Διαστημικά σκάφη μπορούν να πετάξουν χωρίς καύσιμα, χρησιμοποιώντας για την προώθησή τους την ιδέα των "προσδετήρων"

Άρθρο, βασισμένο σε ιστοσελίδα της NASA και στο Περισκόπιο της Επιστήμης, Ιανουάριος 2002

Σχεδιάζονται από τη NASA, ο νέος Διεθνής Διαστημικός Σταθμός (ISS) και άλλα μελλοντικά διαστημικά οχήματα  που να μπορούν να διατηρούνται στην τροχιά τους χωρίς να χρησιμοποιούν  πυραύλους, εάν ακολουθήσουν τις οδηγίες μιας ασυνήθιστης ιδέας που θα εξετασθεί βέβαια τα προσεχή έτη.

Η NASA πρόσφατα ανήγγειλε ότι ένα νέο προωθητικό σύστημα που θα δαπανά λίγα καύσιμα, το ProSEDS,  επιλέχτηκε για να αναπτυχθεί στο πλαίσιο του διαστημικού προγράμματος, με την ανάπτυξη μιας τεχνολογίας που ονομάζεται Future-X. Αναμένεται δε να μειώσει το κόστος της διαστημικής μεταφοράς.

Ο Johnson καθοδηγεί μια ομάδα μηχανικών και επιστημόνων της NASA στο Marshall Space Flight Center που αναπτύσσει το σχέδιο ProSEDS, για να προωθεί τα διαστημικά οχήματα με τις ίδιες φυσικές αρχές που εργάζονται οι ηλεκτρικοί κινητήρες.

Η ιδέα του ProSEDS στηρίζεται πάνω στα αποτελέσματα από την δεύτερη πτήση του συστήματος (TSS-1R) που έγινε το 1996,  που έδωσε στους επιστήμονες μια ελπίδα. Το σύστημα σχεδιάστηκε έτσι ώστε ο δορυφόρος να είχε πολωθεί με μια υψηλή θετική τάση και να συνέλεγε ηλεκτρόνια από την ιονόσφαιρα. 

Δεξιά : Μια καλλιτεχνική σύνθεση που απεικονίζει πώς  εργάζεται ένα προωθητικό σύστημα με ηλεκτροδυναμικούς προσδετήρες. Στο κάτω μέρος διακρίνονται τα ηλεκτρόνια που συλλέγονται από την ιονόσφαιρα. Στη μέση φαίνεται ο προσδετήρας στον οποίο κυκλοφορεί ρεύμα λόγω κίνησης του μέσα στο Γεωμαγνητικό Πεδίο. Και στη μέση επίσης διακρίνεται το διαστημικό σκάφος που είναι προσδεδεμένος ο προσδετήρας.

Κλασσική Φυσική

Όπως ξέρουμε αν περάσει ένα ρεύμα μέσω ενός συρμάτινου βρόχου   - δηλ. ενός ηλεκτρικού κυκλώματος - ενώ αυτό βρίσκεται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε θα αναπτυχθούν δυνάμεις πάνω στο συρμάτινο βρόχο.

Οι επιστήμονες της NASA, ισχυρίζονται πως μπορούν να κατασκευάσουν μια τέτοια διάταξη στο διάστημα, όπου ένα μέρος του ηλεκτρικού κυκλώματος θα είναι ένα μακρύ "καλώδιο" που θα συνδέει δύο αντικείμενα σε τροχιά.

Η διάταξη αυτή θα επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο με σκοπό την κίνηση ενός διαστημικού σκάφος, που θα είναι σε τροχιά, χωρίς καύσιμα.

Το ηλεκτρικά φορτισμένο αέριο (ιονοσφαιρικό πλάσμα) που βρίσκεται στην ιονόσφαιρα, θα παίζει το ρόλο του αγωγού επιστροφής του κυκλώματος ενώ το μαγνητικό πεδίο θα παρέχεται από τη Γη.

Όταν ρυθμιστούν κατάλληλα όλα αυτά, οι δυνάμεις που παράγονται από αυτό το "ηλεκτροδυναμικό σύρμα" μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να τραβήξουν ή να ωθήσουν ένα διαστημικό σκάφος, για να ενεργήσουν σαν ένα φρένο ή σαν ένας επιταχυντή.

Μπορεί όμως να μην υπάρχουν κατ' ανάγκη δύο σώματα για να επιτευχθεί αυτή η ιδέα αλλά μόνο ένα σώμα, σε τροχιά γύρω από τη Γη, και ένα σύρμα όπως αναφέραμε πιό πάνω.

Η πρώτη ιδέα για τέτοια συστήματα, είχε ριχθεί από ένα Ρώσο επιστήμονα, τον K. Tsiolkovsky, πάνω από 100 χρόνια (1895). Αυτός είχε σκεφθεί ότι ένα τεράστιο σχοινί θα συνέδεε τη Γη με ένα κάστρο σε ύψος 35.800 km. Το "κάστρο" του Tsiolkovsky, που θα βρισκόταν σε γεωστατική τροχιά, θα συνδεόταν με τη Γη με έναν ανελκυστήρα.

