 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Tentoraz nás čaká trochu rozsiahlejšia časť – o zaujímavom riešení elektrických pohonných systémov. Článok ma o niečo viac obrazkov, takže sa môže naťahovať trochu dlhšie.
Elektrické pohonné systémy
Jako nejperspektivnější koncepty pohonu pro nejbližší budoucnost se alespoň v dnešní době jeví elektrické pohonné systémy. Na rozdíl od klasických chemických raketových motorů mají nesrovnatelně menší spotřebu paliva a přitom poskytují nesrovnatelně větší specifický impuls, který se v řadě případů přibližuje i termonukleárním fůzním pohonným systémům. Oproti nim, a také oproti štěpným jaderným pohonným systémům, jsou ale nesrovnatelně lehčí a menší. Jejich funkce je v principu velmi jednoduchá – elektrická energie získávaná například ze solárních článků nebo malého jaderného reaktoru je v motoru přenášena na pracovní látku, která motor opouští tryskou. Existuje mnoho způsobů, jak docílit efektivní přeměny elektrické energie na energii paliva opouštějícího trysku. Podle těchto způsobů přeměny energie můžeme také všechny koncepty elektrických pohonných systémů rozdělit do tří základních kategorií – na elektrotermální, elektrostatické a elektromagnetické. Zajímavé je, že elektrické pohonné systémy nejsou žádnou novinkou – první funkční elektrický pohonný systém byl demonstrován už v roce 1929 a v 60. letech výzkum těchto systémů prodělal obrovský rozmach. Ovšem až v 90. letech se staly elektrické pohonné systémy skutečně použitelnými pro opravdové vesmírné lety (na satelitech byly ale použity už dříve).
Elektrotermální pohonné systémy jsou nejjednodušší, ale také nejméně výkonné ze všech elektrických pohonných systémů. Fungují tak, že jednoduše zahřívají palivo (hydrazin, amoniak nebo vodík), které expanduje skrze trysku. Jediné uplatnění nacházejí vzhledem ke své jednoduchosti již dlouhou dobu jako orientační a stabilizační motůrky satelitů. Rozdělit je můžeme na resistojety a arcjety. Dále se do této skupiny mohou řadit i mikrovlnné elektrotermální motory a pulsní elektrotermální motory. Resistojety jsou ze všech nejjednodušší – pracovní látka (palivo) prochází skrze tepelný výměník, který je obehnán odporovým materiálem. Odporový materiál se při průchodu elektrického proudu zahřívá, od něj se zahřívá tepelný výměník a od něho i palivo, které expanduje skrze trysku. Specifický impuls těchto motůrků je velmi nízký – pohybuje se někde v rozmezí 1600 – 3000 N.s.kg-1. Jediným plusem resistojetů je jejich jednoduchost a relativně vysoká účinnost využití elektrické energie (60–90%). Druhým typem elektrotermálních motorů jsou arcjety. V nich je palivo prudce zahříváno elektrickým obloukem probíhajícím mezi katodou a anodou. Existuje mnoho konstrukčních řešení a podávané výkony se různí, ale v každém případě jsou arcjety o dost výkonnější než resistojety. Dle použitého paliva dosahují Isp mezi 3350 – 9000 N.s.kg-1, v některých případech ovšem mohou dosáhnout Isp dokonce 10000 – 23000 N.s.kg-1. Jejich nevýhodou je špatná účinnost využití elektrické energie (průměrně okolo 30%, v nejlepším případě 50%) a snížená životnost (daná opotřebováváním elektrod elektrickým obloukem). Dalším typem je mikrovlnný elektrotermální motor. V tomto případě je palivo ve spalovací komoře zahříváno mikrovlnami, které navíc palivo ionizují (přesněji řečeno prudce urychlují volné elektrony obsažené v malém množství v plynu, které následně způsobují ionizaci). Vzniklá plasma pak opouští spalovací komoru normální tryskou. Tento pohon může podávat Isp 3000 – 5000 N.s.kg-1 a účinnost přeměny elektrické energie se pohybuje mezi 40–70%. Výhodou je, že tento koncept může používat mikrovlny i z externího zdroje (tak, jak jsem to nastínil v předchozí podkapitole). Posledním typem je pulsní elektrotermální motor. Zde je palivo vháněno do úzké podlouhlé spalovací komory s katodou na jednom konci a anodou na konci druhém. V okamžiku, kdy je palivo vehnáno do trubice, dojde k vybití kondenzátorů a skrze palivo projde silný elektrický výboj. Palivo se tak zionizuje a pod velkým tlakem jako rychlá plasma expanduje skrze klasickou (supersonickou) trysku. Tento proces se opakuje 30× za sekundu. Podávaný Isp je 14000–29000 N.s.kg-1 při účinnosti přeměny elektrické energie 54–70%. Bohužel tento typ motoru trpí určitými neduhy, a tak se od něj přešlo k pulsním arcjetům.
