Affrontare la gravità nei lanci spaziali non è un compito facile. I razzi convenzionali sono molto costosi, generano molti detriti e, in pratica, sono molto pericolosi. Fortunatamente, la scienza non si ferma e appaiono sempre più modi alternativi che ci promettono modi più efficienti, meno costosi e più sicuri per conquistare lo spazio. Oggi parleremo di come l'umanità volerà nello spazio in futuro.
Ma prima di iniziare, è opportuno precisare che i motori a reazione chimica (CRM), che sono ormai utilizzati come base per tutti i lanci spaziali, sono uno strumento fondamentale per lo sviluppo del settore spaziale, quindi il loro utilizzo continuerà per diversi decenni fino a trovato e, soprattutto, ripetutamente testato una tecnologia in grado di fornire una transizione indolore a un livello fondamentalmente nuovo di lanci e voli spaziali.
Ma già ora, quando il costo dei lanci può ammontare a diverse centinaia di milioni di dollari, diventa chiaro che l'HRD è un vicolo cieco. Prendi l'ultimo Space Launch System come esempio. È questo sistema che è considerato dall'agenzia aerospaziale della NASA come la base per l'esplorazione dello spazio profondo. Gli esperti hanno calcolato che il costo di un lancio di SLS sarà di circa $ 500 milioni. Ora che lo spazio è diventato non solo una questione di Stati ma anche di società private, si è iniziato a offrire alternative più economiche. Ad esempio, il lancio di Falcon Heavy di SpaceX costerà circa 83 milioni di dollari. Ma è ancora molto, molto costoso. E non tocchiamo ancora la questione della compatibilità ambientale dei lanci spaziali basati sul CRD, che, senza dubbio, causano danni significativi all'ambiente.
La buona notizia è che scienziati e ingegneri stanno già proponendo modi e metodi alternativi per i lanci spaziali, e alcuni di loro hanno il potenziale per diventare tecnologie efficaci nei prossimi decenni. Tutte queste alternative possono essere riassunte in diverse categorie: tipi alternativi di lanci di jet, sistemi di trasporto stazionari e dinamici e sistemi di espulsione. Certo, non uniscono tutte le idee proposte, ma in questo articolo analizzeremo quelle più promettenti.
Tipi alternativi di lanci di jet
Spinta del getto laser
Reindirizzamento del flusso di plasma per aumentare la spinta
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I missili in uso oggi richiedono enormi quantità di propellenti solidi o liquidi e molto spesso la loro portata ed efficacia sono limitate dalla quantità di carburante che possono trasportare. Tuttavia, esiste un'opzione che supererà questi limiti in futuro. La soluzione potrebbe essere installazioni laser speciali che invieranno razzi nello spazio.
I fisici russi Yuri Rezunkov dell'Istituto per lo sviluppo di strumenti optoelettronici e Alexander Schmidt dello Ioffe Physicotechnical Institute hanno recentemente descritto il processo di "ablazione laser", secondo cui la spinta di un aereo sarebbe generata utilizzando la radiazione laser generata da un dispositivo laser esterno alla navicella spaziale. Come risultato dell'esposizione a questa radiazione, il materiale della superficie ricevente verrà bruciato e verrà creato un flusso di plasma. Questo flusso fornirà la spinta necessaria in grado di accelerare il veicolo spaziale a velocità decine di volte superiori alla velocità del suono.
Se omettiamo tutta la natura fantastica di questo metodo, prima di creare un sistema del genere, sarà necessario risolvere due problemi: il laser in questo caso deve essere incredibilmente potente. Così potente che può letteralmente vaporizzare il metallo su una distanza di diverse centinaia di chilometri. Da qui un altro problema: questo laser può essere usato come arma per distruggere altri veicoli spaziali.
Lanci stratosferici e aerei spaziali
Meno concettuale e più realistico sembra essere il metodo di lancio di veicoli spaziali con l'aiuto di speciali potenti trattori aerei che trasportano carichi.
