Vähän vanhempia postauksia tältä syksyltä:
Se, että päästään pitemmälle avaruusmatkailussa vaatii sen, että kehitetään täysin uusi moottori, joka ei toimi nesteellä.
Tarkoitat varmaan kemiallisia raketteja? Kemiallinen raketti saa energiansa ajoaineeseen varastoidusta kemiallisesta energiasta (ruuti, APCP, LH2-LOX eli "Hydrolox", RP1-LOX eli "Kerolox" jne).
Sähkö voisi olla vastaus, mutta miten alus voi ladata matkallaan?
Sähköä käytetään ionimoottoreissa, joita on käytetty luotaimissa. Sähkö tulee aurinkopaneeleista (kun ollaan tarpeeksi lähellä Aurinkoa). Kauempana (esim. Jupiterin radan tienoilla tai kauempana) sähköä voi saada paristoista ja sellaisista, mutta niitä on käytetty tosi vähän. Myös säteilytys (BEP, Beamed Energy Propulsion) on suunnittelupöydällä.
Tosiasia kuitenkin on se, ettei maan painovoimakuilusta nousta kuin kemiallisella raketilla, mutta matkailu sitten aurinkokunnassa onkin eri juttu.
Joo. Planeetan pinnalta nouseminen vaatii työntövoimaa (täytyy olla suurempi kuin gravitaatiokiihtyvyys, jotta raketti irtautuu pinnasta). Koska raketin teho on kiinni työntövoimasta ja pakosuihkun nopeudesta, niin ellei tehoa saada lisättyä, pakosuihkun nopeus "jää piippuun". Se puolestaan näkyy raketin massasuhteessa: Saturn- ja SLS Block 1 -rakettien massasuhteessa ei ole kauheasti eroa, vaikka ajallisesti niiden välillä on yli 50 vuotta.
Olet hyvin avannut teknologioita. Kun kerran olen tätä samaa aihetta pyöritellyt, niin teen tähän lyhyen yhteenvedon ja omat jaotteluni teknologioiden suhteen.
- - -
Tässä jonkinlainen lyhyt yleiskatsaus kenttään.
Avaruusalusten moottorit on tarkoitettu nopeuden muuttamiseksi. Kappaleen rata avaruudessa on yksikäsitteisesti määritelty paikka- ja nopeusvektorilla, ja koska paikkavektoria ei voi muuttaa (ilman teleportaatiota), niin rata muutetaan nopeutta muuttamalla.
Moottorit voi jakaa ensin karkeasti ajoaineellisiin ja ajoaineettomiin moottoreihin. Tällä hetkellä käyttökelpoinen ajoaineeton moottori on nk. aurinkopurje, joka tavalla tai toisella (purjeella, sähköisesti, magneettisesti) välittää Auringosta tulevan hiukkasvirran liike-energiaa aluksen liike-energiaksi.
Ajoaineellisia moottoreita on vaikka kuinka paljon. Niissä tärkeimmät komponentit ovat ajoaine (propellant) ja sen liikuttamiseksi käytössä oleva energia. Ajoaineen liike-energia muuttaa aluksen liike-energiaa Tsiolkovskin rakettiyhtälön mukaisesti:
delta-v = ln(m0 / mf) * ve
Massasuhde (m0 / mf) voidaan merkitä kirjaimella R. Koko logaritmi voidaan merkitä kertoimella k, eli k = ln(R) kertoo sen, miten ajoaineen liike-energia muuttuu aluksen liike-energiaksi: delta-v = k * ve. Logaritmisen luonteensa vuoksi massasuhde kasvaa järjettömäksi, jos tavoitellaan isoa kerrointa (R = e^k) eli pakosuihkun nopeus (ve) on pieni suhteessa tavoiteltuun aluksen nopeuden muutokseen (delta-v).
