Ισχυρή ιοντική προωθητική μηχανή στηρίζεται στα μικροκύματα

Από σελίδα του NewScientist, 24 Νοεμβρίου 2003

Σχεδόν 100 χρόνια μας χωρίζουν από την ιστορική πτήση των αδελφών Ράιτ και οι επιστήμονες σκέπτονται τρόπους για να ταξιδεύουν πολύ γρήγορα μέσα και έξω από το πλανητικό μας σύστημα. Έχουν σκεφθεί λέιζερ, πυρηνικές μηχανές, ιόντα, αντιύλη και άλλες τεχνολογίες που θα κάνουν το ταξίδι στη Σελήνη υπόθεση λίγων λεπτών.

Έτσι, στα πλαίσια αυτών των ιδεών, εξετάστηκε αυτές τις μέρες ένα ισχυρό νέο ιοντικό σύστημα προώθησης των διαστημοπλοίων, με επιτυχία από τη NASA. Η νέα ιοντική μηχανή με το όνομα Υψηλής Ισχύος Ηλεκτρική Προώθηση (High Power Electric Propulsion - HiPEP), χαρακτηρίζεται ορόσημο για το φιλόδοξο πρόγραμμα PROMETHEUS αξίας 3 δισεκατομμυρίων δολαρίων, λέει ο διευθυντής του Alan Newhouse.

Η μηχανή HiPEP είναι η πρώτη δοκιμασμένη τεχνολογία προώθησης με μεγάλη ισχύ και με μεγάλη διάρκεια ζωή, τέτοια που μπορεί να ωθήσει διαστημικά σκάφη μέχρι τον Δία χωρίς καμιά βαρυτική βοήθεια από άλλους πλανήτες. Αυτές οι δοκιμασμένες παλιές τεχνικές περιλαμβάνουν ελιγμούς γύρω από πλανήτες και μπορούν με τη βοήθεια της βαρύτητας να αυξήσουν  σημαντικά την ταχύτητα του διαστημικού σκάφους. Όμως, απαιτούν συγκεκριμένες πλανητικές ευθυγραμμίσεις, κάτι που σημαίνει ότι οι κατάλληλες ημερομηνίες έναρξης των πτήσεων είναι σπάνιες.

Αντίθετα, ένα διαστημικό σκάφος που θα τροφοδοτηθεί από μια μηχανή HiPEP θα μπορούσε να προωθηθεί οποτεδήποτε. Ένας στόχος του προγράμματος ΠΡΟΜΗΘΕΑΣ, που στο παρελθόν ονομάστηκε Πυρηνικά Προκαταρκτικά Συστήματα, είναι να προωθηθεί ένα διαστημικό σκάφος προς το Δία μέχρι το 2011. Η πτήση θα διαρκούσε τουλάχιστον οκτώ χρόνια.

Τα βασικά στοιχεία της μηχανής HiPEP είναι μια υψηλή ταχύτητα εξαγωγής, μια μέθοδος βασισμένη στα μικροκύματα που παράγουν ιόντα τα οποία δρουν για περισσότερο χρόνο από ό,τι οι υπάρχουσες τεχνολογίες και ένας ειδικός ορθογώνιος σχεδιασμός χάρις στον οποίο μπορούν ευκολότερα να αυξάνονται αναλογικά από ό,τι οι κυκλικοί.

Ομαλή απόδοση

Το διαστημικό σκάφος όλο και περισσότερο φτιάχνονται με ιοντικές μηχανές παρά με τις μηχανές που καίνε τα συμβατικά καύσιμα των πυραύλων. Κι' αυτό, επειδή οι ιοντικές μηχανές παράγουν περισσότερη ισχύ για ένα δεδομένο ποσό ώσης, και δίνουν ομαλότερη απόδοση παρά διακοπτόμενες ορμητικές εκτοξεύσεις.

"Ο Δίας είναι ένας πολύ μακρινός στόχος. Χρησιμοποιώντας χημικά συστήματα, δεν θα μπορούσατε ποτέ να τον φτάσετε, "λέει ο John Foster, ένας από τους κύριους δημιουργούς της μηχανής στο Ερευνητικό Κέντρο Glenn της NASA στο Κλήβελαντ του Οχάιο.

