Rosjanie chwalą się nowym silnikiem plazmowym. Lot na Marsa w tygodnie?

Rosyjscy naukowcy zaprezentowali prototyp silnika plazmowego, który w teorii może skrócić podróż na Marsa z miesięcy do zaledwie kilku tygodni.

Napęd rozwijany w podmoskiewskim ośrodku badawczym Troick osiąga prędkość wyrzutu cząstek sięgającą nawet 360 tys. km/h. To radykalny skok względem klasycznych rakiet chemicznych i wyraźny sygnał, że wyścig o nową generację napędu kosmicznego nabiera tempa.

Co właściwie opracowali Rosjanie

Inżynierowie z instytutu w Troicku pracują nad systemem określanym jako silnik plazmowy o wysokiej prędkości wyrzutu. Urządzenie przyspiesza naładowane cząstki wodoru – protony i elektrony – za pomocą pól elektromagnetycznych do około 100 km/s, czyli mniej więcej 360 tys. km/h.

Nowy napęd ma pełnić rolę „holownika kosmicznego”: nie startuje z Ziemi, ale po wyniesieniu na orbitę rozpędza statek stale i bardzo długo.

W praktyce oznacza to zupełnie inne podejście do podróży kosmicznych niż dotąd. Klasyczna rakieta chemiczna zużywa ogromne ilości paliwa w ciągu kilku minut, aby wyrwać się z pola grawitacyjnego Ziemi. Silnik plazmowy ma pracować długo, ze stałą, mniejszą ciągłą siłą, ale za to przez setki lub tysiące godzin.

Przeskok względem tradycyjnych rakiet

Kluczowy parametr takiego napędu to prędkość wyrzutu masy roboczej. Im szybciej silnik wyrzuca cząstki, tym efektywniej wykorzystuje paliwo i tym większą ostateczną prędkość może osiągnąć statek kosmiczny.

Przy prędkości wyrzutu na poziomie 100 km/s statek wyposażony w taki napęd mógłby niemal bez przerwy przyspieszać przez wiele dni. To przekłada się na dużo krótszy czas lotu. Z szacunków naukowców wynika, że misja na Marsa mogłaby potrwać już nie kilka miesięcy, ale tygodnie.

Dlaczego wodór i energia jądrowa

Serce projektu to połączenie dwóch elementów: reaktora jądrowego i wodoru jako masy roboczej. Panele słoneczne nie są w stanie dostarczyć mocy rzędu setek kilowatów, zwłaszcza w dalszej części Układu Słonecznego. Dlatego konstruktorzy stawiają na niewielki, ale bardzo wydajny reaktor.

Drugi wybór to wodór – najlżejszy pierwiastek. Niska masa atomowa umożliwia przyspieszenie cząstek do ogromnych prędkości bez gigantycznego zużycia paliwa.

Im lżejsza cząstka, tym łatwiej nadać jej ogromną prędkość i tym sprawniej silnik zamienia energię reaktora na przyspieszenie statku.

Konstrukcja silnika została zaprojektowana z myślą o trwałości. Zamiast ekstremalnie podgrzewać plazmę, co szybko niszczyłoby elementy wewnętrzne, naukowcy zastosowali system dwóch elektrod wysokiego napięcia, które tworzą ukierunkowany strumień plazmy. Ogranicza to zużycie części i podnosi sprawność.

Testy w komorze próżniowej i ambitny horyzont 2030

Rosjanie informują, że pierwszy prototyp przeszedł już serię testów w dużej komorze próżniowej o długości 14 metrów. Ma ona imitować warunki panujące w przestrzeni kosmicznej. Napęd pracował w niej łącznie przez około 2400 godzin.

To mniej więcej tyle, ile potrzeba do pełnej misji z Ziemi w okolice Marsa z użyciem tego typu napędu. Według zapowiedzi projekt osiąga moc 300 kW w trybie impulsowym, co stawia go wysoko ponad aktualnie używanymi silnikami elektrycznymi, takimi jak jednostki stosowane w misji Psyche NASA.

• czas ciągłej pracy prototypu: ok. 2400 godzin
• długość komory testowej: 14 m
• docelowy czas lotu do Marsa: tygodnie, a nie miesiące
• moc systemu: do 300 kW

Rosyjska agencja zakłada, że pierwsze testy w realnej misji kosmicznej mogą nastąpić około 2030 roku. To optymistyczny scenariusz, bo do rozwiązania pozostaje wiele trudnych kwestii technicznych i politycznych.

