סיקור מקיף

אנרגיה בחלל – נאסא פורשת את תוכניותיה העתידיות להנעה של חלליות במערכת השמש

המדענים מתחבטים בשאלה "אלו התפתחויות בטכנולוגיית האנרגיה דרושות כדי לשלוח סיירים אנושיים ורובוטיים ברחבי מערכת השמש?"

אתר נאס"א. תרגום – נחום שרשבסקי

בשנת 1980 וויאג'ר 1 ביקרה בשבתאי – תחנתה האחרונה לפני היציאה ממערכת השמש. מקור התמונה: DOE.
בשנת 1980 וויאג'ר 1 ביקרה בשבתאי – תחנתה האחרונה לפני היציאה ממערכת השמש. מקור התמונה: DOE.

מעבר לכל כוכבי הלכת שבמערכת השמש שלנו, באזור קר, אפל וריק של החלל, וויאג'ר 1 ממשיכה את מסע התגליות שלה בן 25 השנים. היא פונה לעבר ההליופאוזה, אותו הגבול שבו מסתיימת השפעתה של השמש ומתחילים המעמקים האפלים של החלל הבין-כוכבי. מהמקום בו וויאג'ר נמצאת, השמש היא רק הכוכב הבהיר ביותר בשמיים – עמומה פי שבעת אלפים מכפי שאנו רואים אותה מכדור הארץ.

לוויאג'ר אין קולטי שמש; לא תהיה בהם כל תועלת כל כך רחוק מהשמש. החללית שומרת על קשר באמצעות מקור אנרגיה משלה, טיפוס מוקדם של מחולל תרמואלקטרי רדיואיזוטופי (RTG), הממיר את החום הנוצר מההתפרקות הטבעית של הדלק הרדיואקטיבי שלו לחשמל. המחולל שלה יספק לוויאג'ר חשמל לפחות עד 2020.

חלליות הנעות הרבה מעבר למאדים זקוקות ליותר אנרגיה מאשר תאים סולריים יכולים לספק. דוגמה אחרת היא החללית יוליסס. היא שוגרה באוקטובר 1990 ממעבורת החלל כשמשימתה לחקור את הקטבים של השמש. כדי להגיע אל מעל השמש, יוליסס הייתה צריכה לטוס מסביב לצדק ולהיירות כמו קלע אל מחוץ למישור של כוכבי הלכת. ליד צדק, קרני השמש חלשות פי 25 מאשר ליד הארץ. קולטי שמש שהם גדולים מספיק כדי לקלוט אנרגיה חלשה זאת היו שוקלים כ-550 ק"ג, מכפילים את משקל החללית ועושים אותה לכבדה מדי בשביל רקטות ההאצה של המעבורת. במקומם, יוליסס צוידה במחולל תרמואלקטרי רדיואיזוטופי השוקל רק 56 ק"ג. הוא מספק בקלות חשמל לכל מערכות החללית, כולל ניווט, תקשורת ומכשירים מדעיים.

חללית כמו יוליסס זקוקה להספק של כמאתיים ואט להפעלת המערכות שבתוכה. לשם השוואה, המערכות שבמעבורת החלל צורכות הספק של 5 עד 10 קילו-ואט (ק"ו), פי 50. תחנת החלל הבינלאומית צורכת פי 10, או בסביבות 100 ק"ו עבור המערכות שבתוכה.


למעלה: 375 ק"מ מעל פני כדור הארץ, מערכים סולריים מספקים אנרגיה לתחנת החלל הבינלאומית.

תחנת החלל הבינלאומית לעולם אינה עוזבת את מסלול כדור הארץ, דבר המקטין את האנרגיה הדרושה לה. אולם, במשימות מאוישות מחוץ לשכונה של כדור הארץ תידרש לא רק אנרגיה למערכות שבחללית אלא גם להנעה ולמערכות לתמיכת בני האדם כשיגיעו ליעד אליו הם טסים. "כדי להוציא לפועל משימות מאוישות שאפתניות ברחבי מערכת השמש, אולי לחזור לירח, אולי להמשיך למאדים, יידרשו מאות עד אלף קילו-ואט על פני הכוכב ומאות עד אלפי קילו-ואט למערכות הובלה", אומר ג'ון מנקינס, טכנולוג ראשי של תוכנית המערכות המתקדמות במטה נאס"א. אינך יכול פשוט להתחבר לשקע החשמל הקרוב ביותר, הוסיף. עליך להביא בעצמך מקור חשמל. אידיאלית, תרצה למצוא משהו שיוכל לספק חשמל גם להנעה וגם לפעילות מבצעית.


טילים כימיים מניעים את מעבורת החלל הרחק מכדור הארץ.

