מחממים מנועים

ספינות החלל צריכות דחף והנעה כדי להגיע לחלל וגם כדי לשנות מסלול בחלל. איך משתחררים מכוח הכְּבידה של כדור הארץ, מה הם סוגי הדלק השימושיים בחלל ומה עושים כדי לשמור על המסלול של החללית? ככה מְאיצים את זה

כתב: אריאל קרס, גליליאו צעיר
אם אתם אוהבים סרטי מדע בִּדיוני על הרפתקאות בחלל, בוודאי שמתם לב עד כמה פשוט להתנייד שם למעלה. נראֶה כי שאלת ההנעה של לוויינים או של רכב בין־כוכבי בחלל שוּלית למדי בסרטים אלה. בסרטי “מסע בין כוכבים” למשל אנשי צוות האֶנטֶרפְּרַיְז מדלגים מכוכב לכוכב בעזרת “הנעת על־חלל” (Warp drive); זוֹ מאפשרת להם לנוע במֶרחב במהירות גבוהה ממהירות האור. בסרט “בין כוכבים” שיצא לאקרנים בשנת 2014 מתואר באופן משכנע למדי “חור תולעת” – מעין מִנהרה במרחב זמן שאפשר לעבור דרכה בזריזוּת מחלק אחד לחלק אחר של היְקום, הנמצא במרחק של אלפי שנות אור.

אבל אנחנו חיים במציאות ולא בסרט: הנעת העל־חלל וחורי תולעת הם כרגע הנחות תאורטיות בלבד, ואין דרך ידועה להשתמש בהם לתנועה בחלל. הסרט “להציל את מארק וואטני” שיצא לאקרנים לפני מספר חודשים רֵאָליסְטי קצת יותר: הוא עוסק בהישרדות של אדם שנותר בודד על כוכב הלכת מאדים. אף שהטֶכנולוגיה בסרט עכשווית או כמעט עכשווית, יש בו כמה אי־דיוקים מכוּונים יותר או פחות – למשל אורך המשימה של וואטני וצוותו. משימה למאדים מתוכננת לפי “חלונות שיגוּר”. השיגורים יבוצעו כאשר יהיו כדור הארץ ומאדים קרובים זה לזה קִרבה מרַבּית, בהתאם למסלוליהם סביב השמש. אירוע כזה מתרחש כל 26 חודשים, ולפיכך האנשים שיגיעו לכוכב האדום ישהו עליו כ־500 ימים, ולא 39 ימים כמו במשימה שעליה מסופר בסרט.

אמנם יכולות ההנעה שפיתח האדם מרשימוֹת, אך בכל זאת אין הן מצדיקות שהִייה של זמן קצר כל כך על מאדים, בהתחשב בהשקעה העצומה הכְּרוכה בשיגור ויחסית לתועלת המוּפֶקת מזמן שהייה קצר כזה. מלבד זה, לאחר שהייה של פחות משישה שבועות, גם החזרה לכדור הארץ המתרחק והולך במסלולו תהיה ארוכה מאוד כי החללית תיאלץ “לרדוף” אחריו.

איך נעים בחלל?
כפי שאתם ודאי מְבינים כעת, כשמדובר בשינוי כיוון או מסלול, ההנעה בחלל היא עניין מסוּבּך ויקר – בין שמדובר בחלליות המַגיעות למרחקים גדולים ובין שמדובר בלוויינים הנותרים סמוך לכדור הארץ. המדענים, המהנדסים ומתכנני המנועים עובדים שנים רבות על תכנון ופיתוח מנועים רבי־עצמה שיהיו גם קלים וחסכוניים בדלק. חמש השאלות הבאות בוחנות כיצד אפשר להגיע לחלל ולשנות בו כיוון ומהירות.

1 # אני רוצה להגיע לחלל. איך עושים זאת?
אם תזרקו אבן למעלה, היא תחזור לאחר זמן קצר לאדמה כי כדור הארץ מושך אותה בכוח הכבידה (היזהרו שלא תפגע בראש שלכם). כדי לטוס לחלל העמוק וגם כדי להציב לוויינים במסלול סביב כדור הארץ, למרות כוח הכבידה, נדרש כוח דוחף עצום. “כדי להגיע לחלל יש צורך במַשגרים – כלי טיִס בעלי עצמה שיכולים להגיע למהירות גבוהה מאוד כדי להתגבר על כוח הכבידה של כדור הארץ”, מסביר מנחם קדרון, מנהל סוכנות החלל הישראלית. “בשיגור קרקעי, כלומר מהיבשה או מהספינה, מתחילים במהירות אפס וצריך להגיע למהירות שתאפשר שהייה במסלול הקפה או מילוּט – שחרור מהכבידה של כדור הארץ. מהירות המילוט, המאפשרת טיסה לחלל העמוק, היא 11.2 קילוֹמֶטר לשנייה. בשיגור ממטוס כבר קיימת המהירות ההתחלתית של המטוס, שטס בגובה עשרות קילומטרים. לכן צריך מנועים בעלי כוח רב מאוד”. אם משתחררים מכוח הכבידה של כדור הארץ, אפשר להמשיך לחלל העמוק, נניח לירח או למאדים.