Ένας άλλος Ρώσος όμως, ο Y. Artsutanov, το 1960 πρότεινε τη κατασκευή αυτής της "πολιτείας" με αρχή όχι τη Γη αλλά το διάστημα, με τη βοήθεια ενός σύγχρονου γεωστατικού δορυφόρου. Το δε καλώδιο θα ξεκινούσε από τον δορυφόρο προς τη Γη.

Αργότερα, άλλοι επιστήμονες, Αμερικανοί (Anderson, Pearson και άλλοι), έκαναν διάφορους υπολογισμούς για τους προσδετήρες αυτούς και βρήκαν το ανέφικτο της υπόθεσης.

Αργότερα στη NASA σκέφθηκαν να χρησιμοποιήσουν ένα τέτοιο τεράστιο καλώδιο σαν κεραία ή ένα προσδετήρα για να βοηθήσει την κάθοδο ενός μικρού οχήματος στα ανώτερα   στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης, ώστε να πραγματοποιήσει μετρήσεις.

Αλλά θα μπορούσε όμως να χρησιμοποιηθεί το διαστημικό αυτό σύρμα και σαν "αεροδυναμική πέδη" για την επιβράδυνση του διαστημικού λεωφορείου. Αυτή η "δύναμη πέδης" οφείλεται από τη δύναμη Laplace, κάθετης στο μαγνητικό πεδίο και στην διεύθυνση του αγωγού. Η δύναμη αυτή επιβραδύνει όχι μόνο το σύρμα (προσδετήρα) αλλά και το διαστημικό όχημα που είναι προσδεδεμένο με αυτόν.

Η πρώτη εφαρμογή ξεκίνησε το 1992 με το "Ατλαντίς". Ο προσδετήρας (ένας μονωμένος χάλκινος αγωγός) με έναν μικρό σφαιρικό δορυφόρο στο άκρο του, που ονομάστηκε TSS-1, δεν πέτυχε να αναπτυχθεί στο διάστημα.

Η δεύτερη πτήση έγινε το 1996 και ο προσδετήρας, μήκους 20km, με τον μικρό δορυφόρο εκτυλίχθηκε κανονικά. Η κίνηση του αγωγού αυτού στο μαγνητικό πεδίο της Γης είχε σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας τάσης 3.500 Volt. Πριν από την πτήση, τα μοντέλα πρόβλεψαν ότι το σχοινί θα παρήγαγε 0,5 amp, κάτω από ιδανικούς όρους. Αντ' αυτού, Με την βοήθεια ειδικών ηλεκτρονικών διατάξεων, παρήγαγε περισσότερο από 1 amp κάτω από λιγότερο ιδανικούς όρους.

Τελικά αποδείχθηκε ότι, στο πείραμα που έγινε στο Διαστημικό Λεωφορείο, η Κινητική Ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε Ηλεκτρική Ενέργεια αλλά και αντίστροφα.

Βέβαια ο προσδετήρας κόπηκε μετά την πλήρη ανάπτυξη του, λόγω ενός βραχυκυκλώματος, κι έτσι το πείραμα δεν τελείωσε κανονικά.

Δεξιά: Δύο όψεις της ανάπτυξης της δεύτερης πτήσης του TSS-1R το 1996, που δείχνει την αρχική ανάπτυξη του διαστημικού προσδετήρα και του σφαιρικού δορυφόρου, στο πάνω μέρος, που ενεργεί σαν "συλλέκτης της τάσης", και το Διαστημικό Λεωφορείο στο τέλος του προσδετήρα (δεν φαίνεται), στο κατώτατο σημείο του, που είναι περίπου 1 μίλι μακρυά.

Σχεδόν στον ίδιο χρόνο, 1996, ο Δρ J. R. Sanmartin του Πολυτεχνικού Πανεπιστημίου της Μαδρίτης, στην Ισπανία, πρόβλεψε ότι ένα μακρύ γυμνό συρμάτινο σχοινί, μπορεί να παραγάγει ακόμα περισσότερο ρεύμα από το μονωμένο καλώδιο και τον πολωμένο συλλέκτη που χρησιμοποιούνται από το TSS.

Τα συστήματα των προσδετήρων μπορούν επίσης να είναι χρήσιμα και στην πλανητική εξερεύνηση. Με το μεγάλο βαρυτικό πεδίο και το μαγνητικό του πεδίο, ο Δίας φαίνεται πως είναι ιδανικός για ένα προωθητικό σύστημα με συρμάτινους προσδετήρες, για να κινήσει έναν διαστημικό όχημα σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη, και να κάνει και ένα tour στα φεγγάρια, και ακόμη να κινήσει το διαστημικό σκάφος. Η NASA ερευνά ακριβώς μια τέτοια δυνατότητα, αλλά η απάντηση αν θα γίνει τελικά είναι δύσκολη.

Ενώ ο Δίας έχει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, η βαρύτητα δεν μεταβάλλεται απότομα, ώστε να κρατήσει το σύρμα ίσιο καθώς αυτό ωθεί το όχημα.