מאז הניסוי הראשון של שיגור טיל שביצע רוברט גודארד ב-1916, משימות חלל השתמשו בכימיקלים כדי להגיע לתאוצה הדרושה כדי להימלט מכוח המשיכה של כדור הארץ. 5 עד 10 הדקות של בעירת הטיל שולחות את החללית לעבר היעד שלה; לאחר מכן היא גולשת את יתרת הדרך, אלא אם היא משתמשת בכוח המשיכה של כוכבי לכת אחרים לתאוצה נוספת. לוויאג'ר לקח שנים להגיע לשבתאי ואז החללית הצליחה להיות רק ימים במערכת של שבתאי ורק שעות ליד כוכב הלכת עצמו.

מתכנני המשימות רוצים להצליח יותר בעתיד.

מנקודת המבט של משרד חקר החלל במרכז החלל ג'ונסון, ג'ף ג'ורג' רואה "משפחה מתפתחת של טכנולוגיות חשמל והנעה הקשורות ביניהן" עבור הגל הבא של חקר החלל המאויש. המועמדת האפשרית הראשונה היא ההנעה החשמלית (EP). בחלל אין צורך באותה מידה של כוח דחף כמו זה הנחוץ כדי להימלט מכוח המשיכה של כדור הארץ, מסביר ג'ורג', אבל יש צורך להפיק כוח דחף תוך שימוש במעט מאוד דלק בגלל מגבלות משקל. הנעה חשמלית תוכל לספק כוח דחף יעיל מבחינת דלק לאחר האצה כימית ראשונית לתוך החלל.

מתקף סגולי – דהיינו, הליברות של כוח דחף המופק לליברה של חומר מניע בשנייה של שימוש – הוא מידה של היעילות שבה מערכת משתמשת בדלק כדי להפיק כוח דחף. גבוה יותר הוא טוב יותר. למעבורת החלל, הנשארת קרוב לכדור הארץ, יש הנעה כימית עם מתקף סגולי של 450 שניות או 450 ליברות של כוח דחף לליברה של חומר מניע לשנייה. המתקף הסגולי של ההנעה החשמלית הוא פי עשרה מזה של ההנעה הכימית ובפוטנציה הוא יכול להגיע עד 10,000 שניות.

ההנעה החשמלית נוסתה לראשונה ב-1998 בחלל עמוק 1 – חללית שבה נוסו טכנולוגיות חדשות רבות לפני שהיא טסה ליד השביט בורלי ב-2001. לחלל עמוק 1 היו דרושים 2.5 קילו-ואט כדי לספק חשמל גם להנעת היונים החשמלית שלה (בתמונה משמאל) וגם למערכות אחרות שבתוכה. האנרגיה הגיעה ממאסף חדשני המורכב מתאים סולריים מתקדמים ועדשה לריכוז אור השמש על הקולטים. ביחד הם השיגו יעילות של 23% בהמרת אור השמש לחשמל בהשוואה ליעילות של 14% של המערכים הסולריים של תחנת החלל הבינלאומית.


למעלה: המפלט הכחול של מנוע הנעת היונים של חלל עמוק 1. חשמל הנאסף מהמערכים הסולריים של החללית משמש ליינון אטומים של כסינון. כשהיונים האלו נדחים דרך הפתח האחורי על ידי שדה חשמלי חזק, החללית באיטיות צוברת מהירות.

בהתבסס על ההצלחה של חלל עמוק 1, משימה חדשה בשם "שחר" תעזוב את כדור הארץ ב-2006. מונעת על ידי מנוע יונים עם מתקף סגולי של 3000 שניות, שחר תטוס אל וסטה ואל סרס, שניים מהאסטרואידים הגדולים ביותר במערכת השמש. למרות שווסטה וסרס יותר מרוחקים מהשמש מאשר מאדים, החללית תוכל לשאוב את כל האנרגיה הדרושה לה ממערכים סולריים של 7.5 קילו-ואט.

למשימות מאוישות נחוצה יותר אנרגיה. "השלב הבא למשימת מאדים [מאוישת]", אומר ג'ף ג'ורג', הוא לעלות לרמה של 5-10 מגה-ואט של אנרגיה גרעינית ואז להתאים את הגודל של מנועי הדחף החשמליים למגה-ואטים לכל מנוע". המעבר מקילו-ואטים למגה-ואטים אינו בעיה פשוטה. בנאס"א עובדים עכשיו על מערכת הנעה יונית של 5-10 קילו-ואט מהדור הבא. ג'ורג' מדמה כלי רכב קטנים, חשמליים- גרעיניים של 100-200 קילו-ואט החוקרים את כוכבי הלכת המרוחקים כגרסת ניסוי של סדר הגודל של המגה-ואטים שבו רוצים להשתמש לחקר החלל המאויש.