Chi ha detto che il metodo di Virgin Galactic potrebbe essere utilizzato solo per il turismo spaziale? La società prevede di utilizzare il suo dispositivo LauncherOne come sistema di trasporto per lanciare satelliti compatti fino a 100 chilogrammi nell'orbita terrestre. Considerando la velocità con cui i sistemi spaziali vengono ora miniaturizzati, l'idea è molto interessante.
Altri esempi di un sistema di lancio sono il veicolo spaziale XCOR Aerospace Lynx Mark III (nella foto sopra) e il veicolo spaziale Orbital Sciences Pegasus II (nella foto sotto).
Uno dei vantaggi dei lanci spaziali dallo spazio aereo è che i razzi non devono viaggiare in un'atmosfera molto densa. Di conseguenza, il carico sul dispositivo stesso diminuirà. Inoltre, l'aereo è molto più facile da avviare. È meno suscettibile ai cambiamenti climatici atmosferici. Alla fine, la caratteristica di tali lanci apre più possibilità in termini di scala selezionabile.
Gli aerei spaziali sono un'altra opzione. Questi velivoli riutilizzabili saranno simili alla navetta in pensione e al Buran, ma a differenza di quest'ultimo, non richiederanno l'uso di enormi veicoli di lancio per lanciarsi in orbita. Uno dei progetti più promettenti e avanzati a questo proposito è l'aereo spaziale britannico British Skylon (nella foto sopra), un velivolo monostadio per entrare in orbita. La spinta del jet della navicella sarà generata da due motori a getto d'aria, che la accelereranno fino a una velocità 5 volte superiore a quella del suono e la porteranno a un'altitudine di quasi 30 chilometri. Tuttavia, questo è solo il 20 percento della velocità e dell'altitudine richieste per una passeggiata nello spazio, quindi lo spazioplano, dopo aver raggiunto il soffitto, passerà alla cosiddetta "modalità razzo".
Sfortunatamente, ci sono ancora molte difficoltà tecnologiche sulla strada per l'attuazione di questo progetto che devono ancora essere risolte. Ad esempio, ci si aspetta che gli spaziplani debbano affrontare un cambiamento non pianificato nella loro traiettoria di salita a causa di pressioni dinamiche elevate e temperature estreme, che inevitabilmente influenzeranno le parti più sensibili del velivolo. In altre parole, tali piani spaziali possono essere pericolosi.
Un altro esempio di piane spaziali in fase di sviluppo è il Dream Chaser, sviluppato dalla Sierra Nevada Corporation per l'agenzia aerospaziale della NASA (nella foto sopra).
Sistemi di trasporto stazionari e dinamici
Se non macchine volanti, allora la soluzione sono enormi strutture che raggiungono altezze incredibili o addirittura direttamente nello spazio.
Ad esempio, Geoffrey Landis, scienziato e scrittore di fantascienza, propose l'idea di costruire una gigantesca torre, la cui cima avrebbe raggiunto i limiti dell'atmosfera terrestre. Situato a circa 100 chilometri sopra la superficie terrestre, può essere utilizzato come piattaforma di lancio per razzi convenzionali. A questa altitudine, i razzi praticamente non devono affrontare alcun impatto dell'atmosfera terrestre.
Un'altra opzione di costruzione che ha attirato l'attenzione di molti rappresentanti delle comunità scientifiche e pseudo-scientifiche è l'ascensore spaziale. In effetti, questa idea risale al XIX secolo. La versione moderna propone di allungare un cavo per impieghi gravosi fino a un'altitudine di 35.400 chilometri (che è oltre la posizione della maggior parte dei satelliti di comunicazione) chilometri sopra la superficie terrestre. Dopo aver effettuato tutte le equilibrature necessarie sul cavo, si propone di mettere in servizio i mezzi di trasporto operanti a trazione laser con un carico.
Illustrazione di un ascensore spaziale su Marte
L'idea degli ascensori spaziali ha davvero il potenziale per creare una vera rivoluzione nel trasporto spaziale verso l'orbita terrestre. Ma sarà molto difficile tradurre questa idea nella vita reale. Ci vorrà molto tempo prima che gli scienziati creino un materiale in grado di supportare il peso di una tale struttura. Le opzioni in esame sono ora nanotubi di carbonio, o meglio strutture basate su intrecci di diamante microscopici con nanofibre ultrasottili. Ma anche se troviamo un modo per costruire un ascensore spaziale, non risolverà tutti i problemi. Vibrazioni pericolose, vibrazioni intense, collisioni con satelliti e detriti spaziali sono solo alcuni dei compiti che dovranno essere affrontati.
