Au fost propuse mai multe tehnologii care permit atât economisirea combustibilului, cât și o călătorie semnificativ mai rapidă decât metodologia tradițională de utilizare a transferurilor Hohmann. Unele sunt încă doar teoretice, dar, în timp, mai multe dintre abordările teoretice au fost testate în misiuni de zbor spațial. De exemplu, misiunea Deep Space 1 a fost un test de succes al unui propulsor ionic. Aceste tehnologii îmbunătățite se concentrează de obicei pe una sau mai multe dintre următoarele:
- Sisteme de propulsie spațială cu o economie de combustibil mult mai bună. Astfel de sisteme ar face posibilă călătoria mult mai rapidă, menținând în același timp costul combustibilului în limite acceptabile.
- Utilizarea energiei solare și utilizarea resurselor in-situ pentru a evita sau a minimiza sarcina costisitoare de a transporta componente și combustibil de la suprafața Pământului, împotriva gravitației terestre (a se vedea „Utilizarea resurselor non-terestre”, de mai jos).
- Metodologii noi de utilizare a energiei în diferite locații sau în moduri diferite care pot scurta timpul de transport sau pot reduce costul pe unitatea de masă a transportului spațial
În afară de a face călătoriile mai rapide sau mai puțin costisitoare, astfel de îmbunătățiri ar putea permite, de asemenea, „marje de siguranță” mai mari la proiectare, reducând imperativul de a face navele spațiale mai ușoare.
- Concepte îmbunătățite de racheteEdit
- Rachete nucleare termice și solare termiceEdit
- Propulsie electricăEdit
- Rachete cu propulsie prin fisiuneEdit
- Rachete de fuziuneEdit
- Propulsie exoticăEdit
- Pânze solareEdit
- CyclersEdit
- Ascensor spațialEdit
- SkyhookEdit
- Reutilizarea vehiculelor de lansare și a navelor spațialeEdit
- Propulsoare de etajareEdit
- Transferuri de tancuri pe orbităEdit
- Uzină de propulsoare pe un corp cerescEdit
- Utilizarea resurselor extraterestreEdit
Concepte îmbunătățite de racheteEdit
Toate conceptele de rachete sunt limitate de ecuația rachetei, care stabilește viteza caracteristică disponibilă în funcție de viteza de evacuare și de raportul dintre masa inițială (M0, inclusiv combustibilul) și masa finală (M1, cu combustibilul epuizat). Principala consecință este că vitezele de misiune mai mari de câteva ori decât viteza de evacuare a motorului de rachetă (în raport cu vehiculul) devin rapid impracticabile.
Rachete nucleare termice și solare termiceEdit
Scheta rachetei nucleare termice
Într-o rachetă nucleară termică sau într-o rachetă solară termică un fluid de lucru, de obicei hidrogen, este încălzit la o temperatură ridicată, iar apoi se dilată printr-o duză de rachetă pentru a crea împingere. Energia înlocuiește energia chimică a substanțelor chimice reactive dintr-un motor de rachetă tradițional. Datorită masei moleculare scăzute și, prin urmare, a vitezei termice ridicate a hidrogenului, aceste motoare sunt de cel puțin două ori mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât motoarele chimice, chiar și după includerea greutății reactorului.
Comisia pentru Energie Atomică a SUA și NASA au testat câteva modele între 1959 și 1968. Proiectele NASA au fost concepute ca înlocuitori pentru etajele superioare ale vehiculului de lansare Saturn V, dar testele au scos la iveală probleme de fiabilitate, cauzate în principal de vibrațiile și încălzirea implicate de funcționarea motoarelor la niveluri de împingere atât de ridicate. Din considerente politice și de mediu, este puțin probabil ca un astfel de motor să fie utilizat în viitorul apropiat, deoarece rachetele nucleare termice ar fi cel mai util la suprafața Pământului sau în apropierea acesteia, iar consecințele unei defecțiuni ar putea fi dezastruoase. Conceptele de rachete termice bazate pe fisiune produc viteze de evacuare mai mici decât conceptele electrice și cu plasmă descrise mai jos și, prin urmare, sunt soluții mai puțin atractive. Pentru aplicațiile care necesită un raport ridicat dintre împingere și greutate, cum ar fi evadarea planetară, energia termică nucleară este potențial mai atractivă.