למעלה: ביקוע, אותו תהליך פיצול האטום המספק אנרגיה לתחנות כוח גרעיניות מודרניות, הוא דרך אחת ליצור רמות גבוהות של אנרגיה להנעת חלליות.

כדי להפעיל מערכת הנעה חשמלית של מגה-ואטים יש צורך במקור שהוא גם עתיר אנרגיה וגם עתיר הספק. כפי שמסביר ג'ון קול, המנהל של משרד פרויקט מחקר הנעה מהפכנית, "אנרגיה היא הגורם החשוב ביותר, אבל ההספק (האנרגיה המשתחררת ליחידת זמן) קובע את התאוצה". אז איזה מקור מספק הספק מספיק? "לאטום יש הרבה אנרגיה – ובפוטנציה גם הרבה הספק", מציין קול. "קולטי שמש מספקים הספק שאינו מספיק להאצת כל הרכב לרמות המאפשרות זמני מסע קצרים".

מקורות של אנרגיית רדיואיזוטופים (כמו המחוללים התרמואלקטריים הרדיואיזוטופיים שבוויאג'ר) מפיקים אנרגיה רבה במשך זמן רב, אבל לא הספק רב, רק עשרות עד מאות ואט. כדי לקבל קילו-ואטים עד מגה-ואטים של הספק, צריך לפנות לביקוע הגרעיני, אומר לז ג'ונסון, מתוכנית תחבורת החלל המתקדמת של נאס"א.


למעלה: הדעיכה הרדיואקטיבית, שבתמונה הזאת, היא מקור האנרגיה של המחוללים התרמואלקטריים הרדיואיזוטופיים. היא אינה חזקה כמו הביקוע הגרעיני.

ביקוע, שבו נויטרון מפצל אטום לשני איזוטופים רדיואקטיביים, הוא התהליך שבו משתמשים בתחנות כוח גרעיניות על כדור הארץ כדי להפיק חשמל. "להביא כור ביקוע לחללית יהיה כמו להביא [מיני] תחנת כוח משלך", אומר ג'ונסון. לכור ביקוע יש את היכולת לתדלק הנעה חשמלית עתירת ביצועים מעבר למערכת השמש הפנימית. יש לו משך זמן ארוך יותר והוא עתיר הספק לביצוע מחקרים מדעיים מתוחכמים, תקשורת נתונים בקצב גבוה ופעולות מסובכות בחללית.

זה רזומה טוב למדי בשביל הביקוע, אבל הוא עדיין לא עובר את המבחן של ג'ון קול. קול הציב לעצמו את הדרישה להביא בני אדם לכוכבי הלכת המרוחקים תוך שנה ובחזרה תוך שנה. לביקוע הגרעיני יש מספיק אנרגיה, אבל לא מספיק הספק כדי לספק את התאוצה הדרושה. בנאס"א מתכננים מערכת תצורת טיסה של 300 קילו-ואט באמצעות ביקוע גרעיני. אבל כדי לעמוד במבחן של קול, "צריך הספק סגולי גבוה מאוד, הספק ליחידת מסת רכב שהוא בשלושה סידרי גודל טוב יותר ממה שתכננו כיום לביקוע הגרעיני". לשם כך צריך לעלות דרגה להיתוך גרעיני – אותו התהליך המספק אנרגיה לשמש ולכוכבים.


למעלה: צאו החוצה בלילה והביטו בכוכבים. כל כוכב שאתם רואים הוא כור היתוך. המדענים רוצים לרתום את העוצמה הזאת להנעת ספינות חלל ולהספקת אנרגיה למושבות מרוחקות. ]עוד[.

היתוך, המשחרר אנרגיה על ידי איחוד אטומים במקום פיצול אטומים, יכול בעיקרון לספק גיגה-ואטים של אנרגיה נקייה. אולם, מערכות הנעת היתוך כפי שאנו מבינים אותן כיום יהיו מאוד גדולות ויידרש להן רכב בגודל של תחנת החלל או בטלסטאר גלקטיקה, במשקל של מאות טונות – למרות שהגודל עשוי לקטון עם המחקר.

מנועי היתוך יהיו שורפי דלק יעילים מאוד עם מתקף סגולי של 100,000 שניות. "למרות שלא נוכל לעשות זאת תוך עשר שנים, אם היינו יכולים לשגר מערכת הנעת היתוך בעוד 10 שנים מהיום, היינו יכולים לשלוח רכב כדי לתפוס את וויאג'ר ולהחזיר אותה", אומר קול. סוג כזה של הספק ומהירות מקצר את הזמן שהאסטרונאוטים יהיו חשופים לקרינה קוסמית מזיקה ולאובדן העצם הנובע מחוסר משקל ממושך.

ייתכן שיש משהו שהוא אפילו טוב יותר מהיתוך: למנוע דחף המונע על ידי איון חומר- אנטי חומר יהיה מתקף סגולי של 2,000,000 שניות, לדברי קול.

