במנועי ואזימר אין משאבות, צינורות וחלקים נעים. הנעה זו יכולה להאיץ חלליות למהירויות גדולות, ולהקל על משימות רבות בחלל
טל ענבר | גליליאו
תחום ההנעה הרקטית מגביל את האדם ומכשיריו בכל הקשור למסעות מחקר מהירים במערכת השמש. הנעה חדשנית תוכל לשנות את התמונה במידה ניכרת, ולפרוץ את הדרך למחקרים רבים יותר, לפיתוח תחום הטיסה המאוישת מעבר למסלולו של כדור הארץ, ואולי אף לשליחת חלליות מחקר למשימות רחוקות מחוץ למערכת השמש שלנו.
מסע מכדור הארץ למאדים אורך היום כשבעה עד שמונה חודשים, כתלות במיקומם היחסי של כדור הארץ ומאדים. טכנולוגיית הנעה חדשנית ליישומי חלל תוכל – אם תבשיל – לקצר את המסע לכדי 39 יום בלבד, ולפתוח את הדרך למחקר מאויש של הפלנטה האדומה והמסקרנת. הטכנולוגיה מכונה הנעת מגנטו פלזמה בעלת מתקף סגולי משתנהVariable Specific Impulse) Magneto plasma Rocket), או בקיצור VASIMR.
הרעיון מאחורי מנועי ואזימר הוא שימוש בגלי רדיו לשם יינון וחימום הודף גזי, והאצת התוצר הלוהט אל פיית פליטה באמצעות שדות מגנטיים רבי עוצמה. זהו יישום המזכיר את ההנעה היונית של חלליות, הקיימת זה שנים (ואף תיושם בלוויין הישראלי/צרפתי ונוס). ואולם בניגוד להנעה יונית קונוונציונלית, הנעת ואזימר תשיג רמות דחף גבוהות הרבה יותר, שיתורגמו למהירות טיסה גבוהה. אתהרעיון המקורי להנעת ואזימר הגה האסטרונאוט לשעבר האמריקני ד”ר פרנקלין צ’אנג-דיאז (Chang Diaz) ב-1977. היום הוא ממשיך בפיתוח הטכנולוגיה לכלל מנוע רקטי מבצעי, בחברה שהקים ושהוא עומד בראשה, אד אסטרה (Ad Astra Rocket company, וראו קישור בסוף הטור).
המכשול העיקרי בטיסות חלל מאוישות ממושכות הוא הגורם האנושי. פרט לבדידות, ללחץ הנפשי ולעומס העבודה שיוטל על הצוותים שיטוסו יום אחד לקצות מערכת השמש, קיימות סכנות חמורות לבריאותם – החל מאובדן סידן מהעצמות ודלדול מאסת שריר (בעיות שאפשר לצמצמן בעזרת התעמלות נכונה ודיאטה מיוחדת, ובעתיד באמצעות סרכזת, צנטריפוגה), וכלה בחשיפה לרמות קרינה גבוהות, בעיקר בעת סערות שמש (Solar Flares). צמצום המסע למאדים יקטין למינימום את זמן החשיפה של בני האדם לתנאים הקיצוניים, ויאפשר גם תמיכה בתחנת מחקר גדולה, ובעתיד אולי גם בהתיישבות אנושית על פני מאדים. בביקורו בישראל בחודש ינואר השנה, ציין ראש נאס”א, צ’רלס בולדן, כי אחד היעדים העיקריים שהוא מעוניין בקידומם הוא פיתוח הנעה רקטית שונה מהמקובל, שתאפשר צמצום ניכר בזמני הטיסה למאדים. הוא אף התייחס ספציפית לתחום הוואזימר כתחום מחקר מבטיח וחשוב.
הטכנולוגיה
מנועי ואזימר משתמשים, כאמור,באנרגיה של גלי רדיו לצורך יינון וחימום הודף גזי. הפלזמה, תוצר היינון והחימום, מואצת באמצעות שדות מגנטיים חזקים ונפלטת מנחיר פליטה, לשם יצירת דחף המסוגל להניע חלליות ולוויינים. לחלקי המנוע אין מגע ישיר עם הפלזמה, שכן הוא מסוּכּך על-ידיהשדות המגנטיים שהוא מייצר. לכן, אין שחיקה מכנית של רכיביו בעת שהפלזמה נעה מהמנוע החוצה. במובן זה מנוע ואזימר עמיד יותר ממנועי פלזמה מהדור הנוכחי.
