Rosja testuje nowy silnik plazmowy: lot na Marsa w kilka tygodni?

Rosyjscy naukowcy chwalą się silnikiem plazmowym, który ma wyrzucać cząstki z prędkością aż 360 tys.

km/h i skrócić podróże międzyplanetarne.

Projekt rozwijany pod Moskwą łączy napęd plazmowy z reaktorem jądrowym na pokładzie statku. Jeśli obietnice się potwierdzą, sposób planowania lotów na Marsa czy do zewnętrznych planet może się zmienić w ciągu jednej–dwóch dekad.

Rosyjski silnik plazmowy: o co w ogóle chodzi?

Ośrodek badawczy w Troicku pracuje nad zaawansowanym układem napędowym, który przyspiesza naładowane cząstki wodoru – protony i elektrony – za pomocą pól elektromagnetycznych. Uzyskiwana prędkość wyrzutu ma sięgać około 100 km/s, czyli mniej więcej 360 000 km/h.

Prędkość wyrzutu cząstek jest ponad dwudziestokrotnie większa niż w typowych rakietach chemicznych, gdzie mówimy zwykle o ok. 4,5 km/s.

Takie wartości nie są potrzebne przy starcie z Ziemi, lecz w próżni kosmosu. Tam liczy się nie gwałtowny „kop” przy wynoszeniu z atmosfery, ale stabilne, długo utrzymywane przyspieszenie. Nowy napęd miałby zadziałać jak kosmiczny holownik: po wyniesieniu na orbitę stopniowo rozpędzałby sondę lub statek przez tygodnie, a nie minuty.

Dlaczego plazma zamiast klasycznej rakiety?

Tradycyjna rakieta spala ogromne ilości paliwa w bardzo krótkim czasie, co daje potężny ciąg, ale na krótko. Silnik plazmowy pracuje zupełnie inaczej: zużywa mniej materiału pędnego, ale wykorzystuje go znacznie efektywniej, zamieniając energię elektryczną w prędkość cząstek.

Klucz kryje się w tzw. prędkości wylotowej. Im szybciej wylatuje masa reakcyjna z silnika, tym większą zmianę prędkości może uzyskać statek przy tej samej ilości „paliwa”. Zespół z Troicka chce dzięki temu radykalnie skrócić czas lotów międzyplanetarnych.

Przy tak wysokiej prędkości wyrzutu materiału potrzeba mniej paliwa, aby osiągnąć znacznie większą prędkość końcową statku.

Trzeba jednak podkreślić, że tego typu napęd nie zastąpi rakiet nośnych na etapie startu z Ziemi. Ma pracować dopiero w przestrzeni kosmicznej, po odłączeniu od rakiety wynoszącej ładunek na orbitę.

Jak wypada na tle obecnych napędów?

Już dziś używa się napędów jonowych czy plazmowych w misjach takich jak Psyche od NASA, ale bazują one na energii słonecznej i są stosunkowo słabe. Rosyjski projekt celuje w dużo wyższą moc oraz ładunki wielokrotnie cięższe niż klasyczne sondy.

Wodór i energia jądrowa – nietypowa para do podróży kosmicznych

W projekcie postawiono na wodór jako materiał pędny oraz reaktor jądrowy jako źródło energii. Wodór ma bardzo małą masę atomową, więc łatwiej rozpędzić go do ogromnych prędkości. To idealne „paliwo” dla silnika, którego zadaniem jest wyciskanie maksimum z każdego kilograma materiału.

Niska masa atomowa wodoru pozwala przyspieszać cząstki mocniej, przy mniejszym zużyciu materiału pędnego, a specjalna konstrukcja zmniejsza zużycie elementów silnika.

Reaktor jądrowy na pokładzie statku ma zapewnić stabilny dopływ energii rzędu setek kilowatów – moc, której panele słoneczne w dalszych rejonach Układu Słonecznego zwyczajnie nie dostarczą. To otwiera drogę do szybszych i cięższych misji, ale generuje też cały pakiet problemów inżynieryjnych i politycznych.

Jak projekt ma rozwiązać problem trwałości?

