Algunos de ellos se han convertido en científicos e ingenieros de cohetes, obsesionados con construir cohetes de alto empuje y extender las huellas humanas al espacio exterior.
Según los cálculos, un vehículo de lanzamiento Saturn V con un empuje de 3.408 toneladas puede enviar una nave espacial tripulada de 45 toneladas a la luna (EE.UU., mediados del siglo XX, un cohete pesado "Energy"); con un empuje de 2.940 toneladas, el cohete puede enviar una carga útil de 27 toneladas a Marte y Venus (Rusia, 1987; un cohete pesado "Long March 9" de 4.000 toneladas puede enviar fácilmente una carga útil de 37 toneladas a Marte (China); en desarrollo).
Estos vehículos de lanzamiento que se utilizan actualmente en todo el mundo son cohetes químicos, que liberan una enorme energía al quemar combustible líquido o sólido y expulsan gas a alta temperatura y alta velocidad, lo que permite al cohete obtener un enorme empuje. Para adentrarse más en el espacio profundo, se necesita más combustible.
Sin embargo, el espacio para que los cohetes almacenen combustible es limitado después de todo. ¿Qué debo hacer si el combustible es demasiado pesado y afecta el lanzamiento? ¿Cómo solucionar el problema del suministro insuficiente de combustible para los viajes espaciales de larga duración?
El astronauta chino Zhang Fulin de la NASA propuso un nuevo tipo de cohete: un cohete de plasma. Este cohete funciona con energía eléctrica y utiliza plasma gaseoso como "combustible". Sólo se necesitan 39 días para viajar de la Tierra a Marte en un cohete de plasma.
El cohete planeado "Larga Marcha 9" (extremo derecho) tiene una masa de despegue de más de 4.000 toneladas y su capacidad de transporte es aproximadamente equivalente a la del cohete estadounidense "Saturn V", superando El vehículo de lanzamiento estadounidense de próxima generación (SLS) que se encuentra en desarrollo puede cumplir plenamente con misiones futuras como la exploración lunar tripulada, el retorno de muestras de Marte y la exploración planetaria en el sistema solar. Noticias Espaciales
Vuela más allá de la Tierra y utiliza gas como "combustible"
En la ciencia ficción, parece que los aviones pueden proporcionar toda la energía para los viajes interestelares. Sin embargo, los cohetes químicos utilizados en realidad requieren el consumo de combustibles químicos como el queroseno y el alcohol. Tienen un gran apetito pero no son muy eficientes. La mayor parte del combustible se utiliza para escapar de la gravedad de la Tierra, lo que imposibilita los viajes interestelares arbitrarios.
El cohete de plasma (VASIMR) adopta un enfoque completamente diferente: utiliza un acelerador de plasma como fuerza motriz.
La siguiente es una introducción a qué es el plasma. Cuando una sustancia se calienta a una temperatura suficientemente alta, los átomos que contiene se ionizan formando núcleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente, formando una "pasta" de iones o plasma.
El plasma está en todas partes en la naturaleza. Llamas ardientes, relámpagos deslumbrantes y auroras brillantes son el resultado del plasma. En todo el universo, casi el 99,9% de la materia (como las estrellas y la materia del espacio interplanetario) existe en estado de plasma. Por lo tanto, también se le llama el "cuarto estado de la materia", además de los estados gaseoso, líquido y sólido.
El plasma se puede producir mediante métodos artificiales, como la fusión nuclear, la fisión nuclear y la descarga luminiscente.
En comparación con el gran peso del combustible químico para cohetes, el combustible en sí puede convertirse en una "carga" durante el lanzamiento del cohete. Los cohetes de plasma pueden proporcionar más potencia con menos combustible. Una vez que ingresen al espacio, acelerarán gradualmente como un velero con viento de cola, y eventualmente dejarán muy atrás a los cohetes químicos tradicionales y completarán varias misiones de exploración espacial en el espacio.
Los motores de cohetes de plasma utilizan argón como fuente de plasma. El argón es un gas inerte que no reacciona fácilmente con otros elementos. A menudo se utiliza como gas protector al soldar metales, por lo que es muy adecuado para plasma.
Su principio de funcionamiento es que el motor del cohete ioniza primero el gas argón y lo convierte en plasma a baja temperatura (en realidad hay más de 5.000). Luego, el gas ionizado se calienta y acelera mediante imanes hasta temperaturas que alcanzan millones de grados Celsius. Luego se utiliza un campo magnético para controlar el plasma de alta temperatura, lo que hace que se acelere y se descargue desde la cola del cohete, formando un enorme empuje que ayuda al cohete a salir disparado de la Tierra.
Se estima que tras instalar el cohete de plasma, la velocidad de la nave espacial puede alcanzar unos 6.543.809.800 kilómetros por hora.
En comparación con los cohetes tradicionales, que tardan 250 días en enviar astronautas a Marte, los cohetes de plasma pueden permitir a los astronautas llegar a Marte en el menor tiempo posible, 39 días, ahorrando mucho combustible, alimentos, agua y aire, y los astronautas también pueden deshacerse de largas distancias. término radiación de rayos cósmicos.