2 # מה ייתן לי עצמה מספקת כדי להשתחרר מכבידת כדור הארץ?
“ההנעה ביציאה מכדור הארץ לחלל נעשית בעזרת דלק נוזלי או דלק מוצק”, אומר קדרון. “לכל סוג הנעה יש יתרונות וחסרונות. בהנעה בעזרת דלק נוזלי משתמשים במשגרים גדולים מאוד, שחמצן ומימן ‘נפגשים’ בהם ויוצרים המון אנרגייה וכוח דחף אדיר כאשר הם ניצתים. כאשר החמצן והמימן נשרפים נוצרים גזים בלחץ עצום; אלה יוצאים מחלקו האחורי של כלי הרכב ודוחפים את הטיל או את החללית לשמים. יש מְכָל של חמצן ומְכָל של מימן, ומערכת של משאבות וצינורות שמזרימים אותם ביחסים אוֹפּטימליים. המימן והחַמצן מוחזקים בלחץ גבוה מאוד כדי שיישארו במצב נוזלי. השיטה הזאת כבר פעלה עם שיגור הלוויין הראשון – סְפּוּטְניק – לחלל בשנת 1957. יתרונהּ באנרגיות הגבוהות שהיא מייצרת ובאפשרות להפעיל ולהפסיק את הזרמת הגזים לַמנוע בכל זמן שרוצים. השיגור נערך בשלַבּים, מהגדול אל הקטן. מנוע אחד בלבד יהיה בּזבּזני כי הוא גדול וכבד מאוד. לכן לכל שלב יש מנוע משלו, וכל שלב קל מהשלב הקודם. זורקים את מה שגמר לעבוד ונפטרים מהמשקל שלו. החיסרון של ההנעה בדלק נוזלי הוא שהמימן והחמצן הם גזים דליקים ומסוכנים מאוד וצריך לשלוט בהם היטב, וָלא – עלולות לקרות תאונות קטלניות”.

3 # דלק נוזלי עלול להיות מסוכן. האם יש לו תחליף?
“עוד אפשרות להנעה בחלל היא שימוש בדלק מוצק”, אומר מנחם קדרון. “דלק מוצק הוא סוג של פּוֹלימֶר (חומר שבנוי ממולקוּלוֹת ענקיות שמורכבות מיחידות מִבנה חוזרות, כמו שרשרת שבנויה מחרוזים) שמעורבּב בגרגירים של חומר מחמצֵן. הכול יחד נראה קצת כמו גומי – חומר צמיג. יתרונותיו של הדלק המוצק רבים: הוא מייצר יותר אנרגייה ליחידת נפח, הוא דליק פחות מהדלק הנוזלי ומסוכן פחות ממנוּ, והוא דורש הרבה פחות צינורות ומשאבות, כלומר הרבה פחות משקל. הדלק המוצק יעיל מאוד כשצריך תאוצה חזקה ומידית. חסרונו הוא שאי אפשר להפסיק את הפעולה לאחר שהחלה ואז להתחיל אותה מחדש, ולכן יש לתכנן מראש את כל התהליך, ולמעשה את כל המסע לחלל”. במעבּורות החלל למשל השתמשו בדלק נוזלי וגם בדלק מוצק.

4 # איך שומרים על המסלול בחלל?
אז הִצלחנו לגייס (בעזרת דלק נוזלי, דלק מוצק או שניהם) דחף חזק ששיגר אותנו לחלל. עוד קצת האצה, והנה – הנחנו את הלוויין שלנו במסלולו. אבל הלוויין עלול להנמיך לאט־לאט ולבסוף להתרסק. ללוויין נדרשת יכולת להסדיר את מסלולו, וָלא – לא ניתן יהיה להשתמש בו לאורך זמן. איך שומרים עליו במסלול שם למעלה?
“לוויינים צריכים לעבור לפעמים ממסלול גבוה למסלול נמוך, לתקן מסלול או להסתובב כך שיפנו מול השמש”, מסביר קדרון. “אמצעי ההנעה הם כּימיים וחשמליים. בחלל לא צריך דחף חזק כי אין התנגדות. הנעה כּימית נעשית באמצעות הידְרָזין – חומר נוזלי שהוא תרכובת של חנקן ומימן – ויוצר דחף. הנעה חשמלית היא מנוע שמשתמש בגז קְסֵנוֹן שמוזרם לתוך שדה חשמלי. הופכים את אטומי הגז ליונים (חלקיקים טעונים בחשמל) ומקבלים פְּלַזְמה. היונים של הגז נדחפים החוצה ומעניקים דחף. היִתְרון של מנועים כאלה הוא שהם קטנים וקלים, וזה מאפשר להציב יותר ציוד מחקר וציוד מסחרי על הלוויין. החיסרון שלהם הוא דחף מועט, וכך מַעבר ממקום למקום עלול להימשך זמן רב”, אומר קדרון. הלוויין הישראלי־צרפתי וֵנוּס, שישוגר ב־2016 לחלל, ישתמש בשיטת הנעה זוֹ בחלל.