Tästä päästään energiaan ja tehoon. Kun meillä on X kg ajoainetta ja Y J energiaa, niin tästä voi laskea ajoaineen teoreettinen suihkutusnopeus (E = ½mv² --> v = sqrt(2E/m). Teho [J/s] on hetkellinen energiankulutus, jonka kaava raketille on P = ½mv² = ½Fv, jossa m on dot-m eli massavirta [kg/s]).
Mistä se energia otetaan?
Kemiallisilla raketeilla energia tulee ajoaineesta itsestään. Sillä on kuitenkin rajansa, esim. LH2+LOX -reaktio antaa n. 15 MJ/kg, joka rajaa nestevetyraketin ajoaineen suihkun teoreettiseksi maksiminopeudeksi noin 5.5 km/s (Isp ~ 550 s).
Sähköisillä raketeilla (ionimoottorit) ajoaineen kiihdytys tehdään sähköisesti. Sähköä voidaan saada voimalasta. Periaatteessa ionimoottorin energianlähteeksi voitaisiin rakentaa RP1+LOX -generaattori, mutta hyötysuhde jäisi pienemmäksi kuin polttaa kerosiini ja happi nestemoottorilla.
Yleisimmin sähköä saadaan "aurinkovoimalasta" eli aurinkopaneeleilla. Tällöin raketti on itse asiassa BEP-raketti, sen energianlähde on ulkoistettu (Aurinko) ja vastaanotetaan "antennilla" alukseen. Samaa periaatetta voidaan kyllä käyttää muutenkin: maassa oleva mikroaaltolähetin säteilyttää energiaa alukseen, joka jonkinlaisella "antennilla" ottaa sen vastaan ja käyttää sen ajoaineen kiihdyttämiseen.
Säteilynä tulevaa energiaa ei tarvitse muuttaa sähköksi, jos se saadaan kätevästi suoraan ajoaineen lämmöksi, ja lämmöstä ajoaineen liike-energiaksi suutimella kuten kemiallisissa raketeissa.
Lämpöydinraketilla energia otetaan ydinpolttoaineesta. Kuten kemiallisissa raketeissa, lämpö muutetaan kineettiseksi energiaksi suutimella. Siinä puolestaan yksi kriittinen tekijä on polttokammion lämpötila. LH2-LOX -raketilla polttokammiossa ajoaineen lämpötila on noin 2000C, samoin NERVA:ssa:
en.wikipedia.org
NERVA polttaa uraania todella säästeliäällä liekillä pitääkseen lämpötilan aisoissa. Sen pakosuihkun nopeus on kuitenkin kaksinkertainen kemiallisiin raketteihin verrattuna, mutta se johtuu siitä, että se käyttää ajoaineena pelkkää vetyä. Kevyemmällä aineella on enemmän liike-energiaa samassa lämpötilassa.
Ydinraketin pakosuihkuun saa nopeutta nostamalla lämpötilaa. Suurin mielenkiinto tällä saralla kohdistuu nk. "kaasuydinmoottoreihin", Gas Core Nuclear Rocket eli GCNR:
en.wikipedia.org
Kun ydinpolttoaineen lämpötila menee satoihin tuhansiin tai miljooniin asteisiin, jotta se voi lämmittää ajoaineen samaan lämpötilaan, niin ongelmia tietysti syntyy siitä, ettei mikään aine sellaista kestä. Siksi esimerkiksi VASIMR-moottorin kanssa tehty työ magneettikentillä hallitusta suihkusta voi edesauttaa myös GCNR-rakettien kehityksessä.
