Kredit gambar: NASA
Seperti diketahui semua orang, roket kimia terlalu lambat untuk eksplorasi ruang angkasa. Mungkin yang paling efisien adalah sistem hibrida, dengan berbagai jenis daya dorong yang digunakan pada berbagai titik perjalanan. Artikel ini memberi Anda rincian teknologi yang sedang dikerjakan NASA.
"Bu, apakah kita sudah sampai di sana?"
Setiap orangtua telah mendengar tangisan itu dari kursi belakang mobil. Biasanya dimulai sekitar 15 menit setelah dimulainya perjalanan keluarga. Untung kita jarang bepergian lebih dari beberapa ratus atau beberapa ribu mil dari rumah.
Tetapi bagaimana jika Anda bepergian ke, katakanlah, Mars? Bahkan pada pendekatan terdekatnya ke Bumi setiap beberapa tahun, planet merah selalu setidaknya 35 juta mil jauhnya. Enam bulan di sana dan enam bulan di belakang - yang terbaik.
"Houston, kita sudah sampai di sana?"
"Roket kimia terlalu lambat," keluh Les Johnson, manajer untuk teknologi transportasi dalam ruang di Marshall Space Flight Center NASA. "Mereka membakar semua propelan mereka di awal penerbangan dan kemudian pesawat ruang angkasa itu hanya menempuh sisa perjalanan." Meskipun pesawat ruang angkasa dapat dipercepat oleh bantuan gravitasi - celah langit-cambuk di sekitar planet, seperti yang ada di sekitar Saturnus yang melemparkan Voyager 1 ke tepi tata surya - waktu perjalanan pulang pergi antar planet masih diukur dalam beberapa tahun. hingga beberapa dekade. Dan perjalanan ke bintang terdekat akan memakan waktu berabad-abad jika bukan ribuan tahun.
Lebih buruk lagi, roket kimia terlalu tidak efisien bahan bakar. Pikirkan mengemudi di pemadam gas di suatu negara tanpa pompa bensin. Anda harus membawa banyak muatan gas dan tidak banyak lagi. Dalam misi luar angkasa, apa yang dapat Anda lakukan dalam perjalanan Anda yang bukan bahan bakar (atau tank untuk bahan bakar) disebut massa muatan — mis., Orang, sensor, sampler, peralatan komunikasi, dan makanan. Sama seperti jarak tempuh gas adalah angka manfaat yang berguna untuk efisiensi bahan bakar mobil, "fraksi massa muatan" - rasio massa muatan misi terhadap massa totalnya - adalah angka manfaat yang berguna untuk efisiensi sistem propulsi.
Dengan roket kimia hari ini, fraksi massa payload rendah. "Bahkan dengan menggunakan lintasan energi minimum untuk mengirim enam orang awak dari Bumi ke Mars, dengan roket kimia saja total massa peluncuran akan mencapai 1.000 metrik ton - di mana sekitar 90 persen akan menjadi bahan bakar," kata Bret G. Drake, manajer untuk analisis peluncuran ruang angkasa dan integrasi di Johnson Space Center. Bahan bakar itu sendiri akan berbobot dua kali lipat Stasiun Luar Angkasa Internasional yang sudah selesai.
Ekspedisi Mars tunggal dengan teknologi propulsi kimia hari ini akan membutuhkan lusinan peluncuran - yang sebagian besar hanya akan meluncurkan bahan bakar kimia. Seolah-olah mobil kompak 1 ton Anda membutuhkan 9 ton bensin untuk berkendara dari New York City ke San Francisco karena rata-rata hanya satu mil per galon.
Dengan kata lain, sistem propulsi berkinerja rendah adalah salah satu alasan utama mengapa manusia belum menginjakkan kaki di Mars.
