Létat do vesmíru je fajn. Ale kosmické sondy potřebují pořádný pohon. Na těch stávajících je hodně co vylepšovat. Státní i soukromé týmy vyvíjejí nové typy pohonů pro sondy a slaví s nimi první úspěchy. Jeden takový teď, jako první na světě, spustila evropská kosmická agentura ESA.
Tým ESA postavil a spustil elektrický pohon pro sondy, který nasává molekuly řídkého vzduchu na oběžné dráze a používá je jako palivo (anglicky air-breathing electric propulsion). S takovým pohonem by mohly satelity na nízkých oběžných drahách Země kroužit celé roky. Evropská sonda GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer), která před pár lety mapovala gravitační pole Země, obíhala po dráze ve výšce 250 kilometrů přes pět let díky elektrickému pohonu na xenon. Když sondě došlo 40 kg xenonu, tak byla mise u konce.
Nový pohon ESA ale nahrazuje palivo, které by muselo být na palubě sondy, za molekuly z atmosféry. Díky tomu by mohla vzniknout celá nová třída satelitů, které budou operovat na nízkých oběžných drahách po dlouhou dobu. Podobný typ pohonu by mohly také využívat i meziplanetární sondy, které budou obíhat v atmosféře jiných planet, například v řídké atmosféře Marsu, tvořené především oxidem uhličitým.
Louis Walpot z týmu ESA a jeho kolegové vytvořili pohon, který by měl fungovat ve výšce asi 200 km nad zemským povrchem a poskytovat sondám rychlost kolem 7,8 kilometrů za sekundu. Nový pohon vyvinuli a otestovali v italské společnosti Sitael. Ve vakuové komoře tam simulovali podmínky, jaké panují v prostředí 200 km nad Zemí.
Elektrický pohon nasávající vzduch je výtečný tím, že neobsahuje žádné ventily nebo podobné komplikované součástky. Je jednoduchý a funguje pasivně. Ke svému provozu potřebuje jedině zdroj energie pro cívky a elektrody.
Vědci a inženýři použili počítačové simulace, s nimiž modelovali chování částic za různých podmínek. Pak pohon postupně testovali, nejprve s vháněným xenonem, pak se směsí xenonu a vzduchu a nakonec pohon opakovaně spouštěli už jen pouze se vzduchem. Elektrický pohon nasávající vzduch obstál a prokázal, že může fungovat. Teď budou inženýři pracovat na jeho dalším vývoji a jednoho dne ho pošlou na oběžnou dráhu.
Literatura
ESA 5. března 2018, Wikipedia (Air-Breathing Electric Propulsion).
Nové typy pohonů pro kosmické lodě
Autor: Tomáš Kohout (01.12.2012)
SpinSat testuje nový „digitální“ pohon
Autor: Tomáš Kohout (11.12.2014)
Je možné se dostat na Mars za 3 dny bez červí díry?
Autor: Stanislav Mihulka (02.03.2016)
Diskuze:
Doplnění a pár hrubých výpočtů
Jaroslav Kousal,2018-03-09 18:44:08
Za mě super zpráva, přišlo to dřív, než jsem čekal.
Telegraficky k nejasnostem v diskusi:
Ve výšce 200km je tlak zhruba 0,1mPa, koncentrace neutrálních atomů a molekul cca 5x10^15/m3, střední volná dráha molekul je přibližně 50m, hustota cca 5x10^-10 kg/m3. Koncentrace iontů je v téhle výšce na denní straně cca 1000x nižší, v noci cca 100000x nižší než neutrálních částic. (odkážu se na vlastní souhrn: https://www.youtube.com/watch?v=VuS1Q9-DcZQ )
Proudění není viskózní, ale molekulární (proudnice neexistují), sonda nic nemůže sát, jen maximálně sebrat to, čím fyzicky ten vstupní nátrubek proletí. To při 7,8km/s rychlosti sondy (tepelná rychlost molekul je proti tomu malá) "vykrojí" v těch 200km výšky cca 4mg/s na 1m2 vstupního průřezu (při 100% účinnosti, ve skutečnosti se leckterá molekula od sběrače jen odrazí).