Entonces, ¿cómo logra el cohete de plasma una eficiencia de propulsión tan alta? Esto está relacionado con el mecanismo de aceleración del plasma.
El mecanismo mágico de reconexión magnética requiere energía del campo magnético.
Durante todo el proceso de funcionamiento del motor, el cohete de plasma utiliza principalmente el mecanismo de reconexión del campo magnético para acelerar y calentar el haz de plasma.
¿Qué es la reconexión magnética? De hecho, la reconexión magnética es un proceso muy importante para la rápida liberación de energía magnética en el sol. Casi todas las explosiones solares están relacionadas con la reconexión magnética, como las llamaradas, las eyecciones de masa coronal, los chorros, etc. Y la reconexión magnética se puede ver no sólo en el Sol, sino también en la atmósfera terrestre y en los reactores de fusión nuclear Tokamak.
Durante el proceso de reconexión del campo magnético, varios grupos de líneas de campo magnético en direcciones opuestas se acercan entre sí y se reconectan para formar nuevas líneas de campo magnético. Los cohetes de plasma utilizan cambios en el campo magnético para activar y desactivar las líneas del campo magnético, convirtiendo la energía magnética en energía cinética, energía térmica y aceleración de partículas del plasma.
Sin embargo, el proceso de reconexión magnética requiere suficiente apoyo de energía eléctrica, y los cohetes de plasma requieren casi cientos de kilovatios de energía eléctrica. ¿De dónde viene tanta electricidad? ¿Qué opciones de suministro de energía se pueden elegir para satisfacer las necesidades?
¿De dónde proviene la enorme energía eléctrica? ¿energía nuclear? ¿sol?
1) Suministro de energía del reactor nuclear
Actualmente se cree que la mejor fuente de energía es un reactor nuclear, por lo que podemos imaginar que el cohete de plasma eventualmente se convertirá en un motor de cohete nuclear. El uso de reactores de fisión nuclear para impulsar cohetes de plasma podría llevar fácilmente a la gente a Marte.
En lo que respecta a la situación actual, el empuje del vasimr todavía no es tan bueno como el de los cohetes tradicionales, lo que dificulta llevar cargas útiles desde la Tierra a la órbita terrestre baja. Sin embargo, en la órbita terrestre baja, las ventajas de Vasimr se hacen evidentes: si se puede aumentar la potencia a 200 kW, es suficiente para proporcionar aproximadamente 0,45 kg de empuje, lo que suena como una pluma en comparación con el peso del cohete, pero en el espacio, un empuje de 0,45 kg puede impulsar 2 toneladas de carga.
2) Suministro de energía del panel solar
Cambiar el dispositivo de suministro de energía del cohete por un panel solar puede convertir la energía solar en energía eléctrica. El problema es que los paneles no son lo suficientemente eficientes. Si continuamos avanzando hacia el espacio profundo o cargamos más peso, necesitamos aumentar la eficiencia del uso de la energía solar.
La investigación ha descubierto que los grandes paneles solares controlables pueden proporcionar hasta 1 kW de potencia. Sin embargo, los grandes conjuntos de baterías plantearán enormes desafíos para la configuración de las naves espaciales, el mantenimiento de la órbita y el diseño del control de actitud.
Actualmente, las células solares de la Estación Espacial Internacional sólo pueden proporcionar 100 kilovatios de energía. Como resultado, la energía solar se verá muy atenuada fuera de Marte, a la distancia entre la Tierra y el Sol.
Además, muchos científicos también están estudiando las velas solares de las naves espaciales, con la esperanza de que algún día puedan utilizar velas solares para explorar el espacio.
En comparación con las células solares, la ventaja del suministro de energía del reactor nuclear espacial es que es una fuente de alimentación independiente, no depende de la luz solar, tiene un almacenamiento de energía extremadamente alto, tiene un amplio rango de potencia y puede cubrir; potencia de salida a nivel de kilovatios o incluso de megavatios. La desventaja es que desde una perspectiva técnica y de seguridad, los requisitos técnicos para el suministro de energía del reactor nuclear son muy altos, el costo del proyecto es relativamente alto y el período de construcción es largo.
Actualmente, la energía nuclear puede satisfacer eficazmente las crecientes necesidades energéticas de las misiones espaciales. Con el desarrollo de la tecnología espacial, los satélites de alta potencia y la exploración del espacio profundo requieren un suministro de energía de alta potencia y a largo plazo. Por el contrario, a la energía de células solares aún le queda un largo camino por recorrer.
Recuerdo que cuando era niño, me tomaba decenas de horas tomar un tren normal de Beijing a Shanghai. Ahora, el tren de alta velocidad de mayor rendimiento sólo tarda más de cuatro horas.
De la misma manera, deshacerse de la dependencia energética tradicional y cambiar a "cohetes eléctricos" impulsados por energía eléctrica no sólo nos impulsará a Marte más rápido, sino que también promoverá el desarrollo de la tecnología aeroespacial mundial.
Creo que algún día superaremos el cuello de botella técnico y desarrollaremos un "cohete eléctrico" de mayor rendimiento para viajar al espacio de manera más conveniente y rápida, y explorar los misterios desconocidos en las profundidades del espacio.