פעולת המנוע מורכבת משלושה שלבים:
- הפיכת גז לפלזמה באמצעות אנטנות המתעלות אנרגיית רדיו למקום המתאים (מקור האנרגיה יכול להיות כור גרעיני או תאים פוטו וולטאיים).
- חימום הפלזמה באמצעות גלי רדיו (תהליך המזכיר במעט את עיקרון הפעולה של תנורי מיקרו גל).
- תיעול הפלזמה באמצעות שדות מגנטיים, המניעים אותה אל מחוץ למנוע ויוצרים בכך דחף.
מנועי ואזימר מאפשרים יצירת דחף נמוך או גבוה בהתאם לצורך, וכן מאפשרים תקיפה סגולית גבוהה או נמוכה (תקיפה סגולית היא מדד בתחום ההנעה הרקטית המתאר את מידת יעילות המנוע והחומר ההודף). המנועים שונים מהותית ממנועים רקטיים קונוונציונליים שבהם נשרפים דלקים כימיים. בניגוד למנועים הפועלים באמצעות דלק נוזלי, אין במנועי ואזימר משאבות, צינורות וחלקים נעים.
יישומים
הנעת ואזימר לא תאפשר שיגור לוויינים וחלליות מכדור הארץ לחלל, בגלל היחס הנמוך בין דחף למשקל המנועים. ואולם בחלל אפשר להאיץ חלליות המצוידות בהנעה זו למהירויות גבוהות בהרבה מהמקובל כיום. להנעת ואזימר שלל שימושים אפשריים בתחום החלל, ומביניהם נציין: פיצוי על גרר הגורם להנמכת המסלול של תחנות חלל ולוויינים; שיגור מטענים אל הירח; משימות לתדלוק בחלל, משימות מחקר בלתי מאוישות ליעדים שונים במערכת השמש; הסטת אסטרואידים המסכנים את כדור הארץ ומשימות מאוישות למאדים, משימות שיצריכו שימוש במקור כוח גרעיני.
אתגרים
למרות הפשטות במבנה ביחס למנועים רקטיים מקובלים ואפילו ביחס למנועים יוניים רגילים, מציבים מנועי ואזימר אתגרים אחרים ובהם אינטראקציה עם שדות מגנטיים חזקים מאוד וכן ניהול החום הרב שנוצר בהם. המגנטים החזקים המבוססים על מוליכים למחצה, יוצרים שדות מגנטיים בעוצמה של מספר טסלה, עוצמה גבוהה היכולה לפגוע במערכות רבות על החללית. מכיוון שדרושה אנרגיה רבה לשם יצירת הפלזמה מחד גיסא והשדות המגנטיים להנעתה מאידך גיסא, נוצר במנוע חום רב שאותו יש לסלק. כמויות האנרגיה הגדולות שנדרשות לחימום הגז ההודף, וכן לייצור השדות המגנטיים, יחייבו ככל הנראה התקנת כורים גרעיניים על גבי החלליות שבהן ישתמשו בשיטת הנעה זו. נציין כי הנעה גרעינית לחלליות נבחנה עוד בשנות השישים של המאה ה-20 ונמצאה כאפשרית ויעילה, אולם פעילות נמרצת של חסידי איכות הסביבה לצד יחסי ציבור לא טובים של תחום הגרעין מנעו עד כה שימוש בהנעה גרעינית ישירה. עם זאת, חשמל לחלליות מחקר מופק זה עשורים אחדים באמצעות ניצול החום של התפרקות פלוטוניום ביחידות מבודדות לייצור חשמל. פרט לבעיה של גישת הציבור לנושא הגרעין, יש צורך לפתח כוּרים עתירי הספק וקלי משקל.