Iontů je vzhledem k neutrálům nepatrné množství, takže nemá smysl dělat magnetické "pasti".
Ty zahnuté proudnice v infografice jsou tedy zavádějící, nemají žádny fyzikální smysl. Na jednom z těch obrázků je původní sonda GOCE (šipka ukazuje směr tahu, ne směr letu) jen s přikreslenými (nesmyslnými) "proudnicemi".
Iontové motory mají vždy neutralizer, typicky v podobě tzv. duté katody - je to elektronové dělo, k tahu skoro nepřispívá, ale zabraňuje nerovnováze v nábojích (ionty pracovní látky jsou téměř vždy kladné, elektrony by tedy "hromadily" na sondě a nakonec by sonda byla tak záporně nabitá, až by kladným iontům nedovolila odletět).
"Iontový vítr" od bariérového výboje nebo korony za atmosférického tlaku (ta zmiňovaná čistička) je ionty "spuštěn", ty rozpohybují neutrální atomy a to je ta hlavní část iontového větru. Iontový motor toho typu, který může pracovat na oběžné dráze pracuje s plazmatem zhruba "doutnavého výboje" za tlaků za výstupem tak nízkých, aby se už odcházející atomy (na délkách srovnatelných s rozměry motoru) téměř nesrážely s okolním plynem. Za tlaků vyšších by přestal nakonec pracovat "vnitřek" i "vnějšek".
Iontový motor má typický specifický impuls kolem 30000 Ns/kg. Každý 1 mg/s pracovní látky (odpovídá alespoň 0,25m2 čelního průřezu) to dává tah 30mN (což je třeba živit přibližně 0.5*F*Isp/účinnost(~0.7) tedy zhruba 650W). Sonda GOCE ( http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE/Facts_and_figures ) měla 2x20mN motorky. To odpovídá spotřebě pohonné látky přiblížně 1,3mg/s, vzhledem k tomu, že 40kg Xe vydrželo 4 roky, znamená to, že motorky pracovaly cca 25% času a "efektivní spotřeba byla cca 0,3mg/s (efektivní tah cca 10mN). ALE!
GOCE létala hlavně ve výšce kolem 260 km, kde je tlak skoro 10x nižší než ve 200km. To znamená v tomhle režimu aerodynamiky 10x menší odpor (kontrolní výpočet optimistického (!) aerodynamického odporu dává velmi zhruba 2mN, což s těmi efektivními 10mN tahu není v rozporu). Je tam taky 10x menší tok částic, pro "sběrač" přes celý čelní průřez sondy 1m2 jen cca 0,5mg/s, což je o trochu víc než ta "zprůměrovaná" spotřeba.
Čili pokud ten sběrač bude mít obstojnou účinnost, v podstatě by s ním nějaký designový potomek GOCE a jiné "aerodynamicky" tvarované sondy mohly v podobných výškách létat. Výrazněji níž (řekněme pod 150 km) by rostly požadavky na tah motorku a tedy na příkon a tím i rozměry sondy kvůli panelům, výrazněji výš (odhaduji nad 300-350km) by ty motorky vycházely neprakticky malé nebo by se palivo "sbíralo" velmi dlouho (ale tohle omezení by se asi dalo řešit o něco snadněji).
Re: Doplnění a pár hrubých výpočtů
Vít Výmola,2018-03-11 12:20:55
Děkuji za tento příspěvěk. Je dobře, že se ozval někdo, kdo tomu opravdu rozumí.
Re: Re: Doplnění a pár hrubých výpočtů
Jaroslav Kousal,2018-03-11 20:34:18
Rádo se stalo, je to blízko mého oboru a snažím se to sledovat.
Re: Doplnění a pár hrubých výpočtů
Josef Hrncirik,2018-03-11 19:33:05
Při poměru kruhové a výtokové rychlosti 7,8/30 km/s by muselo být na 30 km/s urychleno cca 26% molekul kolidujících do "průřezu satelitu, tj. nevstupní (nežravý) průřez musí být malý a účinnost zachycení, ionizace a urychlení velká.