Un'altra alternativa proposta sono i giganteschi "volani orbitali". I volani sono satelliti rotanti con lunghi cavi divergenti in due direzioni diverse, le cui estremità entreranno in contatto con l'atmosfera del pianeta durante la rotazione. In questo caso, la velocità di rotazione della struttura compenserà parzialmente o completamente la velocità orbitale.
Il portale del braccio di Orione spiega come funzionano:
“Sulla parte inferiore del cavo, situata vicino a un pianeta delle dimensioni della Terra, ci sarà una piattaforma di attracco situata a un'altitudine di 100-300 chilometri sopra la superficie (mentre la lunghezza dei cavi dal centro del volano sarà di diverse migliaia di chilometri). Questa altezza è stata scelta perché qui l'effetto dell'atmosfera sul "volano" stesso sarà ridotto al minimo, così come saranno ridotte al minimo le perdite gravitazionali delle navette di attracco. L'attracco avverrà a velocità molto basse sia del volano stesso che della navetta di attracco, solitamente al culmine della traiettoria suborbitale parabolica impostata dal veicolo di lancio. In questo caso, la navetta sarà relativamente immobile rispetto al "volano" e potrà essere afferrata da un gancio speciale e quindi tirata alla chiusa di attracco o alla piattaforma di atterraggio. Per un corretto posizionamento in orbita, i "volani" useranno i propulsori."
Poiché i volani saranno situati interamente nello spazio, non fissati alla Terra, non dovranno subire lo stesso stress fisico dell'ascensore spaziale, quindi questa idea potrebbe rivelarsi più praticabile.
Quando si tratta di strutture dinamiche, Popular Mechanics descrive almeno due opzioni principali:
“Strutture come la 'fontana spaziale' e il 'circuito di Lofstrom' manterranno la loro integrità strutturale a causa degli effetti elettrodinamici o degli impulsi che muovono le parti al loro interno, così come il carico e i passeggeri che entrano in orbita. Rotovators sembra essere un concetto più interessante. Questa idea propone la costruzione di una grande struttura orbitale con un cavo rotante nel piano dell'orbita in modo che nel punto del cerchio più vicino alla Terra, la velocità dell'estremità del cavo rispetto al centro sia opposta alla velocità orbitale. Così il cavo, superando il minimo, può raccogliere l'oggetto desiderato, che ha una velocità inferiore al primo cosmico, e rilasciarlo nel punto di massima distanza con una velocità che è già maggiore del primo cosmico”.
Assomiglierà alla "gif"
Un'altra alternativa al cavo spaziale e all'ascensore è una torre gonfiabile verticale che può crescere di 20-200 chilometri di altezza. I progetti proposti da Brendan Quinn e dai suoi colleghi saranno eretti sulla cima della montagna e sono perfetti per la ricerca atmosferica, l'installazione di apparecchiature di comunicazione televisiva e radio, il lancio di veicoli spaziali e il turismo. La torre stessa sarà realizzata sulla base di più sezioni di scorrimento pneumatiche controllate esternamente.
“La scelta di una torre aiuterà a evitare i problemi associati all'ascensore spaziale. Si tratta della forza di un materiale da costruzione adatto per lavorare nello spazio, della difficoltà di produrre un cavo lungo almeno 50.000 chilometri e di affrontare la minaccia dei meteoriti nell'orbita terrestre bassa , hanno detto i ricercatori che hanno proposto il progetto della torre.
Per testare la loro idea, hanno costruito un modello della torre di 7 metri con sei moduli, ognuno dei quali era basato su tre tubi installati attorno a un vano cilindrico riempito d'aria.
È interessante notare che una tecnologia simile può essere utilizzata nella costruzione del "molo spaziale" proposto da John Storrs Hall. Secondo questo concetto, si propone di erigere una struttura alta 100 chilometri e lunga 300 chilometri. Con questa configurazione, l'ascensore si sposterà direttamente al punto di lancio. Il lancio stesso del payload in orbita avverrà con un'accelerazione di soli 10 g.