מצב הפיתוח של הנעת ואזימר
אד אסטרה,החברה שהקים הוגה רעיון הנעת ואזימר, בנתה וניסתה כמה מנועים. הגז ההודף ההופך לפלזמה במנועי החברה הוא אַרְגון. היעילות של חלק מהמנועים המתוכננים עומדת על כ-67 אחוזים, וחישובים מראים שאפשר יהיה להעלותה עד כדי 98 אחוזים. במלוא העוצמה, מייצר מנוע הניסוי של החברה הֶספק של 200 קילו-וואט בקירוב. הדחף שהמנועים ייצרו עד כה אינו גבוה במיוחד. לחברה הסכם עם סוכנות החלל האמריקנית נאס”א לניסוי שיתקיים ב-2011 או ב-2013, ושיבחון מנוע ואזימר על גבי תחנת החלל הבין-לאומית. היום מתבצעת שמירת הגובה באמצעות מנועים רקטיים הפועלים באמצעות הידרזין: במסגרת הניסוי העתידי יחובר מנוע מתוצרת אד אסטרה לתחנת החלל הבין-לאומית, והפעלתו למשך של כרבע שעה תאפשר את שמירת גובהה בחלל מעל כדור הארץ.
אודות הכותב
טל ענבר הוא ראש המרכז לחקר החלל, מכון פישר למחקר אסטרטגי אוויר וחלל, ויו”ר אגודת החלל הישראלית.
35 תגובות
החייזרים משתמשים בזה … הם מצאו ממזמן דרך לאנרגיה אינסופית , הם עפים מעל מהירות האור והכל פועל בכוח המחשבה
זו רק שאלה של זמן, עד שחלום שיוט בחלל יתממש.
מצאתי המרחק הקצר ביותר למאדים הוא 55 מיליון ק”מ ולפעמים 400 מיליון ק”מ. 39 יום זה בערך 1,000 שעות אז המהירות היא כ 55,000 קמ”ש .
7 חודשים זה בערך 5,000 שעות שזה כ 10,000 קמ”ש .
אז המנוע הזה וייזמיר מהיר פי 5
נו אלי כבר מישהו יואיל בטובו לומר מה המהירות או לחשב את זה כאילו קחו מרחק הכי קרוב למאדים לחלק ל 39 יום כמה זה ?????
שדור חי
צבי:
תודה.
משום מה ראיתי את תגובתך זו רק כרגע.
למיכאל,
מצחיק איך שנייה לאחר שקיבלת בחיוך מחמאה, אף עם היא מנוסחת בשפה מעט משונה, כבר מצאת את הזמן להתנגח עם משה (אשר כמובן הרוויח את זה ביושר)
על כל פנים אנצל את ההזדמנות על מנת להביע את הערכתי האישית אליך, הן על הידע הרחב בצורה יוצאת דופן במגוון תחומים והן על נכונותך להשקיע הרבה מזמנך בהעברת הידע הלאה.
תודה
ל 27:
אני קיים.
אינני בן 100 אבל כבר מזמן אינני ילד. לאחרונה חגגתי את יום הולדתי ה 58 .
אתה אפילו יכול לראות תמונה שלי לצד הכתבות שכתבתי באתר.
בדרך כלל אני נמנע מלדבר על עצמי כי אני יודע איך אנשים מגיבים לזה.
אתה יכול לראות דוגמה למה שמענה לשאלה כמו שלך (והאמן לי – מענה חלקי בלבד) גורם, אם תקרא את תגובתי זו ואת מה שהיא גרמה להמילטוניאן לומר.
איך לעזאזל אתה יודע כל כך הרבה? מהי השכלתך? האם אתה מובטל עם הרבה זמן פנוי?האם אתה בן 100?מהו שמך האמיתי? האם אתה בכלל אמיתי?
אבי. בתור אדם סקרן שמתעניין באתר ובתכניו אני חושב שמגיע לי ולשכמותי איזשהו בדל מידע על האיש.
בתודה הסקרן הלא ידען..
ניר:
אינני יודע מה אתה רוצה אבל להאשים אותי בהתעלמות במכוון זה פשוט גועל נפש.
תגובתך הראשונה (18) יכולה הייתה להתפרש רק באופן אחד.
ציינת את מהירות הפליטה בתור הפקטור הקובע בהא הידיעה וזה רחוק מלהיות המצב.
תגובתך השנייה (20) הפנתה אותי לנוסחה שהכרתי ושאיששה את דברי, תוך שאתה חוזר על הטעות שעשית בתגובה 18.