5 # האם יש אפשרויות נוספות להנעה בחלל?
בשנים האחרונות החלו פרויקטים מסוימים להשתמש במִפרשׂ שמש (מפרשׂ סוֹלָרי). מפרשׂ שמש הוא מִשטח בגודל עצום (אוֹרכּו יכול להגיע לחצי קילומטר) הנפרשׂ בחלל. קרינת השמש דוחפת אותו כמו שרוח דוחפת סירת מפרשׂ. מפרשׂים כאלה מספקים כוח דחף נמוך מאוד, אך בלתי נִדלֶה. החיסרון הוא הצורך לשגֵר את החללית או את הלוויין עם המפרשׂ הסולרי מקופל בתוכו, ולכן על המפרשׂ להיות קל ודק מאוד. עליו להיות גם חזק – מכיוון שכל מיני חלקיקים שמסתובבים בחלל עלולים לפגוע בו ולהרוס אותו. מלבד זה, קרינת השמש מַגיעה מכיוון אחד בלבד, ולכן גם כלי הרכב המוּנע במפרשׂ סולרי יוכל לנוע בכיוון אחד בלבד – מהשמש והלאה.

בעתיד הקרוב (אולי כבר בשנה הנוכחית, 2016) יוכנסו לשימוש מנועי הנעת מַגְנֵטוֹ פְּלַזְמה בעלי מִתקף סגולי משתנה – או בקיצור VASIMR , וָאזימר – שנמצאים בפיתוח כבר שנים רבות. מנוע כזה מבוסס על שימוש בגלי רדיו לשם יינוּן וחימום גז הוֹדף, ומֵאיץ את התוצר הלוהט אל פִּיית הפּליטה באמצעות שדות מגנטיים חזקים (חימום באמצעות גלי רדיו דומה מעט לפעולת המיקרוגל שבביתכם). אם זה מזכיר לכם את שיטת ההנעה היונית הנזכרת בדברי קדרון, אתם צודקים – אלא שלהבדיל מהנעה יונית רגילה, הנעת וָאזימר אמורה להשיג דחף חזק הרבה יותר; זה יתורגם למהירות טיסה גבוהה מאוד בחלל. עוד יתרונות של מנוע מסוג זה הם שליטה טובה בעָצמות הדחף ושְׁחיקה נמוכה, כלומר עמידוּת גבוהה מזוֹ של מנועי היונים העכשוויים. למנוע ואזימר אין משאבות, צינורות וחלקים נעים, ולפיכך הוא קל יותר, ולכן נוח יותר לתִמרוּן. חסרונותיו הם יחס נמוך בין דחף למשקל. מלבד זה, יש צורך לשלוט בשדות המגנטיים החזקים ובחום הרב הנוצר בהם. הבעיות שמנועי ואזימר מַציבים למדענים יחייבו כנראה התקנת כורים גרעיניים קטנים על חלליות שיונעו במנועים אלה. ועם זאת, אולי אנו עומדים סוף־סוף בפני הפִּתְרון למסע קצר למאדים, ובכלל זה שהייה של פחות מ־39 יום, וכך יתאפשר להציל את מארק וואטני לא רק בסרט, אלא גם במציאות.

לידים:
להבדיל מהנעה יונית רגילה, הנעת וָאזימר אמורה להשיג דחף חזק; זה יתורגם למהירות טיסה גבוהה מאוד בחלל. עוד יתרונות של מנוע מסוג זה הם שליטה טובה בעָצמות הדחף ושְׁחיקה נמוכה, כלומר עמידוּת גבוהה מזוֹ של מנועי היונים העכשוויים
יתרונותיו של הדלק המוצק רבים: הוא מייצר יותר אנרגייה ליחידת נפח, הוא דליק פחות ומסוכן פחות, והוא דורש הרבה פחות צינורות ומשאבות, כלומר הרבה פחות משקל. הדלק המוצק יעיל מאוד כשצריך תאוצה חזקה ומידית. חסרונו הוא שאי אפשר להפסיק את הפעולה לאחר שהחלה ואז להתחיל אותה מחדש

הידעת?
חור תולעת (Worm Hole): הוא תופעה פיזיקלית משוערת שנובעת מחישובי תורת היחסות הכללית ומֵכניקת הקוונטים. חור התולעת – מעין מנהרה ביקום – עשוי לחבר בין שתי נקודות מרוחקות זוֹ מזוֹ במרחב זמן. המדענים סבורים כי אם אכן נוצר חור תולעת, הוא אינו גדול מספיק למעבר של אטומים, ולפיכך התכנונים להעביר בו חלליות מוּפרזים מעט, ככל הנראה.

הכתבה פורסמה בגיליון ינואר של גליליאו צעיר – ירחון לילדים סקרנים

רוצים לקרוא עוד? לקבלת מגזין גליליאו צעיר במתנה

בקרו בעמוד הפייסבוק שלנו