Pokud jde o lety ve vesmíru, jedním ze zásadních problémů je palivo. Každá kosmická loď může manévrovat tak dlouho, dokud ji má co pohánět. Co kdyby si ale taková loď sama těžila palivo na objektech Sluneční soustavy? To by pak mohla létat vesmírem, tedy alespoň blízkým vesmírem věčně, nebo přinejmenším po docela dlouhou dobu.
Na vývoji takové kosmické lodi spolupracuje Phil Metzger z Univerzity Centrální Floridy s americkou soukromou společností Honeybee Robotics z kalifornské Pasadeny. Z jejich spolupráce nedávno vzešel prototyp kosmické lodi s pozoruhodným jménem World Is Not Enough (WINE). Tahle loď si dovede vytěžit vodu z asteroidu nebo podobného vesmírného tělesa a s parním pohonným systémem pak doletí k dalšímu takovému tělesu. Projekt je úspěšným výsledkem programu NASA Small Business Technology Transfer. Ten zahrnuje projekty, v nichž spolupracují univerzity a malé soukromé společnosti, a popohání technologický pokrok v letech do vesmíru.
Univerzita Centrální Floridy pro tento výzkum poskytla simulovaný materiálu asteroidu, Metzger měl na starost počítačové modelování a simulace. Prototyp pohonné jednotky založené na páře dodali z Embry-Riddle Aeronautical University v Dayton Beach na Floridě. Letos na Silvestra, tedy 31. prosince prototyp WINE velikosti mikrovlnky vyzkoušeli v zařízení Honeybee Robotics na simulovaném materiálu asteroidu.
Podle Metzgera to bylo úžasné. WINE úspěšně natěžil materiál ze simulovaného asteroidu, vyrobil z něj palivo a pak odstartoval poháněný tímto palivem. Bylo to jako zrození Nového věku výzkumu Sluneční soustavy. Metzger věří, že s podobnou technologií by bylo možné létat na Měsíc, Ceres, Europu, Titan, Pluto, póly planety Merkur, a samozřejmě na asteroidy, všude tam, kde je dostupná voda a nepříliš silná gravitace.
Kosmická loď jako je WINE by mohla fungovat podle celé řady různých scénářů. Klíčová je podle Metzgera gravitace cílového objektu, a také jeho vzdálenost od Slunce. WINE má sice parní pohon, ale mohl by aktivovat solární panely, které zajistí energii potřebnou pro těžbu vody a výrobu potřebné páry. Pokud by kosmická loď na parní pohon letěla k Plutu nebo podobným vzdáleným tělesům Sluneční soustavy, tak by mohla mít k dispozici malé radioizotopové termoelektrické generátory elektřiny, které vytvářejí energii díky rozpadu radioaktivních prvků.
Vývoj kosmických lodí, které si budou samy doplňovat palivo, by mohl mít značný dopad na budoucí průzkum Sluneční soustavy. V současné době totiž meziplanetární mise končí, když kosmické lodi dojde palivo. Pak je nutné vyslat další misi, nejprve nosnou raketou do vesmírného prostoru, a pak dál do Sluneční soustavy. Přitom samozřejmě dochází k velkým ztrátám času i peněz. Kosmické lodi typu WINE jsou ale navržené tak, že jim palivo prakticky nikdy nedojde. Může je sice zastavit porucha nebo třeba srážka s kosmickým smetím, ale pokud se podobným nehodám vyhne, tak by taková kosmická loď mohla zkoumat blízký vesmír po dlouhou dobu. Tým kolem kosmické lodi WINE teď shání další partnery, s nimiž by pokračovali ve vývoji malé meziplanetární lodi s parním pohonem. Kdy asi odletí první taková loď do vesmíru?
Video: W.I.N.E. The World Is Not Enough
Let's put robots in space: Philip T. Metzger at TEDxOrlando
Literatura
UCF Today 10. 1. 2019.