האם העובדה שבתגובה 21 התייחסתי לתגובה זו (20) מהווה בעיניך התעלמות?
בתגובתך השלישית (23) אתה חוזר וחולק על דברי הנכונים ומכניס לפי דברים שלא אמרתי ושאף סותרים את מה שאמרתי.
אתה שואל שם “האם לא השתכנעת שכאשר מהירות הפליטה גבוהה היעילות עולה? (כמות הדלק שצריך לקחת קטנה יותר על מנת להגיע למהירות מסויימת)”
זה ממש אבסורד מכיוון ש:
1. מעולם לא הטלתי ספק בכך שלמהירות הפליטה יש חשיבות
2. מה שכתוב בסוגריים אינו פירושה של עובדה זו ואינו נובע ממנה
מעבר לכך, אינך חוזר בך מן ההתנגדות למה שאמרתי ופירוש הדבר שאתה עדיין מתנגד לכך שיש גורמים חשובים נוספים.
להיפך – מה שכתוב בסוגריים שבציטוט מנסה לשכנע שהגורמים הנוספים אינם גורמים אמיתיים אלא שהם נובעים ממהירות הפליטה – דבר שהוא שגוי.
אז מאיזו תגובה שנייה שלך התעלמתי? (ועוד במתכוון!)?
כשכתבת את תגובה 25 כנראה כבר הבנת שהתגובות הקודמות היו שגויות ואתה מנסה ליצור מצג שווא כאילו לא כך הדבר.
אין שום צורך שתנסה להסביר לי מה כתוב בנוסחה ולשכנע אותי שהנוסחה נכונה כי את זה ידעתי מלכתחילה (וגם את זה אמרתי לך) אבל אתה – בכל תגובותיך שקדמו לתגובה 25 הראית שאינך מבין את הנוסחה ועכשיו – אחרי שבעקבות הסברי הבנת אותה – אתה בא אלי בטענות כאילו לא הבנתי שכתוב שם דלתה.
אגב – עניין הדלתה הוא לא כל הסיפור כי המהירות ההתחלתית יכולה להיות אפס ועדיין המהירות הסופית יכולה להיות גבוהה ממהירות הפליטה וזה תלוי, כאמור, במסה ההתחלתית ובמסה הסופית.
מיכאל
אני לא אומר שמהירות פליטה לא ניתנת ל”שבירה” – הרי המשוואה מדברת על דלתא V או השינוי במהירות, ולא איזו שהוא חסם על מהירות אבסולוטית. בבקשה תקרא שוב את ההערה השנייה שלי.
בהינתן (!!) מסה כוללת (מטען+דלק) שניתן לשגר לחלל – ובהנחה שזו מסה כוללת קבועה. המהירות הסופית שנגיע אליה אם נשתמש באותה כמות דלק אבל במנוע בעל מהירות פליטה גבוהה יותר תהייה גבוהה יותר. זה אמור להיות ברור כשמש.
וזו הסיבה העקרית שמחפשים טכנולוגיות הנעה בעלות מהירות פליטה גבוהה.
קראתי שוב את הודעתי הראשונה, ואני מבין שהיא יכולה הייתה להתפרש בצורה שונה, אבל לגמרי התעלמת (אולי במכוון) מההודעה השנייה שהייתה אמורה להסביר את כוונתי.
ניר:
כנראה שאתה צודק ואיננו קוראים אותו דבר.
הנוסחה שם (שאני מבין אותה על בוריה ואף פיתחתי אותה פעם בעצמי) אינה מתייחסת רק למהירות הפלטה אלא גם לגדלים האחרים שהזכרתי (כמו משקל המנועים ויעילות הניצול של החומר).
אלה באים לידי ביטוי במסות המוזכרות בנוסחה – m0 ו m1
הגודל המופיע שם ( ln(m0/m1 יכול ללא כל בעיה להיות גדול מ 1 ואז המהירות התוצאתית גדולה ממהירות הפליטה.
כנראה שאני ואתה לא קוראים אותו דבר מיכאל.