Elektrostatické pohonné systémy jsou zřejmě nejlepším řešením pohonu pro budoucí automatické vesmírné sondy a možná i malé vesmírné lodě. Existuje mnoho různých schémat, ale všechny mají jedno společné – produkují tah tím, že z trysky vyhánějí paprsek iontů o vysoké rychlosti. Právě proto se jim často také říká iontové pohonné systémy. Nejznámějším konceptem je tzv. elektronový iontový pohon (electron-bombardment ion engine). V tomto případě jsou neutrální atomy paliva (nejčastěji xenonu, ale někdy také kryptonu, argonu nebo plynné rtuti) bombardovány ve válcové komoře (jejíž stěny fungují jako anoda) elektrony emitovanými z duté katody (ty jsou ještě usměrňovány přídavnými magnetickými poli tak, aby byla zvýšena pravděpodobnost kolize s atomy paliva). Při kolizi se z atomů paliva uvolňují elektrony, a tím z nich vznikají kladně nabité ionty (kationty). Trysku motoru tvoří série dvou (nebo tří) kovových mřížek uložených těsně za sebou, které slouží jako elektrody. Vnitřní mřížka je nabitá na vysoké kladné napětí, vnější mřížka pak na nižší záporné napětí (případná třetí mřížka se používá k regulování rozbíhavosti iontového paprsku). Ionty paliva jsou mřížkou přitahovány a následně silným elektrickým polem mezi mřížkami (v řádu tisíců voltů) urychleny na obrovské rychlosti. Nakonec jsou do paprsku rychle letících iontů opouštějících motor vystřelovány z externí neutralizační katody elektrony (ve stejném počtu, jako je v paprsku iontů), což zabraňuje nežádoucímu nabíjení samotné lodi na vysoký negativní elektrický potenciál. Tento typ pohonu má ohromné přednosti. Je velmi efektivní (účinnost přeměny elektrické energie 50–75%) a hlavně dosahuje vynikajícího obrovského specifického impulsu (25000–100000 N.s.kg-1). Velkou výhodou je velmi nízký tah (jeden z nejmenších vůbec) a z toho plynoucí opravdu minimální spotřeba paliva (na druhou stranu tak nízký tah může být v některých případech i na škodu). Samozřejmě má tento pohon také své nevýhody. Největším problémem jsou jemné mřížkové elektrody, které nejenže omezují maximální velikost motoru (nelze stavět příliš velké iontové motory, jelikož tak velké mřížky jsou nepoužitelné), ale hlavně podléhají iontové korozi, což značně omezuje jejich životnost. Podobným problémem s životností trpí i katody emitující elektrony (i když už ne tak výrazně). Další nevýhodou tohoto pohonu je jeho velká energetická náročnost a nutná komplexnost napájecího systému. I přes tyto nevýhody je však tento pohonný systém stále favoritem – tak vysoké Isp a nízká spotřeba paliva z něj činí ideální pohon pro automatické sondy (včetně průzkumu vzdálených koutů naší Sluneční soustavy) a pro některé satelity. Možnosti jeho využití pro pilotované lety (např. misi na Mars s lidskou posádkou) jsou ovšem, vzhledem k nedostačujícím velikostem a výkonům těchto motorů, podle mě velmi omezené a neperspektivní (jistá naděje tu ale stále je – testoval se totiž i motor s mřížkou mající 1,5m v průměru, což je neuvěřitelná velikost v porovnání s klasickými 5 až 50cm). Zatím nejznámějším případem využití tohoto pohonu byla experimentální vesmírná sonda Deep Space 1, jejíž elektronový iontový pohon byl pojmenován NSTAR. Alternativou k elektronovému iontovému pohonu je tzv. Hallův iontový pohon. Existují dvě verze tohoto pohonu (jedna je nazývána jako stacionární plasmový motor – SPT a druhá jako motor s anodovou vrtvou – TAL). V obou případech se k urychlení iontů paliva (xenonu) nepoužívá nabitých mřížek, ale tzv. Hallova jevu, který se projevuje v místech vzájemného překřížení elektrického a magnetického pole. To přináší oproti elektronovému iontovému pohonu značnou výhodu – Hallův iontový pohon totiž není omezen