K ionizaci 1,3 mg Xe/s musí téci proud min. cca 1A a pro 1 mg dusíku/s cca 7 A.
Nepodobá se to z dálky svými pyrotechnickými efekty silné obloukovce? špatnému UV laseru či roentgence cca 1 kW? Nemá problema s chlazením?
Pro 30 km/s Xe vyžaduje energii cca 606 eV, dusík 68 eV.
Stihne se to urychlit lineárně nebo se to nutně podobá cyklotronu?
Re: Re: Doplnění a pár hrubých výpočtů
Jaroslav Kousal,2018-03-11 20:33:10
Ty čísla jsou celkem v pořádku. Ty proudy nejsou nijak dramatické, v přepočtu na průřez výstupního svazku to u mřížkových motorů dělá cca podobné proudy, jako v běžné zářivce, u kompaktnějších motorů s Hallovým efektem se to podobá spíš tzv. magnetronovému naprašování (dnes celkem běžná průmyslová povlakovací technologie).
U mřížkových motorů jsou mřížky s rozdílem napětí cca 1kV typicky 1mm od sebe, u Hallovských probíhá urychlení hlavně na okraji plazmatu na dráze několika mm.
Ondřej D,2018-03-09 11:34:39
To zní jako kdyby to bylo na stejném principu jako česká čistička vzduchu Ioni-Care, ta také dělá iontový vítr. Možná si ji pan Walpot zakoupil a dostal nápad udělat z ní kosmický motor. Potvrzuji, že tah je jen slaboučký, a také, že netřeba žádných fosilních paliv. Achilovou patou bude asi (určitě) čištění, jestli to nemají vymyšleno nějak poamericku.
Tah
Vít Výmola,2018-03-08 12:23:39
Asi je potřeba dolnit, že jde stále o iontový pohon, kde jenom pracovní látku netvoří nesené palivo, ale nasávané částice zduchu. Tedy:
- Tah bude řádově stovky mN/kW.
- Motor bude funkční jenom ve velmi řídké atmosféře blízké nedokonalému vakuu.
Proto tedy nebude využitelný pro letadla ani pro létající talíře. :)
Re: Tah
Milan Štětina,2018-03-08 13:40:51
Nechápu, proč by to v hustém vyduchu nefungovalo. Podle mě je to naopak - čím více je k dispozici částic, tím snazží je dosáhnout potřebný tah (částice se nemusí urychlovat na relativistické rychlosti). Samozřejmě je potřeba mít dostatečný přísun (elektrické) energie a pak v tom "hustém" vzduchu funguje celkem uspokojivě i elektrický motor s vrtulí.
Re: Re: Tah
Vojtěch Kocián,2018-03-08 14:50:11
V příliš hustém vzduchu bude tah pořád mizerný, i kdyby se vůbec povedlo ionizované částice navést správným směrem.
Ale vzhledem k tomu, že motor zvládá i tak agresivní plyn jakým je ionizovaný kyslík, tak by to mohlo být zajímavé i pro meziplanetární sondy, které by si mohli natankovat třeba vodu z kometárních jader a nespoléhat jen na xenon naložený před startem.
Pěkně
Alexandr Kostka,2018-03-08 11:31:53
Rozhodně zajímavé. Akorát, že mi ty nákresy strašně připomínají malůvky, které pan Daniken vydává za nákresy motorů pohánějících lodě bohů. Jen aby nakonec neměl pravdu! S dostatečně pokročilým zdrojem energie by podobnný motor pro lety na oběžnou dráhu a zpět byl fajn. (ano, samozřejmě, plus nějaké manévrovací motorky použitelné mimo atmosféru, ale ty mohou být hodně malé, o směšném tahu)
Martin Mudřík,2018-03-08 09:43:38
Nevím kdo přiřazuje vpravo nahoře Myšlenky dne. Ale ta dnešní se povedla: "Hranice možností se neustále posunují, hlavně v politice." :)
Co a proč se tak nadšeně samo cpe do chřtánu nenasytné sondy ESA (kromě E,-)?