Sistem propulsi yang lebih efisien meningkatkan fraksi massa muatan dengan memberikan "jarak tempuh gas" yang lebih baik di ruang angkasa. Karena Anda tidak membutuhkan propelan sebanyak itu, Anda dapat membawa lebih banyak barang, menggunakan kendaraan yang lebih kecil, dan / atau sampai di sana lebih cepat dan lebih murah. "Pesan kuncinya adalah: kita membutuhkan teknologi penggerak canggih untuk memungkinkan misi berbiaya rendah ke Mars," kata Drake.
Dengan demikian, NASA sekarang mengembangkan penggerak ion, layar surya, dan teknologi penggerak eksotis lainnya yang selama beberapa dekade telah membawa manusia ke planet dan bintang lain - tetapi hanya di halaman-halaman fiksi ilmiah.
Dari kura-kura ke kelinci
Apa sajakah pilihan fakta sains?
NASA bekerja keras pada dua pendekatan dasar. Yang pertama adalah mengembangkan roket baru yang secara radikal memiliki tingkat penghematan bahan bakar yang lebih baik daripada propulsi kimia. Yang kedua adalah mengembangkan sistem "bebas propelan" yang ditenagai oleh sumber daya yang berlimpah dalam ruang hampa udara yang dalam.
Semua teknologi ini memiliki satu karakteristik utama: mereka mulai perlahan, seperti kura-kura, tetapi seiring waktu berubah menjadi kelinci yang benar-benar memenangkan perlombaan ke Mars - atau ke mana pun. Mereka mengandalkan fakta bahwa akselerasi kecil terus menerus selama berbulan-bulan akhirnya dapat mendorong pesawat ruang angkasa jauh lebih cepat daripada satu tendangan awal yang sangat besar diikuti oleh periode panjang meluncur.
Atas: Pesawat ruang angkasa dorong rendah ini (konsep seniman) didorong oleh mesin ion dan ditenagai oleh tenaga surya. Akhirnya pesawat akan menambah kecepatan - hasil dari akselerasi tanpa henti - dan berlomba dengan kecepatan beberapa mil per detik. Kredit gambar: John Frassanito & Associates, Inc.
Secara teknis, semuanya adalah sistem dengan daya dorong rendah (artinya Anda hampir tidak akan merasakan akselerasi yang begitu lembut, setara dengan bobot selembar kertas yang terletak di telapak tangan Anda) tetapi waktu pengoperasian yang lama. Setelah berbulan-bulan melanjutkan akselerasi kecil, Anda akan memotong kecepatan bermil-mil per detik! Sebaliknya, sistem propulsi kimia memiliki daya dorong tinggi dan waktu pengoperasian yang pendek. Anda terlempar ke bantal kursi saat mesin menyala, tetapi hanya sebentar. Setelah itu tangki kosong.
Roket hemat bahan bakar
"Roket adalah segala sesuatu yang melemparkan sesuatu ke laut untuk mendorong dirinya sendiri ke depan," Johnson menunjukkan. (Jangan percaya definisi itu? Duduklah di atas skateboard dengan selang tekanan tinggi menunjuk ke satu arah, dan Anda akan didorong ke arah sebaliknya).
Kandidat terkemuka untuk roket canggih adalah varian mesin ion. Dalam mesin ion saat ini, propelan adalah gas inert yang tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, seperti xenon. Gas mengisi ruang cincin magnet yang digunakan untuk menjalankan berkas elektron. Elektron menyerang atom gas, merobohkan elektron terluar dan mengubah atom netral menjadi ion bermuatan positif. Kisi-kisi berlistrik dengan banyak lubang (15.000 dalam versi saat ini) memusatkan ion ke knalpot pesawat ruang angkasa. Ion-ion tersebut melesat melewati grid dengan kecepatan hingga lebih dari 100.000 mil per jam (bandingkan dengan mobil balap 500 Indianapolis pada 225 mph) -menyemburkan mesin ke luar angkasa, sehingga menghasilkan daya dorong.