Je možné se dostat na Mars za 3 dny bez červí díry?
Autor: Stanislav Mihulka (02.03.2016)
Budeme létat do vesmíru s plazmovými tryskovými motory?
Autor: Stanislav Mihulka (21.05.2017)
ESA poprvé na světě spustila elektrický pohon nasávající vzduch
Autor: Stanislav Mihulka (07.03.2018)
Diskuze:
Nihil novum sub Sole at asteroids
Josef Hrncirik,2019-01-22 10:39:55
Již chrabrá Luftwaffe použila do svého raketového Messerschmidt Me 163 místo parního kotle raketový pohon ne 90% H2O2, jak psáno v 10.1021/ie50556a025 .
Na s. 746 je uveden i specifický impulz 95% peroxidu;
při expanzním poměru trysky 150 činí v pohodě cca 1570 N.s, uvedeno zkráceně jako 160 s.
Byla vyzkoušena i přímá syntéza H2O2 z prvků tichým výbojem v plynu pod 1 kPa.
Výkon párostroje by bylo možno vylepšit forsážním vstřikováním stlačeného vodíku z elektrolýzy za slunečných dnů.
Z toho je zřejmo, že lepší než vodu je v papiňáku dusit směs 30% peroxidu s přídavkem cca 10% např. glykolu či glycerinu.
GOTT MIT UNS! (ALLAHU AKBAR!)
Myslel jsem, že jde o vtip nebo nadsázku...
Václav Dvořák,2019-01-21 22:23:29
Kdyby se jednalo o těžbu vody, he3 atd. pro následnou jadernou fůzi atd. tak by to celé dávalo větší smysl. No ale pohon na páru :)))
Na druhou stranu pro skoky na krátkou vzdálenost s natěženým materiálem, mezi těžebními zařízeními, proč ne...
závislost bodu varu na tlaku
Oldřich Wandas,2019-01-21 16:04:35
Při teplotě 274K bude tlak plynů na trysce 667Pa. Při této teplotě se vaří voda na Marsu.
http://147.33.74.135/knihy/uid_isbn-80-7080-535-8/pdf/069.pdf
Pára z komet také nemá 374K.
Re: závislost bodu varu na tlaku
Josef Hrncirik,2019-01-21 18:12:37
Velmi zhruba platí, že tlak páry nad ledem klesá ochlazením o 10°C cca 3x.
Podobně zhruba platí že zvýšením teploty vody o 10°C stoupne tlak jejích nasycených par cca 2x. Tento růst se při vyšších teplotách zpomaluje a u kritické teploty zastavuje. Příliš velká extrapolace je nevhodná. Pokud je tlak par při 0°C 666 Pa a při kritické teplotě cca 374°C cca 22 MPa pak tlak zvýšením teploty o 37,4 dekád stoupl přibližně exponenciálně 22 M/666 = 33000x; odhad průměrného zvýšení tenze par na dekádu by byl cca 33000**1/37,4 = 1,3 místo cca 2 v okolí 0°C.
Led který není extrémně chladný snadno sublimuje do kosmického vakua. Malá kometa udrží atmosféru vodní páry jen zanedbatelného tlaku, který sublimaci nezabrání.
Led by musel být hermeticky uzavřen v hornině nebo voda je sorbovaná v mikropórech, což ji dosti dobře chrání proti úniku do kosmu, pokud je adsorpce podpořena extrémním mrazem. Dostatečným zahřátím na cca 400°C se dá prakticky kvantitativně desorbovat.
I Široký v pohádce vyždímal z pískovce 5% vody nenápadným vyžíháním.
Scaling down má vždy své hranice. Raketa velikosti slona má skvělé parametry, které u rakety velikosti myši nelze dosáhnout. I uvolňování a řízení toků energií má své kritické průměry.
Josef Hrncirik,2019-01-21 09:06:09
Pod kritickým průměrem se nešíří detonace ani plamen (nukleární či v třaskavině).
