce creşte considerabil probabilitatea ca nucleele să se ciocnească. Problema majoră este crearea acestei plasme, ca şi controlul ei, în principal pentru că ar topi orice structură ce ar ţine-o captivă. Soarele reuşeşte acest lucru datorită imensei gravitaţii pe care o exercită. Acest lucru se poate realiza eventual în câmp magnetic, deoarece plasma este formata din ioni şi electroni, cu sarcină electrică.

2. Fuziunea limitată inerţial. Este o idee diferită care se bazează pe acelaşi principiu. O cantitate mică de plasmă, de o mie de trilioane de ori mai densă decât cea folosită în cazul fuziunii limitate magnetic, este creată utilizând lasere pentru a încălzi rapid materia. Acest procedeu nu necesită ca plasma să fie captată într-un câmp magnetic, reacţia este rapidă, inerţia combustibilului este îndeajuns pentru a-l ţine laolaltă până când fuziunea are loc.

3. Fuziunea catalizată de miuoni. Acest tip de fuziune este foarte diferit. Un miuon negativ este o particulă elementară similară unui electron, însă de 207 ori mai masivă. Datorită acestei mase, un miuon orbitează nucleul unui atom mult mai aproape. Astfel, dacă electronii se înlocuiesc cu miuoni, sarcina pozitivă a nucleelor unul faţă de altul va fi anulată, forţa repulsivă va fi învinsă mult mai uşor, iar miuonul va fi ejectat în timpul procesului, lipindu-se de alt nucleu. În acest fel nu mai este nevoie de temperaturi extreme pentru declanşarea reacţiilor. Numai că introducerea miuonilor în atomi este extrem de dificilă; mai mult, aceştia au o durată de viaţă foarte scurtă, de ordinul unei milionimi de secundă. Energia şi costurile producerii miuonilor ar putea întrece rezultatele fuziunii.


Efectul de praştie

Acest efect este cunoscut de multă vreme şi deja folosit în misiuni spaţiale, atunci când o sondă trece tangenţial pe lângă o planetă, folosindu-se de gravitaţia acesteia pentru a mări viteza.

Însă în acest caz ne referim la deplasări mult mai rapide, la forţe care ne-ar putea propulsa şi repede, şi departe. În loc de planete de ce să nu folosim stele?

Cea mai bună soluţie ar fi să ne folosim de un sistem de două stele neutronice aflate pe orbite extrem de apropiate şi rapide. Aceste corpuri au o asemenea forţă încât pot ejecta la viteze impresionante planete. O navă nu ar reprezenta nicio problemă pentru ele şi ar putea fi accelerată până la o treime din viteza luminii.

Există însă dezavantaje evidente. Trecând peste periculozitatea apropierii de asemenea stele extreme, cum ajungem lângă un astfel de sistem? Şi ce ni se va întâmpla când vom fi supuşi acceleraţiei imense?


Animaţie suspendată

Nu, aceasta nu reprezintă un tip de propulsie, însă este o modalitate prin care omul poate rezista unei călătorii îndelungate. Echipajului îi este indusă o stare asemănătoare hibernării, în care funcţiile corporale sunt reduse aproape de zero, urmând să fie treziţi doar când ajung la destinaţie sau dacă se iveşte o problemă.

Deocamdată medical nu s-a reuşit acest lucru, nici măcar în ceea ce priveşte criogenia. Dacă această metodă ar putea fi aplicată, am putea efectua călătorii interstelare chiar dacă tehnologia nu ar evolua mult în viitor.


Antimateria

Antimateria este, în opinia tuturor, combustibilul viitorului. Şi este reală. Cantităţi extrem de mici sunt produse chiar pe Pământ. Este cea mai scumpă substanţă de pe Terra.

Antimateria ar fi cel mai bun combustibil posibil. Anihilarea materie-antimaterie duce la completa transformare a masei în energie, şi nu doar a unei părţi a acesteia, ca în cazul fuziunii sau fisiunii. Pentru a pune în mişcare toate navele spaţiale ale NASA, ar fi necesare doar 100 miligrame de antimaterie! Antimateria este formată, ca şi materia, din particule elementare, însă sarcina electrică, precum şi celelalte numere cuantice, sunt inversate.

Antimateria nu există în natură în mod obişnuit, deoarece se anihilează imediat cu materia obişnuită, dar există anumite procese care o creează. Pe Terra, ea trebuie produsă. Stocarea se face în câmp magnetic.

Există două posibilităţi, să folosim reacţia electron-pozitron, sau anihilarea proton-antiproton. Prima produce raze gama puternice, imposibil de controlat. A doua anihilare produce particule încărcate electric (în special pioni cu viteză apropiată de cea a luminii), care pot fi direcţionaţi cu ajutorul unui câmp magnetic. Această din urmă reacţie prezintă masa rămasă în urma procesului, nu este o anihilare completă ca în cazul electron-pozitron, deci energia obţinută este ceva mai redusă.

Un mare avantaj al unui motor cu antimaterie este acela că nu este nevoie de un reactor, anihilarea producându-se spontan. Cu o rachetă propulsată de antimaterie, călătoria până la Marte ar dura câteva săptămâni şi ar folosi doar 4 miligrame de antimaterie. În condiţiile actuale de folosire a rachetelor chimice, această călătorie este estimată la 1-2 ani.

Există probleme şi în cazul antimateriei. Cea mai complicată pare să fie chiar producerea acesteia. Deşi avem nevoie de doar câteva miligrame, sau câteva kilograme pentru a ajunge până la Proxima Centauri, cea mai apropiata stea de Soare, aflată la 4,2 a.l., pe Terra, în acceleratoarele de particule, se produc anual doar 1-10 nanograme de antiprotoni. Asta înseamnă că pentru producerea unui gram de antimaterie ar fi nevoie de cel puţin 100 milioane de ani!

Pe lângă această problemă, mai intervine şi stocarea. Există o capcană de antiprotoni, ce poate stoca 10^10 antiprotoni timp de o săptămână, folosind o combinaţie de câmpuri magnetice şi electrice. Următoarea etapă va fi captarea a 10^12 antiprotoni, însă se estimează că pentru propulsia cu antimaterie este necesara stocarea a 10^20 antiprotoni.

Impulsul specific descrie eficienţa unei rachete, reprezintă impulsul (schimbarea de moment) pe unitate de combustibil. Cu cât este mai mare, cu atât mai puţin combustibil este necesar pentru a atinge un anumit moment dorit. Dacă în cazul rachetelor chimice plecăm de la un impuls specific de 450 s, urmând motorul cu fisiune cu impuls de 1.000 s, motoarele ionice cu 3.000 s, motorul cu fuziune făcând un salt impresionant până la 200.000 s, ajungem la motorul cu antimaterie ce poate avea un impuls specific de până la 10.000.000 s! Velele solare şi motorul ramjet, datorită faptului că nu au o cantitate fixă de combustibil (sau nu au deloc), au practic impulsul specific considerat infinit, nefiind limitate în acest sens.

Călătoria în spaţiu. Variante de propulsie. 3