Dari mana asal listrik untuk mengionisasi gas dan mengisi daya mesin? Baik dari panel surya (yang disebut tenaga listrik surya) atau dari fisi atau fusi (disebut tenaga listrik nuklir). Mesin penggerak listrik tenaga surya akan paling efektif untuk misi robotik antara matahari dan Mars, dan tenaga nuklir untuk misi robotik di luar Mars di mana sinar matahari lemah atau untuk misi manusia di mana kecepatan merupakan esensi.
Penggerak ion berfungsi. Mereka telah membuktikan keberanian mereka tidak hanya dalam pengujian di Bumi, tetapi di pesawat ruang angkasa yang bekerja - yang paling terkenal adalah Deep Space 1, misi pengujian teknologi kecil yang ditenagai oleh tenaga listrik tenaga surya yang terbang dan mengambil gambar Komet Borrelly pada bulan September, 2001. Penggerak ion seperti yang menggerakkan Deep Space 1 sekitar 10 kali lebih efisien daripada roket kimia.
Sistem bebas propelan
Namun, sistem propulsi bermassa terendah mungkin adalah yang tidak membawa propelan sama sekali. Faktanya, mereka bahkan bukan roket. Alih-alih, dengan gaya perintis sejati, mereka "hidup dari tanah" - mengandalkan energi pada sumber daya alam yang berlimpah di luar angkasa, sama seperti para perintis dahulu kala mengandalkan makanan untuk menangkap binatang dan menemukan akar dan beri di perbatasan.
Dua kandidat utama adalah layar surya dan layar plasma. Meskipun efeknya mirip, mekanisme operasi sangat berbeda.
Layar tenaga surya terdiri dari gossamer yang sangat luas, bahan yang sangat reflektif yang membentang di ruang yang dalam untuk menangkap cahaya dari matahari (atau dari gelombang mikro atau sinar laser dari Bumi). Untuk misi yang sangat ambisius, layar bisa berkisar hingga beberapa kilometer persegi di daerah tersebut.
Layar surya memanfaatkan fakta bahwa foton matahari, meskipun tidak memiliki massa, memiliki momentum – beberapa micronewton (sekitar berat koin) per meter persegi pada jarak Bumi. Tekanan radiasi lembut ini akan perlahan tapi pasti mempercepat layar dan muatannya menjauh dari matahari, mencapai kecepatan hingga 150.000 mil per jam, atau lebih dari 40 mil per detik.
Kesalahpahaman umum adalah bahwa layar surya menangkap angin matahari, aliran elektron dan proton yang energetik yang mendidih dari atmosfer luar Matahari. Tidak begitu. Layar surya mendapatkan momentumnya dari sinar matahari itu sendiri. Namun, adalah mungkin untuk memanfaatkan momentum angin matahari menggunakan apa yang disebut "layar plasma."
Layar plasma dimodelkan pada medan magnet Bumi sendiri. Elektromagnet on-board yang kuat akan mengelilingi pesawat ruang angkasa dengan gelembung magnetik sepanjang 15 atau 20 kilometer. Partikel bermuatan tinggi dalam angin matahari akan mendorong gelembung magnetik, seperti halnya medan magnet Bumi. Bumi tidak bergerak ketika didorong dengan cara ini - planet kita terlalu besar. Tetapi sebuah pesawat ruang angkasa akan secara bertahap didorong menjauh dari Matahari. (Bonus tambahan: sama seperti medan magnet Bumi melindungi planet kita dari ledakan matahari dan badai radiasi, demikian juga layar plasma magnetik melindungi penghuni pesawat ruang angkasa.)