maximální velikostí mřížkových elektrod a jejich nízkou životností. Tento pohon poskytuje nižší Isp (ale pořád velmi vysoké) než elektronový iontový pohon (15000 – 25000 N.s.kg-1) a o něco vyšší tah. Vyšší tah může být v některých případech vítaný, ale projevuje se také v nižší efektivitě využití paliva (a tedy o malinko vyšší spotřebě). Účinnost využití elektrické energie se pohybuje mezi 40–60%. Praktické využití pohonu je obdobné jako u elektronového iontového motoru. Již méně využívaným elektrostatickým pohonným systémem je pohon využívající emise elektrickým polem (tzv. Field Emission Thruster). V tomto případě jsou ionty extrahovány elektrickým polem z povrchu zkapalněného kovu (např. cesia) a stejným elektrickým polem jsou i urychleny. Specifický impuls tohoto pohonu se pohybuje mezi 40000 – 60000 N.s.kg-1 při účinnosti 50–60%. Tento pohon se však hodí spíše jen pro malé satelity (či sondy) jako orientační polohový systém. Kromě těchto významnějších konceptů se testovala i řada dalších (lišících se ve způsobu ionizování paliva a následného urychlení iontů) – např. kontaktní iontový pohon, radioizotopový iontový pohon, radiofrekvenční iontový pohon a mikrovlný iontový pohon. Žádný z těchto konceptů ale nenašel širší uplatnění a zřejmě ani nikdy nenajde (i když cesiový kontaktní iontový pohon a radiofrekvenční iontový pohon již testovaný byl a určité šance na uplatnění má). Jen pro zajímavost se zde zmíním ještě o tzv. koloidním pohonu, kde jsou elektrostaticky urychlovány namísto iontů nabité mikrokapičky paliva. Tento pohon ovšem praktické uplatnění zřejmě také nikdy nenajde.
Posledním typem elektrických pohonných systémů jsou elektromagnetické pohonné systémy. Elektromagnetický pohon je ze všech elektrických pohonných systémů absolutně nejvýkonnějším řešením a až do nástupu termonukleárních (nebo i anihilačních) pohonných systémů bude zřejmě i nejdokonalejší alternativou pohonu veškerých vesmírných lodí. Obecný princip všech těchto konceptů je také velmi jednoduchý – palivo je ve spalovací komoře (lépe řečeno výbojové komoře) zionizováno a vzniklá plasma je usměrňována a urychlována silnými elektromagnetickými poli. Prvním a nejznámějším konceptem je magnetoplasmodynamický (MPD) pohon (někdy nazývaný jako Lorentzův plasmový pohon). Ten sestává ze spalovací komory, jejíž stěny fungují jako anoda a v jejímž středu je po celé délce umístěna velká tyčová katoda. Palivo (plynné lithium, argon nebo vodík) vháněné do komory je ionizováno silným elektrickým proudem (v řádu tisíců ampér) a proud rychlých elektronů ve vzniklé plasmě (směřující od stěn komory-anody k centrální katodě) indukuje kolmé magnetické pole. Magnetické pole a proud elektronů vytváří Lorentzovu sílu, která urychluje plasmu podél osy. Plasma pak o vysoké rychlosti opouští komoru a způsobuje tah. Okolo komory mohou být ještě umístěny externí selenoidní magnety, které zlepšují akceleraci plasmy. Motor může operovat jak ve stálém, tak v pulsním režimu. Tento typ pohonu může poskytovat ohromné Isp – od 10000 do 110000 N.s.kg-1! Tah motoru je oproti elektrostatickým iontovým motorům mnohem větší, ale i tak je velmi nízký, což zaručuje minimální spotřebu paliva. MPD pohon je použitelný pouze ve velkých výkonech (na rozdíl od iontových pohonných systémů, které se naopak hodí jen pro nízké výkony) a v případě nižších výkonů (pod 300 kW) je nutné použití externích selenoidních magnetů. Vynikající je i účinnost tohoto pohonu, která může dosáhnout až 75%. Jedinou nevýhodou je silné opotřebovávání katody (zvláště v pulsním režimu), které omezuje životnost MPD motorů. Dalším elektromagnetickým pohonným systémem je již méně obvyklý pulsní induktivní pohon. Ten