Mars’a lazer sürmek

Bir lazer Mars’a bir uzay aracı gönderebilir mi? Bu, NASA’dan gelen bir talebi karşılamak için tasarlanan McGill Üniversitesi’ndeki bir gruptan önerilen bir görev. Dünya üzerinde 10 metre genişliğinde bir dizi olan lazer, uzay aracının arkasındaki bir bölmede hidrojen plazmasını ısıtacak, hidrojen gazından itme üretecek ve onu sadece 45 gün içinde Mars’a gönderecekti. Orada, Mars’ın atmosferinde aerobrake yapacak, insan kolonistlerine veya belki bir gün belki de insanların kendilerine erzak gönderecekti.

2018’de NASA, mühendisleri Mars’a 45 günden fazla olmayan bir sürede en az 1.000 kilogramlık bir yükün yanı sıra güneş sisteminin derinliklerine ve dışına daha uzun yolculuklar sağlayacak bir görev tasarlamaya davet etti. Kısa teslimat süresi, galaktik kozmik ışınların ve güneş fırtınalarının zararlı etkilerine maruz kalmalarını en aza indirirken, gönderileri ve bir gün astronotları Mars’a taşıma arzusuyla motive edilir. Elon Musk’ın SpaceX’i tasavvur etmek Mars’a yapılacak bir insan gezisi, kimyasal tabanlı roketleriyle altı ay sürecek.

McGill’in lazer-termal tahrik adı verilen konsepti, her biri yaklaşık bir mikron dalga boyuna sahip birçok görünmez kızılötesi ışını, toplam 100 megavatlık güçlü bir güç için birleştiren, 10 metre çapında, Dünya’ya dayalı bir dizi kızılötesi lazere dayanır. güç yaklaşık için gerekli 80.000 ABD hane. Eliptik bir Dünya yörüngesinde yörüngede dönen faydalı yük, Dünya’dan gelen lazer ışınını bir hidrojen plazması içeren bir ısıtma odasına yönlendiren bir reflektöre sahip olacaktır. Çekirdeği daha sonra 40.000 Kelvin (72.000 Fahrenhayt derece) kadar yüksek bir sıcaklığa ısıtıldığında, çekirdeğin etrafında akan hidrojen gazı 10.000 K’ye (18.000 Fahrenhayt derece) ulaşacak ve bir memeden dışarı atılarak gemiyi Dünya’dan uzağa itmek için bir itme kuvveti yaratacaktır. 58 dakikalık aralık. (Yan iticiler, Dünya dönerken aracı lazer ışını ile hizalı tutar.)

Işınlama durduğunda, yük, Dünya’ya göre saniyede neredeyse 17 kilometre hızla uzaklaşıyor – ayın yörünge mesafesini sadece sekiz saatte geçecek kadar hızlı. Bir buçuk ay içinde Mars atmosferine ulaştığında, yine de 16 km/s hızla yol alıyor olacak; ancak, oraya varıldığında, yükü Mars çevresinde 150 km’lik bir yörüngeye yerleştirmek, mühendislik ekibinin çözmesi zor bir problemdir.

Bu zor çünkü yük, bir roketi kendini yavaşlatmak için ateşleyecek kimyasal bir itici taşıyamıyor – gerekli yakıt, yük kütlesini orijinal 1.000 kilogramın yüzde 6’sından daha azına indirecek. Kızıl gezegendeki insanlar, gelen geminin reflektörünü ve plazma odasını ters itme sağlamak için kullanması için eşdeğer bir lazer dizisi oluşturana kadar, Mars’taki yükü yavaşlatmanın tek yolu havadan yakalamadır.

O zaman bile, Mars’ın atmosferindeki havadan yakalama veya aerobraking, uzay aracının 8 g’a kadar (burada g, Dünya yüzeyindeki yerçekiminden kaynaklanan ivmedir, 9.8 m/s2) yavaşlamalarla karşılaştığı tehlikeli bir manevra olabilir. insan sınırı, Mars çevresinde tek bir geçişte yakalandığı için sadece birkaç dakikalığına. Atmosferik sürtünmeden dolayı araç üzerindeki büyük ısı akışları, geleneksel termal koruma sistemi malzemelerinin üzerinde olacaktır, ancak aktif geliştirme altındakilerin üzerinde olmayacaktır.