"Questa opzione ibrida ignora gli svantaggi delle opzioni proposte con una torre orbitale (la dimensione del molo è molto più piccola, quindi, è più facile da costruire) e le difficoltà che dovranno essere affrontate con i lanci elettromagnetici (la densità e la resistenza dell'aria a un'altitudine di 100 chilometri è un milione di volte inferiore rispetto al livello mare) ", afferma Hall.
Sistemi di catapulta
Se tutte le idee proposte per il lettore medio possono sembrare completamente fantascienza, allora le seguenti sono molto più vicine alla realtà di quanto potrebbero sembrare a prima vista. Un'altra alternativa ai lanci di razzi sono i sistemi di catapulte, in cui i veicoli spaziali verranno lanciati nello spazio come un cannone.
È abbastanza ovvio che in questo caso il carico stesso dovrà essere progettato per l'impatto di forze estreme. Tuttavia, i sistemi di catapulte possono diventare uno strumento davvero efficace per inviare un carico utile nello spazio, dove verrà raccolto dai veicoli spaziali situati lì.
I sistemi di catapulta possono essere suddivisi in tre tipi principali: elettrico, chimico e meccanico.
Elettrico
Questo tipo include i cannoni a rotaia, o catapulte elettromagnetiche, che funzionano secondo il principio degli acceleratori elettromagnetici. Durante il lancio, il veicolo spaziale verrà posizionato su speciali binari di guida e accelerato bruscamente utilizzando un campo magnetico. In questo caso, la forza di accelerazione sarà sufficiente per portare il dispositivo fuori dall'atmosfera terrestre.
Tuttavia, la caratteristica di progettazione di tali sistemi li renderà molto voluminosi e costosi da costruire. Inoltre, tali sistemi consumeranno un'enorme quantità di elettricità. Nonostante la loro potenza, le catapulte elettromagnetiche dovranno comunque affrontare alcuni dei problemi associati alla gravità e alla densa atmosfera terrestre. Se vengono utilizzati, è più probabile su pianeti con gravità inferiore e un'atmosfera rarefatta.
Chimica
Propone di lanciare oggetti nello spazio usando enormi cannoni alimentati da un gas combustibile come l'idrogeno. Tuttavia, come con qualsiasi sistema di espulsione, il carico inviato nello spazio dovrà subire un aumento dei carichi durante il lancio. Inoltre, tali sistemi non possono essere utilizzati per inviare persone nello spazio. Inoltre, dovrebbero essere utilizzate apparecchiature aggiuntive che consentirebbero di lanciare merci, come i satelliti compatti, in orbita permanente. Altrimenti, l'oggetto lanciato, avendo raggiunto l'altitudine massima, ricadrà semplicemente sulla Terra.
Progetto HARP (High Altitude Research Project). Questo cannone ha sparato un proiettile a razzo Martlet-2 a un'altitudine di 180 chilometri. Il record è ancora detenuto
Lo sviluppo logico del progetto HARP è stato il progetto SHARP (Super High Altitude Research Project). Negli anni '90 del secolo scorso, i ricercatori del Lawrence Livermore Lab hanno condotto una dimostrazione del lancio di proiettili a una velocità di 3 chilometri al secondo (anche se non in altezza, ma a terra). Alla fine, gli scienziati sono giunti alla conclusione che la costruzione di un vero campione funzionante di un'arma del genere richiederebbe almeno 1 miliardo di dollari. Il quadro è stato anche rafforzato dal fatto che gli scienziati non sono riusciti a raggiungere la velocità del proiettile pianificata di 7 chilometri al secondo.
Meccanico
Le pistole meccaniche possono servire come alternativa alle pistole elettromagnetiche e chimiche. È vero, non è del tutto corretto chiamare tali sistemi pistole. Piuttosto, è una specie di fionda. Un esempio è il progetto Slingatron di HyperV Technologies Corp.. Il sistema stesso è una struttura cava a spirale all'interno. Un oggetto posto all'interno della spirale viene accelerato ruotando l'intera struttura attorno a un punto fisso.