Μια ιοντική μηχανή λειτουργεί ως εξής: Βομβαρδίζονται άτομα αερίου με ηλεκτρόνια για να παραχθούν φορτισμένα ιόντα. Τα ιόντα μπορούν ακολούθως να επιταχυνθούν σε υψηλές ταχύτητες, με τη βοήθεια μιας τάσης, και να εκτοξευτούν προς τα πίσω για να δώσουν την απαραίτητη ώθηση της προώθησης του σκάφους.

Οι μελλοντικοί αστροναύτες σε ένα διαστημόπλοιο θα μεταφέρονται με μια ακτίνα φωτός, πολύ διαφορετικά από ό,τι σήμερα. Δοκιμές αυτού του σκάφους, σε μικρογραφία, που προωθούν το σκάφος με ακτίνες λέιζερ, έχουν ήδη γίνει στο κέντρο δοκιμών White Sands του Νέου Μεξικού.

Η μηχανή HiPEP διαφέρει όμως από τις προηγούμενες ιοντικές μηχανές, όπως εκείνης που τροφοδοτεί τη διαστημική αποστολή Deep Space 1 της NASA, επειδή τα ιόντα του αερίου ξένον που παράγονται χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό μικροκυμάτων και περιστρεφόμενων μαγνητών. Προηγουμένως, τα ηλεκτρόνια που χρειάζονταν παράγονταν από μια κάθοδο. Με τη χρησιμοποίηση των μικροκυμάτων μειώνεται σημαντικά η φθορά στη μηχανή με την αποφυγή οποιασδήποτε επαφής μεταξύ των επιταχυνόμενων ιόντων και της πηγής των ηλεκτρονίων.

Ένα ιαπωνικό διαστημικό σκάφος, που καταδιώκει τους αστεροειδείς, χρησιμοποιεί ήδη αυτή την τεχνολογία, που βασίζεται στα μικροκύματα, για να παραγάγει τα ιόντα, αλλά το ιαπωνικό Hayabusa χρησιμοποιεί μια μικρή συσκευή που δεν θα μπορούσε να παραγάγει αρκετή ισχύ για να πετάξει στον Δία. Η μηχανή HiPEP έχει ισχύ αυτήν την περίοδο 12 κιλοβάτ, αλλά η ισχύς της θα αυξηθεί τουλάχιστον σε 50 kW για την αποστολή στον Δία.

Λόγω του ορθογωνίου σχήματος της, η μηχανή θα μπορεί ευκολότερα να επεκταθεί κατά μήκος μιας από τις πλευρές του. Μια κυκλική μηχανή θα έπρεπε να επαναφτιαχθεί, λέει η NASA.

Εν τούτοις, άλλοι ερευνητές στο Εργαστήριο Προώθησης της NASA στην Πασαντένα της Καλιφόρνιας, εργάζονται σε μια κυλινδρική ιοντική μηχανή υψηλής ισχύος, επίσης για το πρόγραμμα ΠΡΟΜΗΘΕΑΣ.

Αλλά όπως σημειώνει ο Newhouse, η οικοδόμηση ενός ισχυρού συστήματος προώθησης, μακράς διάρκειας, είναι ακριβώς "ένα από τα κομμάτια που χρειαζόμαστε για να φτάσουμε στον Δία".

Η ηλεκτρική ενέργεια για την ιοντική μηχανή προτείνεται να προέρχεται από έναν αντιδραστήρα πυρηνικής διάσπασης επί του σκάφους.

Αυτό το μέρος του προγράμματος ΠΡΟΜΗΘΕΑΣ μόλις ξεκινάει, με εκτιμήσεις για την ασφάλεια, το σχεδιασμό ενός μικρού αντιδραστήρα και της εκτίμησης του είδους των κατάλληλων καυσίμων που πρέπει να χρησιμοποιηθούν.