Standardowe silniki plazmowe często cierpią z powodu erozji elementów, które stykają się z gorącym, gęstym plazmowym gazem. Tu postawiono na konfigurację dwóch elektrod o wysokim napięciu, które nadają cząstkom kierunek i prędkość bez ekstremalnego nagrzewania całej komory.

• mniejsza temperatura części wewnętrznych ogranicza ich zużycie,
• prostsza konstrukcja ułatwia testowanie i skalowanie,
• dłuższa żywotność pozwala myśleć o wielomiesięcznych misjach bez wymiany podzespołów.

Według informacji z ośrodka w Troicku, prototyp silnika pracował już łącznie około 2400 godzin w komorze próżniowej o długości 14 metrów. To czas porównywalny z pełnym rejsem do Marsa przy planowanych parametrach lotu.

Lot na Marsa w tygodnie zamiast miesięcy?

Przy dzisiejszych trajektoriach i rakietach chemicznych podróż na Marsa trwa zwykle od sześciu do dziewięciu miesięcy. Jeśli statek z napędem plazmowym będzie w stanie stale przyspieszać, a potem tak samo długo hamować, czas lotu może spaść do kilku tygodni.

Stałe, umiarkowane przyspieszenie przez długi czas bywa skuteczniejsze niż krótki, silny „kop” przy starcie – dokładnie na tym bazuje ten koncept.

Krótsza podróż oznacza mniejsze narażenie załogi na promieniowanie kosmiczne, mniej problemów z dietą i magazynowaniem żywności, prostsze zarządzanie zapasami wody i tlenu. Dla misji bezzałogowych liczy się z kolei szybsze dostarczenie sprzętu, próbników czy ładunków logistycznych.

Ambitny cel na rok 2030

Rosyjscy inżynierowie mówią o pierwszych testach w prawdziwej przestrzeni kosmicznej najwcześniej około 2030 roku. Zanim do tego dojdzie, muszą zapanować nad trzema głównymi obszarami ryzyka:

• bezpieczne uruchamianie i wyłączanie reaktora w kosmosie,
• odprowadzanie gigantycznych ilości ciepła z modułu napędowego,
• ochrona sprzętu i ewentualnej załogi przed promieniowaniem z reaktora.

Dochodzi do tego polityczny wymiar całego przedsięwzięcia. Reaktory jądrowe na orbitach i trasach międzyplanetarnych wymagają międzynarodowych uzgodnień, norm bezpieczeństwa oraz rozstrzygnięcia, co dzieje się w razie awarii lub nieudanego startu z takim ładunkiem.

Co taki napęd zmienia w praktyce?

Jeśli technologia dojrzeje, silniki plazmowe zasilane reaktorem mogą przejąć rolę „lokomotyw” w głębokiej przestrzeni. Rakieta chemiczna będzie tylko pierwszym etapem podróży, a prawdziwe tempo misji wyznaczy moduł z napędem plazmowym.

Możliwe scenariusze użycia wyglądają obiecująco:

• transport ciężkich ładunków na orbitę Marsa przed przylotem ludzi,
• przemieszczanie dużych platform badawczych między różnymi orbitami,
• budowa stałych „holowników” kursujących pomiędzy Ziemią, Księżycem i dalszymi punktami.

Dla zwykłego odbiorcy taka technologia może brzmieć abstrakcyjnie, ale warto pamiętać, że spokojniejsze, bardziej „elektryczne” napędy już dzisiaj pracują przy wielu misjach. Tu chodzi o podniesienie skali: więcej mocy, większe ładunki, dłuższa praca w przestrzeni międzyplanetarnej.

W tle toczy się też szersza gra o przewagę technologiczną. Rozwój zaawansowanych napędów dotyczy nie tylko ekscytujących wypraw na Marsa, ale również potencjalnego wojskowego i geopolitycznego wykorzystania przestrzeni kosmicznej. Dlatego każdy krok w stronę szybszych, trwalszych i mocniejszych systemów przyciąga uwagę nie tylko inżynierów, lecz także polityków i wojska.