- - -
NASA on valinnut kolme yritystä (lisäksi kaiketi SpaceX itekseen) kehittää ydinkäyttöstä rakettimoottoria tyhjiössä matkustamiseen. Perustuen siis siihen, että ydinmylly lämmittää vetyä todella kuumaksi ja lykkää tän ulos. Tämä on yli kaks kertaa tehokkaampaa kuin polttaa sitä vetyä hapen kanssa perinteisessä moottorissa. Jep, vetyä pitää olla tankissa. Vety on paljon tilaa vievä polttoaine, eikä sitä oikein kannata nostaa maasta, mutta yleisimpänä alkuaineena sitä löytyy muualtakaan, kuten kusta ja Marsista. Tällänenhän oli jo miltei valmiina, Nerva, mutta Nixon lopetti sen rahotuksen seiskytluvun alussa.
Juuri näin.
Sitten jo nyt on käytössä ionimoottorit. Niiden työntövoima on vähänen, mutta ne on todella tehokkaita, vähän polttoainetta vaativia (ja periaatteessa voivat kerätä lisää lentäessään) ja ISP on 2000 -5000 sekuntia. Näitähän on siis käytössä tällä hetkelläkin, StarLink satelliitit käyttää, samoin komeettaluotiamet jne.
Juuri näin. Monissa ionimoottoreissa tuo ajoaineen vähäisyys on jopa vaatimus, sillä monet niistä käyttävät ajoaineena raskaita jalokaasuja, joita ei ole saatavilla määrättömästi.
Tästä sellanen isoon alukseen soveltuva kehitys on VASIMIR moottorit (ISP jopa 10k). Tämä toki vaatii jälleen ydinvoimalaa sähköntuotantoon ja iso sellanen taas tuottaa niin paljon hukkalämpöä, että siitä eroon pääseminen.. mutta teknisesti siis mahdollinen.
Voi olla, että ydinvoimalan kanssa VASIMR jää vähän piippuun, koska silloin moottorin + voimalan massa kasvaa niin suureksi, että hyötykuorma jää pieneksi. Mutta VASIMR:llä on monta etua puolellaan verrattuna nykyisiin ionimoottoreihin, ja itse seuraan kiinnostuneena ionisoidun ajoaineen hallintaa magneettisella suutimella.
Yksi sähkösen moottorin kehityspolku on MET moottori, jossa mikroaalloilla kuumennetaan vettä ja vesihöyryplasma liikuttaa alusta.. tässä konseptissa on monia hyviä puolia, kun vesi suojaisi aluksen sisällä olevia, ei myrkyllisiä aineita, ei ydinmateriaaleja, pitkät voimantuottoajat.. mutta toki energiavaade on aikas iso, eli sitä sähköä käytännössä kuitenkin pitäsi tuottaa ydinmyllyllä. Pienimuotosena tämmönen on jo testissä minisatelliittikoossa.
Vesi ajoaineena on toisaalta todella haluttu (myrkytön, helppo varastoida), toisaalta ei (suuremman molekyylipainon takia suihkun nopeus jää pienemmäksi kuin vedyllä). Tällaiseen moottoriin voidaan ottaa tarvittava energia samoin kuin muihinkin sähköisiin moottoreihin.
Aurinkopurjetta on testattu ja toimii kyllä. Nopea se ei ole, mutta ”ilmaista” työntövoimaa, joka ei lopu sisäplaneettojen alueella lainkaan. Ja onhan tätä ajateltu Starshot projektinkin työntövoimakskin (siis sen, jossa Proxima Centauri:lle lennettäs 20 vuodessa)
Näinpä.
..futuristista tietty on puhua fuusiomoottoreista, mutta nyt kun näitä yksityisten kehitysprojekteja, jotka ei perustu Tokmak systeemeihin, katsoo, niin ne on pienikokosia ja kevyitä ja jos toimii, lennätettävissä myös avaruuteen… sit joskus.
Piirrustuspöydällä on tällainen fuusiomoottorikonsepti, DFD eli Direct Fusion Drive:
en.wikipedia.org
Kyllä tuolla on toki vielä paljon matkaa jäljellä, ennen kuin se lennättää aluksia avaruudessa, mutta erilaiset lämpöydinmoottorit ovat suurenkin kiinnostuksen kohteena.