Atas: Konsep seniman tentang wahana antariksa di dalam gelembung magnetik (atau "layar plasma"). Partikel bermuatan dalam angin matahari menghantam gelembung, memberikan tekanan, dan mendorong pesawat ruang angkasa. [lebih]
Tentu saja, teknologi bebas propelan orisinal yang telah terbukti dan terbukti adalah bantuan gravitasi. Ketika sebuah pesawat ruang angkasa berayun oleh sebuah planet, ia dapat mencuri beberapa momentum orbit planet itu. Ini hampir tidak membuat perbedaan untuk planet besar, tetapi secara mengesankan dapat meningkatkan kecepatan pesawat ruang angkasa. Misalnya, ketika Galileo berayun di Bumi pada tahun 1990, kecepatan pesawat ruang angkasa meningkat sebesar 11.620 mph; sementara itu Bumi melambat dalam orbitnya dengan jumlah kurang dari 5 milyar inci per tahun. Bantuan gravitasi semacam itu sangat berharga dalam melengkapi segala bentuk sistem propulsi.
Oke, sekarang setelah Anda menjelajahi ruang antarplanet, bagaimana Anda melambat di tempat tujuan cukup untuk memasuki orbit parkir dan bersiap untuk pendaratan? Dengan propulsi kimia, teknik yang biasa digunakan adalah menembakkan retrorockets - sekali lagi, membutuhkan banyak bahan bakar onboard.
Pilihan yang jauh lebih ekonomis dijanjikan dengan aerocapture - mengerem pesawat ruang angkasa dengan gesekan dengan atmosfer planet tujuan itu sendiri. Kuncinya, tentu saja, tidak membiarkan pesawat antariksa antar-planet berkecepatan tinggi terbakar. Tetapi para ilmuwan NASA merasa bahwa, dengan perisai panas yang dirancang dengan tepat, akan mungkin bagi banyak misi untuk ditangkap ke orbit di sekitar planet tujuan dengan hanya satu melewati atmosfer atasnya.
Maju!
"Tidak ada teknologi propulsi tunggal yang akan melakukan segalanya untuk semua orang," Johnson mengingatkan. Memang, layar matahari dan layar plasma kemungkinan akan berguna terutama untuk mendorong muatan daripada manusia dari Bumi ke Mars, karena "terlalu lama bagi teknologi untuk bangun untuk menghindari kecepatan," tambah Drake.
Meskipun demikian, hibrida dari beberapa teknologi bisa terbukti sangat ekonomis dalam mendapatkan misi berawak ke Mars. Faktanya, kombinasi propulsi kimia, propulsi ion, dan aerocapture dapat mengurangi massa peluncuran misi Mars 6-orang menjadi di bawah 450 metrik ton (hanya membutuhkan enam peluncuran) - kurang dari setengah yang dapat dicapai dengan propulsi kimia saja.
Misi hibrida seperti itu bisa seperti ini: Roket kimia, seperti biasa, akan membuat pesawat ruang angkasa turun dari tanah. Begitu berada di orbit rendah Bumi, modul drive ion akan menyala, atau pengendali darat mungkin menggunakan layar surya atau plasma. Selama 6 hingga 12 bulan, pesawat ruang angkasa - yang sementara tidak dijaga untuk menghindari paparan kru terhadap radiasi dosis besar di sabuk radiasi Van Allen - akan berangsur-angsur hilang, berangsur-angsur melaju hingga orbit akhir keberangkatan Bumi yang tinggi. Para kru kemudian akan dibawa ke kendaraan Mars dengan taksi berkecepatan tinggi; tahap kimia kecil kemudian akan menendang kendaraan ke atas untuk menghindari kecepatan, dan itu akan menuju ke Mars.
Ketika Bumi dan Mars berputar di orbitnya masing-masing, geometri relatif antara kedua planet ini terus berubah. Meskipun peluang peluncuran ke Mars terjadi setiap 26 bulan, keberpihakan optimal untuk perjalanan termurah dan tercepat mungkin terjadi setiap 15 tahun - yang berikutnya terjadi pada 2018.
Mungkin saat itu kita akan memiliki jawaban berbeda untuk pertanyaan, "Houston, apakah kita sudah sampai?"
Sumber Asli: NASA Science Story