Propulsie electricăEdit
Sistemele de propulsie electrică utilizează o sursă externă, cum ar fi un reactor nuclear sau celule solare, pentru a genera electricitate, care este apoi utilizată pentru a accelera un propulsor inert chimic la viteze mult mai mari decât cele obținute într-o rachetă chimică. Astfel de propulsoare produc o împingere slabă și, prin urmare, nu sunt potrivite pentru manevrele rapide sau pentru lansarea de pe suprafața unei planete. Cu toate acestea, ele sunt atât de economice în utilizarea masei de reacție încât pot continua să tragă continuu zile sau săptămâni întregi, în timp ce rachetele chimice consumă masa de reacție atât de repede încât pot trage doar câteva secunde sau minute. Chiar și o călătorie spre Lună este suficient de lungă pentru ca un sistem de propulsie electrică să depășească o rachetă chimică – misiunile Apollo au durat 3 zile în fiecare direcție.
NASA’s Deep Space One a fost un test foarte reușit al unui prototip de propulsie ionică, care a funcționat timp de 678 de zile și a permis sondei să coboare pe cometa Borrelly, o performanță care ar fi fost imposibilă pentru o rachetă chimică. Dawn, prima misiune operațională a NASA (adică fără demonstrație tehnologică) care a folosit un propulsor ionic pentru propulsia principală, a orbitat cu succes asteroizii mari din centura principală 1 Ceres și 4 Vesta. O versiune mai ambițioasă, cu propulsie nucleară, a fost destinată unei misiuni pe Jupiter fără echipaj uman, Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), planificată inițial pentru lansare cândva în deceniul următor. Din cauza unei schimbări de priorități la NASA, care a favorizat misiunile spațiale cu echipaj uman, proiectul a pierdut finanțarea în 2005. O misiune similară se află în prezent în discuție ca fiind componenta americană a unui program comun NASA/ESA pentru explorarea Europei și a lui Ganymede.
O echipă multicentrică de evaluare a aplicațiilor tehnologice a NASA, condusă de Johnson Spaceflight Center, a descris, începând cu ianuarie 2011, „Nautilus-X”, un studiu de concept pentru un vehicul de explorare spațială multi-misiune, util pentru misiuni dincolo de orbita joasă a Pământului (LEO), cu o durată de până la 24 de luni pentru un echipaj de până la șase persoane. Deși Nautilus-X este adaptabil la o varietate de unități de propulsie specifice misiunii, cu diferite modele de propulsie de impuls specific ridicat (Isp) și cu împingere redusă, unitatea nucleară ionică-electrică este prezentată în scop ilustrativ. Acesta este destinat integrării și verificării pe Stația Spațială Internațională (ISS) și ar fi potrivit pentru misiuni spațiale de mare adâncime de la ISS către și dincolo de Lună, inclusiv către destinațiile Pământ/Lună L1, Soare/Terra L2, asteroidale apropiate de Pământ și Marte. Aceasta încorporează o centrifugă cu gravitație redusă care oferă gravitație artificială pentru sănătatea echipajului, pentru a ameliora efectele expunerii pe termen lung la 0g, precum și capacitatea de a atenua mediul de radiații spațiale.
Rachete cu propulsie prin fisiuneEdit
Misiunile cu propulsie electrică care au zburat deja sau care sunt programate în prezent au folosit energie electrică solară, ceea ce le limitează capacitatea de a funcționa departe de Soare și, de asemenea, le limitează accelerația maximă din cauza masei sursei de energie electrică. Motoarele nucleare-electrice sau cu plasmă, care funcționează pentru perioade lungi de timp la o împingere redusă și sunt alimentate de reactoare de fisiune, pot atinge viteze mult mai mari decât vehiculele cu propulsie chimică.
Rachete de fuziuneEdit
Rachetele de fuziune, alimentate de reacții de fuziune nucleară, ar „arde” combustibili din elemente ușoare, cum ar fi deuteriul, tritiul sau 3He. Deoarece fuziunea produce aproximativ 1% din masa combustibilului nuclear sub formă de energie eliberată, este mai favorabilă din punct de vedere energetic decât fisiunea, care eliberează doar aproximativ 0,1% din masa-energie a combustibilului. Cu toate acestea, fie tehnologiile de fisiune, fie cele de fuziune pot atinge, în principiu, viteze mult mai mari decât cele necesare pentru explorarea sistemului solar, iar energia de fuziune așteaptă încă o demonstrație practică pe Pământ.
O propunere care utilizează o rachetă de fuziune a fost Proiectul Daedalus. Un alt sistem de vehicul destul de detaliat, proiectat și optimizat pentru explorarea Sistemului Solar cu echipaj, „Discovery II”, bazat pe reacția D3He, dar folosind hidrogenul ca masă de reacție, a fost descris de o echipă de la Centrul de Cercetare Glenn al NASA. Acesta atinge viteze caracteristice de >300 km/s cu o accelerație de ~1,7-10-3 g, cu o masă inițială a navei de ~1700 de tone metrice și o fracțiune de sarcină utilă de peste 10%.