In teoria, lo slingatron è in grado di fornire l'accelerazione necessaria. Tuttavia, come sottolineano gli stessi sviluppatori, il sistema non è adatto per lanciare in orbita persone e grandi carichi. Ma questo metodo potrebbe essere utilizzato per inviare piccoli carichi nello spazio, come forniture d'acqua, carburante e materiali da costruzione.
Una vista a grandezza naturale dello slingatron sarebbe simile a questa
Come sarà davvero il futuro?
È estremamente difficile prevedere quale sarà la risposta a questa domanda. Scoperte tecnologiche inaspettate e gli effetti da esse creati possono portare al fatto che tutte le opzioni per i lanci spaziali senza razzi considerate oggi diventeranno alla pari con l'efficienza. Ora non è così, come si può vedere almeno dalla tabella comparativa qui.
Prendi il potenziale della tecnologia di assemblaggio molecolare come esempio. Una volta che padroneggiamo quest'area, non abbiamo più bisogno di lanciare nulla nello spazio. Cattureremo semplicemente gli asteroidi nel sistema solare e creeremo da loro (o meglio i materiali utili in essi contenuti) quello che vogliamo proprio nello spazio. La cosa più interessante è che i progressi in questa direzione sono già visibili oggi. Ad esempio, l'astronauta della NASA Barry Wilmore una volta aveva bisogno di una chiave regolabile compatta. Sembrerebbe, qual è il problema: andare al negozio di utensili più vicino? Solo il negozio di attrezzi più vicino in quel momento non era vicino a Wilmore, poiché l'astronauta era a bordo della Stazione Spaziale Internazionale!La NASA è uscita dalla situazione con garbo: ha inviato un'e-mail alla ISS con un diagramma della chiave richiesta e ha offerto a Wilmore di stamparlo lui stesso su una stampante 3D a bordo. Questo è solo un esempio che mostra che in un tempo relativamente breve non avremo bisogno di lanciare nulla nello spazio. Tutto verrà creato già sul posto.
Quanto alle risorse necessarie, anche questo cesserà di essere un problema. La fascia degli asteroidi è piena del materiale necessario: il suo volume è quasi la metà della massa della nostra Luna. Un giorno giungeremo alla conclusione che un intero sciame di sonde spaziali simili a "Philae" atterrerà semplicemente sul prossimo asteroide o meteorite e produrrà risorse minerali su di loro. La NASA vuole condurre la prima missione del genere nel 2020. Si prevede di catturare un piccolo asteroide, metterlo in un'orbita lunare stabile e lì farvi atterrare gli astronauti, che possono studiare il ciottolo spaziale e persino raccogliere campioni interessanti del suo suolo.
Portare le persone nello spazio è un problema diverso, soprattutto se si considera che in futuro ci sono piani per passare alla massa inviando persone nello spazio. Alcune delle idee proposte, come l'ascensore spaziale, potrebbero effettivamente funzionare. Ma solo se non stiamo parlando della conquista dello spazio profondo. Pertanto, in questa materia dovremo fare affidamento sui tradizionali lanci di razzi per molto tempo. Le loro idee sono già state espresse sia a livello statale che nella sfera privata. Riprendi lo stesso Elon Musk con il suo progetto di colonizzazione su Marte.
Dobbiamo anche tener conto del fatto che il corpo umano non è realmente progettato per una permanenza molto lunga nello spazio. Pertanto, fino a quando non arriveremo a tecnologie efficaci che consentano di creare gravità artificiale, i robot possono diventare una soluzione parziale a questo problema. I robot possono essere inviati nello spazio e controllati a distanza dalla Terra utilizzando la realtà aumentata o virtuale.
I robot hanno una reale possibilità di essere la chiave per iniziare la nostra esplorazione dello spazio profondo. È del tutto possibile che in un futuro più lontano impareremo come digitalizzare il nostro cervello e trasmettere queste informazioni ai supercomputer a bordo di stazioni spaziali remote, dove verranno caricate in una varietà di avatar robotici, con i quali spianeremo la nostra strada verso le lontane frontiere dello spazio.
NIKOLAY KHIZHNYAK