Pod určitou velikostí přestávají být plynové turbíny a odstředivá čerpadla výhodné.
Proudění v malých průměrech či malých ventilech a tryskách je příliš utlumeno, ev. chem. reakce nestačí proběhnout či ztráty tepla či energie k čerpání jsou příliš velké.
Pálit palivo v malých plivancích vede k nízké účinnosti. Jak se zmenšuje využití impulzu paliva s klesající dávkou v korekčních motorcích?
V malém měřítku ani není výhodné zkapalnit či udržovat zkapalněný O2 či H2 či je čerpat. Příliš stlačené plyny vyžadují těžké tlakové nádoby a problém je s chlazením trysky spalovaných plynů.
Nemáš prachy na prach? Pořiď si nerezový papiňák! Nevěš hlavu, ale naplň ho přesně podle Mollierova diagramu!
Josef Hrncirik,2019-01-20 15:08:24
Výbuch parního kotle parní rakety Clondike ukončil její ahasverskou pouť Ves mirem a výborně nafrackoval Charona.
Josef Hrncirik,2019-01-20 14:47:58
Jaký dolet či alespoň rozlet lze očekávat u vypiplaného papiňáku?
Josef Hrncirik,2019-01-20 15:19:37
Počítá se množství energie uvolněné expanzí pracovní látky připadající na jednotku hmotnosti celého vehiclu, tj. jistý násobek hmotnosti tlakové nádoby (kotle)
Josef Hrncirik,2019-01-20 15:28:45
Před startem musí být do papiňáku narváno co nejvíce energie při rozumném tlaku a hustotě.
Josef Hrncirik,2019-01-20 20:05:27
Přiliš vysoké teploty vedou na příliš malé hustoty, ale při teplotě jen málo nad bodem varu se vypaří málo kapaliny a vznikne málo páry pro expanzní práci.
Volná kapalná voda vyloučená z expanzí se ochlazující páry není žádoucí, protože není schopna konat expanzí práci, hasí požáry a případně, pokud neopařuje, léčí a hasí žízeň.
Nejlepší kompromis je v okolí kritického bodu, kdy je voda již dostatečně předvypařena (předpečená, expandována), ale přitom nemá již příliš malou hustotu a těžká tlaková nádoba by obsahovala už jen málo energetického materiálu. Kritická voda má cca 3 l/kg; 650K a 22 MPa. Při vratné expanzi na 1 atm (větší expanzní poměr v trysce ani nelze očekávat) vznikne cca 50% vody 100°C kapalné a zůstane cca 50% páry 100°C. Entalpie systému pak klesne o cca 0,8 MJ/kg původní kritické vody. Vlhká pára se tedy může řítit rychlostí až cca 1,27 km/s. Toto mizerné raketové palivo má měrný impulz jen 1270 N*s. Parní rakety (booster hnaný vodní parou) se používaly v katapultech letadlových lodí). Jako energetický akumulátor to má jen malou účinnost cca 0,4 MJ/2,1 MJ = 19%.
Kulovitá tlaková nádoba 22 MPa z ušlechtilé oceli by musela vážit cca 90% vodní náplně.
Potřebnou energii cca 2,1 MJ/kg vody v papiňáku by při dobré tepelné izolaci bylo možno sbírat i několik dnů, řekněme 2. V Gaze by NATO stačilo cca 0,5 m2 PV, řekněme 0,5 kg. Stejně jako voda by cca vážily: tlaková nádoba; tepelná izolace + topení + ventil + tryska; vrtáky + aku + palírna vody; anténa + přístroje + nohy či kola.
Palivo (voda) tak činí max. prakticky snad jen 1/5 váhy rakety? či parostroje.
Použitím Ciolkovského rovnice pak parostroj získá max. rychlost 1270*0,8*ln(5/4) = 230 m/s. Koef. 0,8 zohledňuje nevratnost expanze, divergenci toku a zaostávání kapek za plynem. Poměrně zajímavá výtoková rychlost je pokažena velkou hmotností tlakové nádoby a příslušenství.