Ο όρος πυρηνικός πύραυλος είναι ένας όρος που παρερμηνεύεται πολύ εύκολα. Όπως ανέφερε ένας επιστήμονας της ΝΑΣΑ ο κόσμος θεωρεί ότι πίσω από τον πύραυλο θα φεύγει ραδιενέργεια.

Έτσι η ΝΑΣΑ διασαφήνισε ότι ο όρος "πυρηνικός πύραυλος" δεν είναι αυτό που  αναπτύσσει η NASA.

Αυτές όμως οι συσκευές δεν είναι πυρηνικοί αντιδραστήρες. Χρησιμοποιούν την θερμότητα που δημιουργείται από τη φυσική αποσύνθεση του πλουτωνίου- 238 για να παραγάγει ηλεκτρική ενέργεια.

Στο παρελθόν, αυτές οι συσκευές έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες διαστημικές αποστολές, στα βάθη του διαστήματος, όπως η αποστολή Γαλιλαίος στο Δία, καθώς επίσης και στο διαστημικού σκάφος Cassini, που βρίσκεται καθ' οδόν προς τον Κρόνο.

Οι ανησυχίες πάντως για την ασφάλεια των πυρηνοκίνητων διαστημοπλοίων δεν λείπουν, γιατί η χρήση της πυρηνικής ενέργειας προκαλεί ανησυχία στη Γη.

Ένας τρόπος για να γίνουν αυτά τα διαστημόπλοια ασφαλή, θα ήταν να εκτοξεύονται με συμβατικούς πυραύλους και να τίθεται σε λειτουργία ο πυρηνικός αντιδραστήρας μόνο μετά την έξοδο τους από τη γήινη ατμόσφαιρα.

Όμως, έτσι και αλλιώς, πρέπει να ληφθούν περισσότερα μέτρα προστασίας των αστροναυτών. Οι αστροναύτες επιστρέφουν από το Διάστημα με 30% μείωση της μυϊκής μάζας τους και 10% μείωση της οστεϊκής μάζας τους.

Η ραδιενέργεια στο εσωτερικό ενός διαστημοπλοίου ισοδυναμεί με την ακτινοβολία που παίρνει κανείς όταν κάνει οκτώ ακτινογραφίες-Χ την ημέρα.

Όπως αναφέρουν ειδικοί της NASA η πυρηνοκίνηση  θα βοηθήσει τα ταξίδια να γίνουν γρηγορότερα· ένα πυρηνοκίνητο διαστημόπλοιο θα μπορεί να ταξιδεύει με 90.000 χιλιόμετρα την ώρα, ταχύτητα τριπλάσια από αυτήν με την οποία κινούνται τα σημερινά σκάφη. Υπολογίζεται επίσης ότι το κόστος πτήσης για τα προγράμματα εξερεύνησης του Άρη θα μειωθεί στο μισό, καθώς το ωφέλιμο φορτίο από τη Γη έως τον μακρινό πλανήτη μπορεί να διπλασιαστεί.

Όμως κινήματα όπως το Παγκόσμιο Δίκτυο Εναντίον των Όπλων και την Πυρηνική Ενέργεια στο Διάστημα (Global Network Against Weapons & Nuclear Power iSpace) που τονίζουν ότι τα σχέδια της NASA αποτελούν στην ουσία το παλαιό όνειρο του Πενταγώνου για την απόκτηση υπεροπλίας στο Διάστημα και ότι αιτιολογίες περί αυξημένης ταχύτητας και μικρότερου κόστους είναι μόνον το προπέτασμα για τα πολεμικά σχέδια της αμερικανικής κυβέρνησης.

Η NASA διαβεβαιώνει ότι η χρήση της πυρηνικής ενέργειας δεν πρόκειται να δημιουργήσει κανένα πρόβλημα στο πλανητικό περιβάλλον και ότι δεν θα χρησιμοποιείται στην αρχική φάση της εκτόξευσης -η οποία θα συνεχίσει να γίνεται με συμβατικούς πυραύλους-, αλλά θα τίθεται σε λειτουργία μετά την απομάκρυνση από την ατμόσφαιρα της Γης.