Propulsie exoticăEdit
Vezi articolul despre propulsia navelor spațiale pentru o discuție despre o serie de alte tehnologii care ar putea, pe termen mediu și lung, să stea la baza misiunilor interplanetare. Spre deosebire de situația călătoriilor interstelare, barierele în calea călătoriilor interplanetare rapide implică mai degrabă ingineria și economia decât orice fizică de bază.
Pânze solareEdit
Ilustrația NASA a unei nave spațiale propulsate cu pânze solare
Pânzele solare se bazează pe faptul că lumina reflectată de o suprafață exercită o presiune asupra suprafeței respective. Presiunea radiației este mică și scade cu pătratul distanței față de Soare, dar, spre deosebire de rachete, velele solare nu necesită combustibil. Deși forța de împingere este mică, aceasta continuă atâta timp cât Soarele strălucește și vela este desfășurată.
Conceptul original se baza doar pe radiația de la Soare – de exemplu, în povestirea lui Arthur C. Clarke „Sunjammer” din 1965. Proiecte mai recente de pânze ușoare propun creșterea împingerii prin orientarea către pânze a unor lasere sau maseri de la sol. De asemenea, laserele sau maserii de la sol pot ajuta o navă spațială cu pânze ușoare să decelerați: pânza se împarte într-o secțiune exterioară și una interioară, secțiunea exterioară este împinsă înainte și forma sa este schimbată mecanic pentru a concentra radiația reflectată pe porțiunea interioară, iar radiația concentrată pe secțiunea interioară acționează ca o frână.
Deși majoritatea articolelor despre pânzele luminoase se concentrează asupra călătoriilor interstelare, au existat mai multe propuneri pentru utilizarea lor în interiorul sistemului solar.
În prezent, singura navă spațială care utilizează o pânză solară ca principală metodă de propulsie este IKAROS, care a fost lansată de JAXA la 21 mai 2010. De atunci, aceasta a fost desfășurată cu succes și s-a demonstrat că produce accelerația conform așteptărilor. Multe nave spațiale și sateliți obișnuiți folosesc, de asemenea, colectoare solare, panouri de control al temperaturii și umbrele solare ca pânze de lumină, pentru a efectua corecții minore ale atitudinii și orbitei lor fără a utiliza combustibil. Câteva au avut chiar și mici vele solare construite special pentru această utilizare (de exemplu, sateliții geostaționari de comunicații Eurostar E3000 construiți de EADS Astrium).
CyclersEdit
Este posibil să se plaseze stații sau nave spațiale pe orbite care se deplasează ciclic între diferite planete, de exemplu, un ciclist marțian s-ar deplasa ciclic între Marte și Pământ în mod sincron, cu o utilizare foarte mică de propulsie pentru a menține traiectoria. Conceptual, cicliștii sunt o idee bună, deoarece scuturile masive împotriva radiațiilor, sistemele de susținere a vieții și alte echipamente nu trebuie să fie puse pe traiectoria cicliștilor decât o singură dată. Un ciclist ar putea combina mai multe roluri: habitat (de exemplu, ar putea să se rotească pentru a produce un efect de „gravitație artificială”); navă-mamă (asigurând suportul de viață pentru echipajele navelor spațiale mai mici care se agață de el). De asemenea, cicliștii ar putea fi, eventual, niște nave cargo excelente pentru reaprovizionarea unei colonii.
Ascensor spațialEdit
Un ascensor spațial este o structură teoretică care ar transporta materiale de la suprafața unei planete pe orbită. Ideea este că, odată terminată munca costisitoare de construire a liftului, un număr nelimitat de încărcături poate fi transportat pe orbită cu costuri minime. Chiar și cele mai simple modele evită cercul vicios al lansărilor de rachete de la suprafață, în care combustibilul necesar pentru parcurgerea ultimelor 10% din distanța până pe orbită trebuie să fie ridicat de la suprafață, ceea ce necesită și mai mult combustibil, și așa mai departe. Proiectele mai sofisticate de ascensoare spațiale reduc costul energetic per călătorie prin utilizarea de contragreutăți, iar cele mai ambițioase scheme au ca scop echilibrarea sarcinilor care urcă și coboară și astfel costul energetic să fie aproape de zero. Ascensoarele spațiale au mai fost denumite uneori „beanstalks”, „poduri spațiale”, „lifturi spațiale”, „scări spațiale” și „turnuri orbitale”.