sestává z velké ploché indukční cívky (cca 1m v průměru) napojené na velké vysoko-napěťové kondenzátory. Malé množství paliva (např. několik miligramů argonu) je vstříknuto do kruhu nad cívku. V ten okamžik jsou do cívky vybity velké kondenzátory, což vyvolá intenzivní elektromagnetické pole. Toto pole zionizuje palivo a způsobí jeho prudkou akceleraci směrem pryč od cívky. Tento cyklus se opakuje 100 – 200× za sekundu. Pulsní induktivní pohon může poskytovat vysoký specifický impuls 10000 – 60000 N.s.kg-1 a přitom velmi nízký tah. Spotřeba paliva je vzhledem k tomu dokonce menší než u elektronového iontových pohonu, přičemž účinnost využití energie se pohybuje v rozmezí 20 – 60%. Obrovskou výhodou je také to, že v pohonu nejsou používány žádné elektrody nebo mřížky (které by byly při chodu opotřebovávány), a tudíž by teoreticky takový motor mohl mít prakticky neomezenou životnost. Jinou výhodou je, že motor je schopen používat nejrůznější paliva (kromě argonu se dá použít i CO2, amoniak, hydrazin, atp.). Naopak obrovskou nevýhodou je jeho velká hmotnost (daná těžkou cívkou a kondenzátory) a některé technické problémy (vzhledem k frekvenci až 200 pulsů za sekund nutnost využití speciálního rychlého palivového ventilu a rychle se nabíjejících kondenzátorů, které mají omezenou životnost).
Nejmodernějším (a bezesporu nejdokonalejším) elektromagnetickým pohonným systémem je v dnešní době bezkonkurenční projekt VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Ten usilovně vyvíjí NASA v Laboratoři pro pokročilý vesmírný pohon (Advanced Space Propulsion Laboratory) Johnsonova vesmírného střediska v Houstonu. Vyznačuje se tím, že je schopný kdykoliv v průběhu letu plynule měnit velikost dosahovaného specifického impulsu – od 10000 N.s.kg-1 (s velkým tahem – nesrovnatelně větším než u kteréhokoliv jiného elektrického pohonného systému) do úžasných 300000 N.s.kg-1 (s nízkým tahem – jen o malinko větším než u elektronového iontového pohonu). To z tohoto pohonu činí absolutně nejlepší systém pro vesmírné lodě s lidskou posádkou – vždyť tento pohon je také primárně vyvíjen pro pilotovanou misi na Mars. A proč je tedy variabilní specifický impuls tak výhodný? Všechny klasické pokročilé elektrické pohonné systémy s opravdu velkým Isp (elektronové iontové motory, MPD motory, atp.) mají velmi nízký tah. To je pro dlouhé lety velmi výhodné, vzhledem k tomu, že se uspoří velké množství paliva. Jenže nízký poměr tahu ku hmotnosti lodi znamená nízké zrychlení. Vesmírná loď by odlétala z nízké oběžné dráhy Země, ale vzhledem k malému zrychlení by trvalo dlouhou dobu, než by opustila radiační pásy kolem Země. To by znamenalo dlouhé vystavení posádky lodi nebezpečné radiaci. Naproti tomu při využití obyčejného chemického raketového pohonu je dosahováno obrovského tahu a tedy i velkého zrychlení. Průlet skrze radiační pásy je pak otázkou chvilky. Jenže raketový motor je právě kvůli vysokému tahu a nízkému Isp extrémně neefektivní a neúsporný – tak velká spotřeba paliva je nepřijatelná pro dlouhé vesmírné lety, jakými je například mise na Mars. A právě v tom je obrovská výhoda VASIMRu. V první fázi letu se jednoduše přepne do módu s vysokým tahem a nízkým Isp (tedy s nízkou účinností) a poté, co loď opustí radiační pásy, se přepne do módu s velmi nízkým tahem, ale s extrémně vysokým Isp (a tedy s vysokou účinností). A jak vlastně VASIMR vypadá a funguje? Koncept využívá podobných principů jako lineární magnetický termonukleární pohon (magneticky uzavřený válec) – poznatky z výzkumu termonukleární fůze také byly v tomto konceptu hojně využity. Vlastní motor sestává ze tří magnetických komor. V první komoře je ionizováno vstřikované palivo (vodík) a vzniká tak vysokoenergetická plasma proudící do druhé komory. Děje se tak pomocí intenzivního radiofrekvenčního (RF) elektromagnetického pole vyzařovaného helikoidální anténou umístěnou kolem komory (ve starší verzi tohoto konceptu byla plasma získávána stejně jako v MPD pohonu, ale novější RF systém je mnohem dokonalejší). Plasma je samozřejmě pomocí magnetických polí udržována v homogenním svazku tak, aby nedošlo ke kontaktu se stěnami komor. V druhé komoře je plasma zahřívána intenzivním RF zářením produkovaným další anténou umístěnou kolem komory (zde se využívá iontové cyklotronové resonance – v podstatě jde o stejný princip jako v mikrovlnné troubě) a oscilujícími magnetickými poli na ohromné teploty v řádu milionů stupňů Celsia. Tato plasma o ohromné energii a hustotě putuje do poslední komory – jakéhosi magnetického „škrtiče“, kde je dosaženo toho, že se plasma účinně vyprostí z magnetického pole a uniká výtokovou tryskou. Tento proces je zcela ovladatelný a právě zde se může změnou geometrie magnetického pole změnit podávaný specifický impuls a tah. Jednoduše řečeno – pokud je magnetický škrtič sevřený, je dosahováno nízkého tahu, ale ohromného Isp a účinnosti (výhodné pro meziplanetární lety). Naopak pokud je magnetický škrtič uvolněný, tak je dosahováno velkého tahu, ale nízkého Isp a tedy nízké účinnosti (vhodnou pro počáteční odlet z planetární orbity). Za zmínku také stojí, že výtoková tryska je ve VASIMRu složitým dvoustupňovým hybridním magnetickým a gasodynamickým systémem (chlazená vodíkem který proudí kolem proudu plasmy). Velkou výhodou VASIMRu je to, že nepoužívá žádné elektrody nebo mřížky a tudíž má prakticky neomezenou životnost. Pohon ovšem potřebuje příkon elektrické energie ve výši cca 10MW a proto k zásobování pohonu energií nestačí obyčejné solární panely a musí být použito jaderného reaktoru, což samozřejmě skýtá jisté problémy. Určité problémy technického rázu se také objevují v souvislosti s elektrony uvolněnými z plasmy, které sice v důsledku coulombické interakce následují ionty, ale hůře unikají z magnetického pole do trysky a dokonce mohou způsobit jeho deformace (tento problém se ale zdá být již vyřešen nebo v nejbližší době dořešen bude). VASIMR je vskutku impozantní všestranný pohonný systém vhodný nejen k pohonu lodí s lidskou posádkou, ale také k velké spoustě dalších úkolů (např. zásobování případné vědecké minikolonie na Marsu).
Kromě těchto nejdůležitějších zástupců elektromagnetických pohonných systémů existují i další, ale ty jsou buď použitelné jen jako malé orientační motůrky satelitů (např. teflonový a xenonový pulsní plasmový motor), nebo nemůžou být kvůli problémům technického rázu prakticky využity (elektronový cyklotronový resonanční motor).
Pokročilé elektrické pohonné systémy čeká slibná budoucnost. Na jedné straně budou využívány v kombinaci se solárními panely k pohonu automatických sond (hlavně menší a středně velký elektronový iontový pohon, případně Hallův iontový pohon a možná i MPD pohon) a na druhé straně budou využívány v kombinaci s malým jaderným reaktorem k pohonu velkých pilotovaných vesmírných lodí s lidskou posádkou. Zde by se sice mohl uplatnit výkonný MPD pohon (nebo možná i velké verze iontových pohonných systémů), ale vzhledem k existenci VASIMRu by to bylo zbytečné. VASIMR poráží všechny elektrické pokročilé systémy na plné čáře. Vždyť cesta na Mars by v případě jeho využití (k čemuž je také plánován) trvala jen 115 dní. Podle mého názoru ovládne nebe, až do příchodu termonukleárních pohonných systémů, jednoznačně VASIMR.
Nabudúce niečo o špeciálnych konceptoch pohonu vesmírnych lodí.
Michal Křenek http://mikos.ic.cz m.krenek@volny.cz