Josef Hrncirik,2018-03-08 07:18:52
Jaké Tajné Pole v oblasti šipky na konci obr.3 způsobuje Akceleraci?
Josef Hrncirik,2018-03-08 07:16:42
Nedochází Mi, jestli šipka na konci obr.4 je vektor odporu proti pohybu či aktivního brzdícího manévru
Josef Hrncirik,2018-03-08 07:13:56
Re: Nedochází Mi, jestli šipka na konci obr.4 je vektor odporu proti pohybu či aktivního brzdícího manévru
Jiří Novák,2018-03-08 09:24:04
Ta oranžová tlustá šipka? To je imho ionizovaný urychlený plyn. Motor na obrázku letí zprava doleva.
Pravda je, že ten chřtán nasávající řídký vzduch jsem si představoval mnohem větší. Na tom satelitu je to taková decentní, design nenarušující trubka.
Zajímalo by mě, jestli ten motor (resp. ten princip motoru) je dostatečně výkonný, aby se dal montovat i na letadla.
Re: Re: Nedochází Mi, jestli šipka na konci obr.4 je vektor odporu proti pohybu či aktivního brzdícího manévru
Josef Hrncirik,2018-03-08 10:00:08
Putin to již dávno montuje na jaderné rakety a podvodné drony zaměřené přes Louži.
Re: Nedojdou nebohé sondě elektrony?
Milan Štětina,2018-03-08 13:30:51
Nechápu, proč by měli dojít elektrony. Představuju si to tak, že nasávaný materiál se nejprve roztřídí (příčným elektrickým polem) na kladné a záporné ionty (elektrony v prvním kole spadnou do záporných iontů; v případě potřeby se mohou částice dále třídit magnetickým polem podle hmotnosti - lehčí částice jsou rychlejší, takže jinak zatáčejí). Každá z těchto skupin se pak samostatně urychluje (běžným lineárním urychlovačem nebo cyklotronem - to jsou zvládnuté technologie). Třetí skupinu (tj. ty částice, co nikam nezatočí) tvoří neutrální atomy, které je možné ionizovat (ohřátím a vytržením elektronu v elktrickým polem - tak, jak to dělají běžné iontové motory) a naložit s tím stejně jako s předchozími dvěma skupinami částic.
Re: Re: Nedojdou nebohé sondě elektrony?
Josef Hrncirik,2018-03-08 16:36:59
Na Růžku vždy ve 22.oo došly elektrony ke svícení a dusík k čepování.
Když jim došlo 40 kg Xe, tak mnohem dříve jim muselo dojít potřebných pouhých 0,17 g e-.
(Je to jen cca 184 000 000 000 000 000 000 000 000 ks e-).
Dráždily mě širokorozchodné síločáry máry z obr.4, požírající i cosi zpoza satelitu, ne-li přímo jeho výtok.
Re: Re: Re: Nedojdou nebohé sondě elektrony?
Milan Krnic,2018-03-08 20:18:28
Dopřejte ESA trochu naděje. Vždyť by bylo super, kdyby to fungovalo! (vidíme) :)
Já si tedy představuji trochu jiné pohony (když na nás čekají ti trpajzlíci), tak ale alespoň nějaké pohony vyvíjíme.
Re: Re: Re: Re: Nedojdou nebohé sondě elektrony?
Josef Hrncirik,2018-03-08 21:34:44
Umělec, který měl svou poslední zakázku jen od fy. ELEKTROLUX více než před rokem, polomrtvý žízní vytáhl své staré skicy a bohatýrsky zapil novou (poslední) šanci.
Připadalo mu velmi nespravedlivé, aby do predátorské roury družicového tryskáče vstupoval studený vzduch (prakticky bez termálního pohybu), jen nejprimitivnějším pasivním způsobem, přímočarým pozřením (nevyhnutím se) nenasytnému chřtánu trouby a proto Dílo pojal jako Reálný Směr Toku Rohu Hojnosti.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