Un ascensor spațial terestru este dincolo de tehnologia noastră actuală, deși un ascensor spațial lunar ar putea fi teoretic construit folosind materialele existente.
SkyhookEdit
Skyhook non-rotativ propus pentru prima dată de E. Sarmont în 1990.
Un skyhook este o clasă teoretică de propulsoare orbitale cu cabluri destinate să ridice încărcături utile la altitudini și viteze mari. Propunerile pentru skyhooks includ proiecte care utilizează cabluri de ancorare care se rotesc la viteză hipersonică pentru a prinde încărcături utile de mare viteză sau aeronave de mare altitudine și a le plasa pe orbită. În plus, s-a sugerat că cârligul de cer rotativ „nu este fezabil din punct de vedere ingineresc folosind materialele disponibile în prezent”.
Vehiculul spațial SpaceX Starship, a cărui lansare inaugurală este programată să aibă loc nu mai devreme de 2020, este proiectat pentru a fi complet și rapid reutilizabil, utilizând tehnologia reutilizabilă SpaceX care a fost dezvoltată în perioada 2011-2018 pentru vehiculele de lansare Falcon 9 și Falcon Heavy.
Președintele executiv al SpaceX, Elon Musk, estimează că numai capacitatea de reutilizare, atât a vehiculului de lansare, cât și a navei spațiale asociate cu Starship, va reduce costurile generale ale sistemului pe tona livrată pe Marte cu cel puțin două ordine de mărime față de ceea ce NASA a realizat anterior.
Propulsoare de etajareEdit
La lansarea sondelor interplanetare de la suprafața Pământului, care transportă toată energia necesară pentru misiunea de lungă durată, cantitățile de sarcină utilă sunt în mod necesar extrem de limitate, din cauza limitărilor masei de bază descrise teoretic de ecuația rachetei. O alternativă pentru a transporta mai multă masă pe traiectorii interplanetare este aceea de a utiliza aproape tot propulsia etajului superior la lansare, iar apoi de a reumple propulsoarele pe orbita Pământului înainte de a lansa racheta la viteza de evadare pentru o traiectorie heliocentrică. Acești propulsoare ar putea fi stocate pe orbită la un depozit de propulsoare sau transportate pe orbită într-un petrolier de propulsoare pentru a fi transferate direct către nava spațială interplanetară. Pentru returnarea masei pe Pământ, o opțiune conexă este de a extrage materii prime dintr-un obiect ceresc din sistemul solar, de a rafina, de a prelucra și de a stoca produsele de reacție (propulsoare) pe corpul din sistemul solar până în momentul în care un vehicul trebuie să fie încărcat pentru lansare.
Transferuri de tancuri pe orbităEdit
În 2019, SpaceX dezvoltă un sistem în care un vehicul reutilizabil cu prima treaptă ar transporta o navă spațială interplanetară cu echipaj pe orbita Pământului, s-ar desprinde, s-ar întoarce la rampa de lansare unde o navă spațială cu tancuri ar fi montată pe ea, apoi ambele ar fi alimentate cu combustibil, apoi ar fi lansate din nou pentru a se întâlni cu nava spațială cu echipaj care așteaptă. Nava-cisternă și-ar transfera apoi combustibilul către nava spațială cu echipaj uman pentru a fi utilizat în călătoria interplanetară. Nava spațială SpaceX Starship este o navă spațială cu structură din oțel inoxidabil propulsată de șase motoare Raptor care funcționează cu propulsoare de metan/oxigen densificat. Are o lungime de 55 m (180 ft), un diametru de 9 m (30 ft) în punctul cel mai lat și este capabilă să transporte până la 100 de tone (220.000 lb) de marfă și pasageri în fiecare călătorie spre Marte, cu reumplerea pe orbită a propulsorului înainte de partea interplanetară a călătoriei.
Uzină de propulsoare pe un corp cerescEdit
Ca exemplu de proiect finanțat, aflat în prezent în curs de dezvoltare, o parte esențială a sistemului pe care SpaceX l-a proiectat pentru Marte pentru a reduce radical costul zborurilor spațiale către destinații interplanetare este amplasarea și operarea unei uzine fizice pe Marte pentru a se ocupa de producția și depozitarea componentelor de propulsoare necesare pentru lansarea și zborul navelor stelare înapoi pe Pământ, sau poate pentru a crește masa care poate fi transportată mai departe către destinații din sistemul solar exterior.
Prima navă stelară către Marte va transporta o mică uzină de propulsie ca parte a încărcăturii sale. Uzina va fi extinsă pe parcursul mai multor sinoduri, pe măsură ce mai multe echipamente vor sosi, vor fi instalate și vor fi puse în producție în mare parte autonomă.
