הנעה חשמלית לחלל

מנועים חשמליים פותחים אופקים חדשים ללוויינים ולחלליות 

מאת דן לב, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 31.01.2017

כשחלליות או לוויינים מבצעים תמרון בחלל הם מאיצים באמצעות שחרור דלק מן החללית אל החלל הפתוח. העיקרון פשוט: האצת הדלק אל מחוץ לחללית בכיוון אחד יעניק לה תנע ומהירות בכיוון ההפוך. באופן זה לוויינים שומרים על מסלול קבוע סביב כדור הארץ וחלליות נעות במהירות לכוכבי לכת אחרים.

באופן מסורתי מבצעים את האצת דלק על ידי שרֵפה כימית של הדלק. אנרגיית החום הנוצרת בתהליך בעירת הדלק עוברת-מתגלגלת לאנרגיה קינטית של חלקיקי הדלק. הרוב המוחלט של מנועי החלל מבוסס על עקרון הנעה זה. אך בשנים האחרונות צצה צורת הנעה חדשה, יעילה בהרבה מן ההנעה הכימית: הנעה חשמלית.

הנעה חשמלית מבוססת על עיקרון של האצת הדלק בשדות חשמליים. באופן זה אפשר להאיץ את הדלק למהירות גבוהה בהרבה מזו המושגת בהנעה כימית, תוך חיסכון ניכר בדלק. מלבד העובדה שמנועים חשמליים נראים כאילו נלקחו מסרטי מדע בדיוני הם גם יעילים באופן ניכר ממנועים כימיים קונבנציונליים. ואכן, בשנים האחרונות טכנולוגיית ההנעה החשמלית הולכת וצומחת, שכן עוד ועוד חברות רואות את היתרון שבטכנולוגיה זו.

מדובר במהפכה של ממש בתעשיית החלל העולמית. לוויינים נוגעים בכל תחום בחיינו, משידורי טלוויזיה ומערכות מיקום (GPS),שבהן אנו נעזרים ביום-יום, ועד חיזוי מזג האוויר באמצעות מעקב מטאורולוגי. לכן, אם הלוויינים יוכלו לתמרן ביתר קלות ויצרכו פחות דלק יהיה אפשר לשגר יותר לוויינים ובעלות נמוכה יותר, ואנחנו, כצרכנים של שירותי לוויין, נרוויח מכך. כדי להבין את גודל פריצת הדרך הטכנולוגית יש להסתכל על הדוגמה הזאת: לוויין תקשורת ללא הנעה חשמלית שוקל כ-5 טונות, וכחצי מן המשקל הזה הוא דלק. לעומת זאת, לוויין תקשורת הנושא מנועים חשמליים שוקל כ-3 טונות בלבד מכיוון שהוא זקוק להרבה פחות דלק. החיסכון הניכר במשקל הלוויין מאפשר שיגור לווייני תקשורת בזוגות במקום ביחידות בודדות. לשיגור כפול מסוג זה יש משמעות גדולה מכיוון שעלות כל קילוגרם המשוגר לחלל היא כ-10,000 דולר.

יתרון טכנולוגיית ההנעה החשמלית אינו נחלתם הבלעדית של לווייני תקשורת השוקלים טונות אלא גם של לוויינים קטנים מאוד, השוקלים כמה קילוגרם בלבד, ומכונים לווייני־ננו. בשנים האחרונות מהנדסים פיתחו גם מערכות הנעה חשמלית מזעריות שאינן עולות על כמה סנטימטרים בגודלן. מערכות הנעה זעירות אלה מאפשרות להניע לווייני־ננו בחלל ועל ידי כך מאפשרות ביצוע של שפע משימות פורצות דרך. הם מספקים פתרון יעיל וזול למשימות חלל כגון תצפית ברזולוציה נמוכה, תקשורת לקרקע, חקר האטמוספרה, הוכחת יעילות של חומרה או תוכנה בחלל. עד לפני כמה שנים רוב הלוויינים האלה סבבו סביב כדור הארץ כמו אבנים בחלל וללא יכולת תמרון. מרגע שהוטמעה טכנולוגיית ההנעה החשמלית נוספו ללווייני-הננו יתרונות רבים: אורך החיים שלהם התארך, ממשקלם עלה, אפשר להציבם באשכול ולשמור על גובהו, אפשר לשנות את מסלולם ואת גובהם, הם יכולים לחבור אל לוויינים גדולים יותר ועוד. מגוון האפשרויות גדל לפתע פתאום.

טכנולוגיית ההנעה החשמלית מביאה יתרונות לא רק לתחום הלוויינים המקיפים את כדור הארץ אלא גם לחלליות לכוכבי לכת אחרים. לדוגמה, החללית היאבוסה, שנשלחה על ידי סוכנות החלל היפנית JAXA לפני כעשר שנים, טסה לאסטרואיד מרוחק, נחתה עליו, אספה דגימה מן האסטרואיד וחזרה אִתה לכדור הארץ לאחר שהתגברה על תקלות רבות. משימת החללית התבצעה אך ורק בזכות יכולות התמרון הגבוהות שהעניקו לה המנועים היוניים החשמליים שלה. סוכנות החלל האמריקנית, נאס”א, שוקדת בימים אלה על משימת הדגל העתידית שלה, ARM, שבמסגרתה יגרור רכב חלל אסטרואיד אל מסלול סביב כדור הארץ לצורך מחקר. המשימה השאפתנית הזאת תוכל להתבצע בזכות מנוע חשמלי גדול ועוצמתי שיאפשר לגרור אסטרואיד במסה של מאות טונות. עד לפני כמה שנים איש לא היה מעלה על דעתו לשלוח רכב חלל שיחבור לסלע עצום בחלל ויגרור אותו אל כדור הארץ. פשוט לא היו מנועי חלל שהיו מסוגלים לעשות זאת. אך היום, בזכות מנועים חשמליים מסוג Hall המייצרים דחף גבוה בחלל, הדבר אפשרי. [הערה: ממשל טראמפ הציע לבטל את משימת ARM בהצעת התקציב שלו לשנת 2018]

מי יודע אילו שימושים נוספים יימצאו לסוג טכנולוגיית חלל פורץ דרך שכזה. דבר אחד בטוח – השמים אינם הגבול.