Uzay aracının derin uzaya (Mars ve dahası) lazer-termal tahriki, bir lazer ışınının faydalı yükün arkasındaki fotovoltaik (PV) hücrelere çarpacağı lazer-elektrik tahrik gibi daha önce önerilen diğer taşıma yöntemleriyle çelişir; PV hücreleri üzerindeki güneş ışığının itici itkiyi oluşturduğu güneş-elektrik tahriki; bir nükleer reaktörün, bir iticiden itilen iyonlar üreten elektrik ürettiği nükleer-elektrik tahriki; ve nükleer reaktörün ısısının sıvıyı gaza dönüştürdüğü ve itme kuvveti oluşturmak için bir memeden dışarı itilen nükleer-termal tahrik.

Üzerinde çalışan çalışmanın baş yazarı Emmanuel Duplay, “Lazer-termal tahrik, bir voleybol sahası büyüklüğünde lazer dizileri ile 1 tonluk hızlı taşıma görevlerini mümkün kılıyor – lazer-elektrikli tahrikin yalnızca kilometre sınıfı dizilerle yapabileceği bir şey” diyor. Proje, McGill Üniversitesi’nin Mühendislik Yaz Lisans Araştırma Programının bir parçası iken, iki yılı aşkın bir süredir. Duplay şu anda Delft Teknoloji Üniversitesi’nin Havacılık ve Uzay Mühendisliği Yüksek Lisans Programında, Uzay Uçuşu uzmanlığıyla.

Duplay ve diğerleri tarafından sunulan lazer-termal tahrik misyonu konseptinin büyük bir avantajı. 0.001-0.010 kg/kW aralığında son derece düşük kütle-güç oranıdır – “benzersiz”, “güç kaynağının açık kalması nedeniyle gelişmiş nükleer tahrik teknolojileri için belirtilenlerin bile çok altında” yazıyorlar. Toprak ve iletilen akı, düşük kütleli şişirilebilir bir reflektör tarafından işlenebilir.”

Lazer-termal tahrik ilk olarak 1970’lerde 10.6 mikron CO2 kullanılarak çalışılmıştı.₂ lazerler, zamanın en güçlüsü. Günümüzün bir mikronda, büyük, etkili çapa sahip, büyük ölçüde paralel, aşamalı dizilerde birleştirilebilen günümüzün fiber optik lazerleri, iki büyüklük mertebesi üzerinde bir odak uzaklığı güç dağıtımı anlamına gelir – Duplay’in lazerinde 50.000 km. termal tahrik konsepti.

Duplay bunu açıklıyor aşamalı dizi lazerler için bir mimari Santa Barbara’daki California Üniversitesi’nde fizikçi Philip Lubin liderliğindeki bir grup tarafından geliştiriliyor. Lubin’in grubunun dizisi, her biri yaklaşık 100 watt’lık bireysel lazer amplifikatörleri kullanıyor – her amplifikatör basit bir fiber optik döngüsü ve bir pompa olarak bir LED ışık ve ucuza seri üretilebilir – bu nedenle burada tasavvur edilen Mars görevi için 1 milyon sipariş gerekir. bireysel amplifikatörler

Mars’a giden ilk insanlar muhtemelen oraya lazer-termal tahrik teknolojisini kullanarak ulaşamayacaklar. Duplay, “Ancak, uzun vadeli bir koloniyi sürdürmek için daha fazla insan seyahat ettikçe, bizi oraya daha hızlı götürecek itme sistemlerine ihtiyacımız olacak – sadece radyasyon tehlikelerinden kaçınmak için” diyor. Mars’a lazer-termal bir görev, ilk insan görevlerinden 10 yıl sonra başlayabilir, yani belki de 2040 civarında.

© 2022 Bilim X Ağı