Bezpieczeństwo reaktora w kosmosie

Najbardziej newralgiczny temat związany z tym napędem to użycie reaktora jądrowego. Sam fakt wynoszenia materiału rozszczepialnego w przestrzeń kosmiczną wymaga zgody wielu państw i spełnienia rygorystycznych procedur bezpieczeństwa.

Problemem nie jest wyłącznie start rakiety z takim ładunkiem. Trzeba też zadbać o to, aby ewentualna awaria na orbicie nie zagroziła innym satelitom czy stacjom kosmicznym. Do tego dochodzi kwestia ochrony załogi przed promieniowaniem pochodzącym zarówno z reaktora, jak i z samego strumienia plazmy.

Inżynierowie muszą pogodzić wysoką moc napędu z ekranowaniem promieniowania oraz kontrolą ciepła, które produkuje cały system.

Rozpraszanie ogromnych ilości energii cieplnej w próżni nie jest wcale łatwe. Na Ziemi pomaga powietrze i konwekcja, w przestrzeni pozostaje głównie promieniowanie cieplne przez ogromne radiatory. To zwiększa masę statku i wymaga sprytnego projektowania.

Co taki silnik zmieni w lotach międzyplanetarnych

Jeżeli założenia projektu się sprawdzą, najbardziej skorzystają na tym misje międzyplanetarne z ciężkimi ładunkami – modułami baz, sprzętem do budowy infrastruktury czy większymi sondami naukowymi. Stałe i długo utrzymywane przyspieszanie pozwoli nadrobić powolny start mocną końcówką lotu.

Dla załogowych wypraw na Marsa skrócenie czasu podróży ma ogromne znaczenie. Mniejsza liczba dni w drodze to:

• mniejsze narażenie astronautów na promieniowanie kosmiczne
• łatwiejsze planowanie zapasów żywności i wody
• niższe ryzyko awarii systemów podtrzymywania życia
• łatwiejsze planowanie powrotu na Ziemię

Szybsze loty oznaczają też większą elastyczność okien startowych. Dziś misje na Marsa muszą bardzo dokładnie trafiać w układ orbitalny planet; silnik plazmowy o tak wysokiej prędkości wyrzutu daje większy margines błędu i więcej możliwych trajektorii.

Gdzie w tym wszystkim miejsce dla innych graczy

Choć ośrodek Troick coraz śmielej komunikuje postępy, prace nad napędami elektrycznymi i jądrowymi trwają też w Stanach Zjednoczonych, Europie czy Chinach. Amerykańskie agencje i prywatne firmy analizują zarówno warianty plazmowe, jak i koncepcje napędu termojądrowego czy hybrydowego.

Rywalizacja może przynieść realne korzyści: szybszy rozwój technologii i spadek kosztów. Jednocześnie rośnie ryzyko militaryzacji takich systemów – bo każda jednostka zdolna szybko przenosić duże ładunki w przestrzeni może stać się elementem infrastruktury wojskowej.

Silnik plazmowy w prostych słowach

Dla osób mniej technicznych warto uporządkować kilka pojęć. Plazma to zjonizowany gaz, w którym elektrony oddzielają się od jąder atomowych. Taki stan materii bardzo dobrze reaguje na pola magnetyczne i elektryczne, dlatego da się go „popychać” bez klasycznych dysz i spalania.

Silnik plazmowy działa trochę jak bardzo precyzyjna elektryczna dmuchawa. Zamiast spalin wyrzuca wąski strumień zjonizowanych cząstek, nadając statkowi przeciwny pęd. Siła ciągu w każdej sekundzie jest niewielka, ale dzięki ogromnej prędkości wyrzutu i długiemu czasowi pracy efekt końcowy robi wrażenie.

Jeżeli technologia z Troicka faktycznie trafi na orbitę około 2030 roku, pierwsze loty demonstracyjne pokażą, na ile te liczby przekładają się na praktykę. Od tego będzie zależeć, czy za kilkanaście lat międzyplanetarne „holowniki” plazmowe staną się codziennym narzędziem agencji kosmicznych, czy pozostaną głośno zapowiadanym, ale trudnym do wdrożenia eksperymentem.