Parostroj hravě překoná 2. kosmickou asteroidu, ale na další let už má jen potenciál cca 200 m/s ze kterých určitě nezajistí nutný dostihový či přistávací manévr na další asteroid či měsíc či dokonce planetu. Možná by mohl skákat jako kamzík z balvanu na balvan v prstenci Saturnu.
Na Měsíc nebo Merkur to jenom přiletí.
Stejný či větší měrný impulz jako kritická pára má řekněme cca 80% peroxid vodíku, relativně snadno připravitelný z vody. Tlakovat pak stačí jen čerpadlem do trysky přes katalyzátor. Kdyby si na asteroidu napálili gořalku, lítali by jako von Braun na Lon
Josef Hrncirik,2019-01-20 20:34:08
Zase zadarmo dřu na DARPA a NSA.
Re: Stejný či větší měrný impulz jako kritická pára má řekněme cca 80% peroxid vodíku, relativně snadno připravitelný z vody. Tlakovat pak stačí jen čerpadlem do trysky přes katalyzátor. Kdyby si na asteroidu napálili gořalku, lítali by jako von Braun na
Milan Krnic,2019-01-20 21:43:01
Podstatné je také hledisko ASŘ, kdy AI (umělá intuice), jak to tak zatím vypadá, bude muset být v mnohočlenném týmu, který se bude případně vzájemně korigovat stejně, jako v týmu lidském (například pro co nejméně kroků a tím i nejmenší dřinu :) ), tedy se bude jednat o poměrně rozsáhlé výpočetní středisko, a to také něco sežere.
Každopádně nápad dobrý. Ideální není nic, a časem uvidíme, co z toho. Na Breakthrough Starshot to zatím nemá, pocitově :).
Díky za článek panu Mihulkovi.
Re: Před startem musí být do papiňáku narváno co nejvíce energie při rozumném tlaku a hustotě.
Marek Fucila,2019-01-21 02:29:33
Pekné výpočty, ale nás v škole učili, že bod varu vody je 100°C pri normálnom tlaku. 100 stupňov je definícia, ten tlak je potom asi dopočítaný. Ak sa nepletiem, bolo to pri hladine mora. Očakáva sa na asteroidich podobná atmosféra, alebo je vo vašom myšlinkovom experimente nejaká diera, kadiaľ tá 100 stupňová para uniká? :-)
Re: Re: Před startem musí být do papiňáku narváno co nejvíce energie při rozumném tlaku a hustotě.
Milan Krnic,2019-01-21 06:48:10
tlak ... papiňák ... nic?
Re: Re: Před startem musí být do papiňáku narváno co nejvíce energie při rozumném tlaku a hustotě.
Josef Hrncirik,2019-01-21 10:01:22
Vodu buď najdou jako led, nebo ji z hornin vyžíháním desorbují, uvolní, vydestilují.
Vodu pak zahřejí ve velkém kotli naráz, nebo po částech v malém kotlíku a páru poženou všechnu tryskou buď z maximální vodní zásoby v kotli (analogie rakety), nebo jen pšouky (analogie poskakování, při tom by třeba do vyžhaveného kotlíčku mohli pod tlakem rozumnou rychlostí vstřikovat (přetlačovat) vodu).
Tavení ledu není příliš energeticky náročné, vrtání kupodivu také. Ohřev horniny a desorpce je srovnatelný s ohřevem vody na kritickou teplotu. Při malém obsahu vody možná až 10x náročnější /vztaženo na čistou již vydobytou vodu). Při malém akumulátoru je problém uvolnit maximální možnou vodu z plného kotle kdy je efektivita největší(aby během plnění nevychladl) a lze provést podstatný únikový manévr i ze silného gravitačního pole místo jen krátkých impulzů ve výjimečných okamžicích oběhů.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