האם לא השתכנעת שכאשר מהירות הפליטה גבוהה היעילות עולה? (כמות הדלק שצריך לקחת קטנה יותר על מנת להגיע למהירות מסויימת)
הנה טבלה להשוואה –
http://en.wikipedia.org/wiki/Specific_impulse#Examples
אולי בטילים שאתה מדמיין כמות הדלק, מכאן המסה, לא חשובה…
בהמשך לאמור ב-19,
למעשה גם אם החללית משייטת לה ב-40,000 קמ”ש, ונפלט חלקיק קטן ובודד מנחיר הפליטה במהירות של דרדלה, עדיין הוא תורם את שלו, אם כי תרומה צנועה, להגברת המהירות של החללית.
ניר:
מדוע אתה מפנה אותי לשם?
הרי כתוב שם בדיוק מה שאמרתי!
מיכאל,
אני מפנה אותך לעיון במשוואת הרקטות הקלאסית:
http://en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation
שים לב מה קורה כאשר מהירות הפליטה גדלה, ולמה זה מה שקובע בטווח הארוך.
ניר:
זה לא מדויק.
מהירות הפליטה היא פקטור כמו גם כמות החומר שאפשר לפלוט לכל קילו דלק וכמו גם משקל המנוע.
אין שום חוק שאומר שכלי טייס לא יכול לנוע יותר מהר ממהירות הפליטה של מנועיו וזאת מכיוון שהתנועה היא יחסית.
מגבלת מהירות הקשורה במהירות פליטת המנועים קיימת בכלי טייס שטסים באוויר ושמנועיהם פולטים אוויר אותו הם שואבים מבחוץ אבל היא אינה קיימת בהנעה רקטית
הנתון הקריטי הוא מהירויות פליטה גבוהות שיש למנועים אלו, הגבוהות במידה משמעותית ממהירות פליטה של מנוע רקטי.
מהירות הפליטה – או המהירות בו חלקיקים (אלו או אחרים) עוזבים את המנוע היא היא הפקטור הקובע את המהירות הסופית שאליה יכולה להגיעה חללית.
מעניין, אך קשה לי להאמין שהמנוע יהיה מבצעי בעשורים הקרובים, אם בכלל יצלח את הניסוי ב2013.
הכותרת יפה, מושכת תשומת לב, אבל לא מעבר לכך.
אם מדובר בשדות מגנטיים רבי עוצמה, כיצד יוכלו אסטרונאוטים לשרוד על חללית כזו ? גם אם יפותחו מבודדים לציוד האלקטרוני, עדיין יש בעיה לאנשים.
בעבר דובר על כך שהנעה יונית ומפרשי שמש יכולים להאיץ חללית למהירות של עד עשירית ממהירות האור. לפי התיאור שמובע בידיעה לא נראה שהמהירות הפוטנציאלית של ההנעה המדוברת אמורה להיות נמוכה יותר.
אבל זה לא העיקר, מכיוון שבכל הקשור למסעות חלל “קרובים” התאוצה של מערכת ההנעה חשובה הרבה יותר – זה לא ממש עוזר לטוס למאדים במהירות של 30000 ק”מ לשניה עם לוקח כמה שנים טובות להאיץ למהירות זו. זה בדיוק היתרון שהמערכת המדוברת מציעה על פני מערכות הנעה שאינן רקטיות הקיימות היום.
נשמע באמת רעיון טוב, לפי הכתוב חללית שתצוייד במנוע כזה עדיין תצטרך מנוע נוסף כדי להמלט מכדור הארץ.
חברה, לאיזו מהירות אמור להגיע הדרייק הזה?
יופי ..עכשיו רק שאובאמה יוציא את הראש שלו מהתחת שלנו ויתרכז בזה
זה כנראה תהיה ההנעה העתידית בחלל. נשמע שהוא הרבה יותר יעיל ממנוע יונים.
חן טי:
אני מסכים אתך. אני רק טוען שהמספר 39 כבר מביא את השיפורים האלה בחשבון.
מיכאל שלום,
מניסיוני, בתהליך פיתוח מוצר, כבר ניתן לדעת אילו תועלות נוספות ינסו להטמיע במוצר שיבוא אחריו. אם זה לא קורה בעת החצי השני של הפיתוח, זה קורה בעת התקופה הראשונה של השימוש בו.
הנחתי היא שזו רק תחילתה של טכנולוגיה מופלאה 🙂
תודה על התשובה.
האם מישהו יודע לאיזו מהירות מקסימלית אמורה להגיע חללית עם מנוע כזה?
חן טי:
אינני נוהג להתנבא ולכן לא אוכל לומר דבר על טכנולוגיות עתידיות אבל כאן מדברים על 39 ימים כאשר הטכנולוגיה תבשיל.
זה לא שלב אלפא אלא השלב בו מוצתה הטכנולוגיה עד תום.
תומר:
המנוע החדש אינו מאפשר תאוצה גבוהה יותר אלא להפך – הרי כתוב שלא ניתן להשתמש בו בשיגור מעל פני כדור הארץ כי התאוצה שהוא יכול ליצור קטנה מזו של הגרביטציה.
היתרון של המנוע טמון ביכולתו לפעול לאורך זמן ובסופו של דבר – להפיק מן הדלק הרבה יותר אנרגיה שבמצב בו הכבידה מספיק חלשה הופכת כולה לאנרגיה קינטית של החללית.
המנועים הרקטיים המקובלים מסיימים את פעולתם בזמן קצר מאד. הם נותנים דחף חזק אבל מבזבזים המון אנרגיה שאינה מתורגמת להנעת כלי הטייס ובסופו של דבר מכלים את מלאי הדלק צ’י’ צ’ק.
כדי שיפעלו זמן ארוך צריך לקחת המון דלק – למעשה – כמות כה רבה שהטיל לא יוכל להתרומם למרות הדחף העצום שמנועים אלה יכולים לספק.
בשיטת קאזימר – המנוע עצמו הוא כבד אבל אפשר לקחת הרבה פחות דלק כי אפשר להפיק מאותה כמות דלק יותר אנרגיה.
כל זה יפה אבל צריך כור גרעיני שיספק 200Mwe , כור שצריך להיות גם קל דיו וןגם בטחותי . כמו כן יש רק שתי טכנולוגיות כורים שעומדים בדרישות אלו כורי היתוך (nuclear fusion) ועוד סוג של כור שנמצא רק בשלבים ראשונים של תכנון הvapor core reactor http://ams.cern.ch/AMS/ETB/Appendix%20D-Anghaie.pdf.
2 ברגע שתיהיה רכבת לירח כל המשלחות לחלל יצאו דרך הירח כי צריך פחות אנרגיה בשביל לצאת מהכבידה שלו
לא הצלחתי לגמרי להבין, האם המנוע החדש יאפשר לחללית להגיע לתאוצה גבוהה יותר ביחס להנעה רקטית רגילה? האם הוא יאפשר להגיע למהירות סופית גבוה יותר? חבל שלא מצויינת המהירות אליה מתכוונים להגיע, אם אני זוכר נכון החלליות של היום מגיעות למהירות סופית של בערך 40 אלף קמ”ש, לאיזו מהירות החללית תגיע בעזרת המנוע החדש? אשמח אם למישהו יש תשובה.
כמו כן האם חישוב זמן ההגעה למאדים לוקח בחשבון גם את הזמן הדרוש לעצירת החללית לקראת הגעתה ליעד? אם התאוצה של המנוע היא איטית והדרגתית מאד כמו במנוע יוני, אז דרוש גם זמן רב וארוך מאד כדי להאט אותה…
ושמו המלא הוא : אוי אוי אוי וייזמיר
מיכאל, אשמח לתגובתך המלומדת 🙂
אם בשלב פיתוח ראשוני (אלפא?) זה מדברים על קיצור תהליך של של 8 חודשים לכדי 39 יום, מעניין לכמה ימים יקוצר הטיול לאחר שהטכנולוגיה תגיע לידי המוצר הסופי, לפני שתפותח טכנולוגיה יעילה יותר.
עוד נגיע למצב שתוך שבוע ניתן יהיה להגיע למאדים 🙂
מוזר שהכתבה לא מציינת את הרעיון של רכבת חלל לירח לשם הבאת הליום 3. עם הטכנולוגיה הזו וחללית רובוטית גדולה (מכלית חלל) זה יכול להיות אפשרי בעלויות נמוכות. עם היתוך קר של הליום 3 אולי ניתן יהיה להשיג מהירות גבוהה יותר או אף להפסיק להשתמש במנוע רקטי כדי לצאת מהאטמוספירה.
המנוע נקרא בקיצור : וייזמיר 🙂