ידענים: משגרים | משימות חלל | משימות למאדים

מאת 30 באפריל 2010 35 תגובות

במנועי ואזימר אין משאבות, צינורות וחלקים נעים. הנעה זו יכולה להאיץ חלליות למהירויות גדולות, ולהקל על משימות רבות בחלל

תפיסת אמן של מנועי VASIMR בפעולה. מקור התמונה - ויקימדיה קומונס

תפיסת אמן של מנועי VASIMR בפעולה. מקור התמונה - ויקימדיה קומונס

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:

  1. הפיכת גז לפלזמה באמצעות אנטנות המתעלות אנרגיית רדיו למקום המתאים (מקור האנרגיה יכול להיות כור גרעיני או תאים פוטו וולטאיים).
  2. חימום הפלזמה באמצעות גלי רדיו (תהליך המזכיר במעט את עיקרון הפעולה של תנורי מיקרו גל).
  3. 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 ל “למאדים בשלושים ותשעה יום”

  1. חייזר

    החייזרים משתמשים בזה … הם מצאו ממזמן דרך לאנרגיה אינסופית , הם עפים מעל מהירות האור והכל פועל בכוח המחשבה

  2. גדעון

    זו רק שאלה של זמן, עד שחלום שיוט בחלל יתממש.

  3. צבי

    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

  4. צבי

    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 ?????

  5. מיכאל רוטשילד

    צבי:
    תודה.
    משום מה ראיתי את תגובתך זו רק כרגע.

  6. צבי

    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

  7. מיכאל רוטשילד

    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.

  8. מי אתה מיכאל רוטשילד?

    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..

  9. מיכאל רוטשילד

    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.

הוספת תגובה

  • (will not be published)