Urmăria de propulsoare SpaceX va profita de rezervele mari de dioxid de carbon și de resurse de apă de pe Marte, extrăgând apa (H2O) din gheața de sub suprafață și colectând CO2 din atmosferă. O uzină chimică va prelucra materiile prime prin electroliză și prin procedeul Sabatier pentru a produce oxigen (O2) și metan (CH4), iar apoi îl va lichefia pentru a facilita stocarea pe termen lung și utilizarea finală.
Utilizarea resurselor extraterestreEdit
Proiectul lui Langley privind Domul de gheață de pe Marte din 2016 pentru o bază marțiană ar folosi apa in situ pentru a face un fel de iglu spațial.
Vehiculele spațiale actuale încearcă să se lanseze cu tot combustibilul (propulsoare și rezerve de energie) la bord de care vor avea nevoie pentru întreaga lor călătorie, iar structurile spațiale actuale sunt ridicate de la suprafața Pământului. Sursele de energie și materiale nepământene sunt, în mare parte, mult mai îndepărtate, dar majoritatea nu ar necesita ridicarea dintr-un câmp gravitațional puternic și, prin urmare, ar trebui să fie mult mai ieftin de utilizat în spațiu pe termen lung.
Cea mai importantă resursă nepământeană este energia, deoarece aceasta poate fi utilizată pentru a transforma materialele nepământene în forme utile (dintre care unele pot produce, de asemenea, energie). Au fost propuse cel puțin două surse fundamentale de energie neterestră: generarea de energie prin energie solară (fără a fi împiedicată de nori), fie direct prin celule solare, fie indirect prin concentrarea radiației solare pe cazane care produc abur pentru a acționa generatoare; și legăturile electrodinamice care generează electricitate din câmpurile magnetice puternice ale unor planete (Jupiter are un câmp magnetic foarte puternic).
Gheața de apă ar fi foarte utilă și este foarte răspândită pe lunile lui Jupiter și Saturn:
- Greutatea scăzută a acestor luni le-ar face o sursă de apă mai ieftină pentru stațiile spațiale și bazele planetare decât ridicarea ei de pe suprafața Pământului.
- Sursele de energie non-terestre ar putea fi folosite pentru a electroliza gheața de apă în oxigen și hidrogen pentru a fi folosită în motoarele de rachetă bipropelente.
- Rachetele termice nucleare sau rachete termice solare ar putea să o folosească ca masă de reacție. Hidrogenul a fost, de asemenea, propus pentru a fi utilizat în aceste motoare și ar oferi un impuls specific mult mai mare (împingere pe kilogram de masă de reacție), dar s-a afirmat că apa va învinge hidrogenul în termeni de cost/performanță, în ciuda impulsului său specific mult mai mic cu câteva ordine de mărime.
Oxigenul este un constituent comun al crustei lunare și este probabil abundent în majoritatea celorlalte corpuri din Sistemul Solar. Oxigenul non-terestru ar fi valoros ca sursă de gheață de apă numai dacă se poate găsi o sursă adecvată de hidrogen. Printre utilizările posibile se numără:
- În sistemele de susținere a vieții din navele spațiale, stațiile spațiale și bazele planetare.
- În motoarele de rachetă. Chiar dacă celălalt propulsor trebuie să fie ridicat de pe Pământ, utilizarea oxigenului non-terestru ar putea reduce costurile de lansare a propulsorului cu până la 2/3 pentru combustibilul din hidrocarburi sau cu 85% pentru hidrogen. Economiile sunt atât de mari deoarece oxigenul reprezintă majoritatea masei în majoritatea combinațiilor de propulsoare pentru rachete.
Din păcate, hidrogenul, împreună cu alte substanțe volatile, cum ar fi carbonul și azotul, sunt mult mai puțin abundente decât oxigenul în sistemul solar interior.
Cercetătorii se așteaptă să găsească o gamă largă de compuși organici în unele dintre planetele, sateliții și cometele din sistemul solar exterior, iar gama de utilizări posibile este și mai largă. De exemplu, metanul poate fi folosit ca și combustibil (ars cu oxigen non-terestru), sau ca materie primă pentru procese petrochimice, cum ar fi fabricarea materialelor plastice. Iar amoniacul ar putea fi o materie primă valoroasă pentru producerea de îngrășăminte care să fie folosite în grădinile de legume ale bazelor orbitale și planetare, reducând necesitatea de a le transporta hrana de pe Pământ.
Chiar și rocile neprocesate pot fi utile ca propulsoare pentru rachete, dacă se folosesc motoare de masă.
.