זה נשמע כמו מדע בדיוני, אבל חוקרים כבר לומדים ליצור ולאחסן כמויות קטנות של אנטי-חומר במעבדות אמיתיות. מלכודת אנטי-חומר אלקטרומגנטית ניידת באוניברסיטת פן, לדוגמה, יכולה להכיל 10 מיליארד אנטי-פרוטונים. אם נלמד כיצד להשתמש באנטי-חומר כזה בצורה בטוחה, נוכל להחדיר קצת לשטף דק של גז מימן כדי ליצור כוח דחף. לחילופין, אפשר להזריק מעט אנטי-חומר לתוך כור היתוך כדי להוריד את הטמפרטורה הדרושה להתחלת תגובת היתוך.


למעלה: "מלכודת כליאה" זאת שפותחה באוניברסיטת פן מאחסנת אנטי פרוטונים ]עוד[.

"הנעה אינה הסיבה היחידה לעבור לאטום", מציינת קולין הרטמן, מנהלת חקר מערכת השמש במטה נאס"א. "יש בכך תועלת גם למערכות שבחללית. האנרגיה העודפת היא כמו לקבל את הסטריפ של לאס וגאס במקום נורה אחת בודדת. מקבלים יותר תקשורת וגמישות במשימה".

רכב מאדים הקרקעי החכם והמעבדה הניידת, המיועד לשיגור כבר בשנת 2009, נהגה במקור כמשימה מונעת סולרית. אבל עכשיו החוקרים שוקלים שדרוג מאנרגיה סולרית לגרעינית: "השמת אנרגיה גרעינית בחללית תאריך את המשימה מ-3-6 חודשים [עם אנרגיה סולרית] ל-5 שנים [עם אנרגיה רדיואיזוטופית]", אומר אד ווילר, ראש מיזם מדע החלל במטה נאס"א. "היא תאפשר לרכב לנסוע לאתר במקום שיצטרך לנחות שם. רוחב הפס לתקשורת נתונים גדל בהרבה, והרכב יכול לפעול 24 שעות ביממה. הכול גדל בפקטור של 10 כשמוסיפים למשימה מחולל תרמואלקטרי רדיואיזוטופי.

השדרוג מרכב המאדים למשימה מאוישת על מאדים דורש יותר הספק – בערך 30 קילו-ואט כדי לחמם ולקרר סביבת מחיה אנושית, להפעיל מחשבים ותאורה, ליצור חמצן, למחזר מים ולהטעין את רכב הקרקע, אומר ג'ף ג'ורג'. למשימה ארוכה "אין לנו את האנרגטיקה שבה אפשר לרוץ בחזרה הביתה [במקרה צרה]", מוסיף גארי מרטין, עוזר מנהל חבר למערכות מתקדמות במשרד תעופת חלל של נאס"א. "אתה בונה דברים שצריכים להיות אמינים ביותר, בעלי יכולת לתקן את עצמם, ולחוש עצמאית כשהם נפגעים". יהיה צורך לייצר או לתקן חלקים מקולקלים במקום: אי אפשר להביא חלפים. תהליכים עתירי הספק כגון ייצור חלקים או יצירת הכוח המניע לעזיבת מאדים יהיו עוד 60 קילו-ואט, לדברי ג'ורג'.


למעלה: זה לא הסטריפ של לאס וגאס, אבל המושבה הראשונה על המאדים עדיין תצטרך הרבה חשמל. מקור התמונה: Frassanito & Associates, Inc..

בסופו של דבר, מקור אנרגיה אחד אינו מתאים לכל הצרכים. בהביטו על התמונה השלמה, ג'ון מנקינס אומר "אנחנו צריכים הנעה חשמלית בעלת יעילות גבוהה מאוד והספק גבוה לטיסה בין-כוכבית; אנחנו צריכים מערכות הנעה כימיות עתירות אנרגיה אמינות שהן בגדר האפשרויות לנחיתה על פני הכוכבים ולהמראה מהם; ואנו צריכים יכולת לאגור אנרגיה כימית או סולרית כדי לחיות ולעבוד על פני הכוכבים. רובוטים יוכלו להשתמש באנרגיה רדיואיזוטופית; ויש לשקול גם אנרגיה מכור והקרנה אלחוטית".

המבחר רב, אבל דבר אחד ברור: לאן שלא נטוס בחלל ומה שלא נעשה שם, נצטרך עוד אנרגיה.

תורגם על ידי נחום שרשבסקי, תרגום מקצועי ותרגום טכני, 45 שקלים לכל 250 מילה (בגרסה העברית). טל. 02-6435139
לאתר של נחום שרשבסקי
למשלוח דואר אלקטרוני

לכתבה המקורית

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן