Ještě v polovině loňského roku hovořili o „průlomu v oblasti paprskového mikrovlnného oboru“ a slibovali „revoluci v kosmonautice“. Dnes zavírají krám. Řeč je o firmě Escape Dynamics. Kosmická raketa spaluje pohonné látky jen proto, aby mohla o kus dál vynést další pohonné látky – a ty zde spálit. A proč je spálí? Aby mohla „popostrčit“ další pohonné látky. A při tom postupně zvyšuje rychlost, až dosáhne alespoň první kosmické. Co kdyby se ale někomu podařil tento bludný kruh rozetnout? Nosič by neměl pohonné látky, ale jen nějaký externí zdroj energie: třeba dostatečně silný energetický paprsek. Byla by to dramatická změna přístupu, protože dnes tvoří konstrukce nosičů cca 10 procent a užitečné zařízení jen 5 procent startovací hmotnosti. Zbytek jsou právě pohonné látky.
Ovšem toto je zřejmě s dnešními technologiemi příliš utopický návrh. Tak jinak: co kdyby nosič nesl jen část pohonných látek a energii by dostával zvenčí? To už bychom zvládnout mohli. Sliboval to právě americký startup (začínající firma) Escape Dynamics. Pracovala s koncepcí předávání energie pomocí mikrovln. Zatímco klasický chemický pohon uchovává energii v nádržích a postupně ji uvolňuje, v případě mikrovlnného je skladována na Zemi a následně předávána nosiči právě pomocí mikrovln. Tepelný výměník ji pak konvertuje na tepelnou, které ohřívá médium.
Zdroj: Escape Dynamics
Abychom si to představili v praxi: nový kosmický dopravní systém dle Escape Dynamics měla ze 70 procent tvořit konstrukce a pracovní látka, zbylých 30 procent užitečné zařízení. Otevřel by se tak zcela nový prostor pro vícenásobně použitelné prostředky. Dnes existují jen teoreticky a na samé hraně možností: paprskový mikrovlnný pohon přitom nabízí mnohem lepší parametry, než pro podobné stroje potřebujeme.
Loni v červenci firma oznámila, že její výzkumníci přenesli – byť zatím jen v laboratorních podmínkách – mikrovlnným paprskem energii do motoru, v něm ohřáli pracovní látku (hélium) a ta následně generovala významný tah. Escape Dynamics zároveň tvrdila, že vývoj má rozpočítaný na osm let, z nichž má za sebou tři roky. Firma počítala s konceptem vztlakového tělesa, pro jehož cestu do vesmíru bude potřeba vytvořit dvě vysílací pole mikrovln – každé o výkonu 400 MW. Jedno bude u rampy a zajistí vertikální start, druhé 200 km od ní a zajistí urychlení na první kosmickou rychlost. V první generaci chtěla firma vytvořit plavidlo pro dopravu 100 až 200 kg nákladu, a to za setinu současné ceny (žádná přesnější čísla ohledně nákladů, vývoje, zajištění financování, ekonomiky provozu apod. ale neuvedla).
Samozřejmě, že nic není je růžové a i mikrovlnná technologie má svá úskalí. První úvahy na její využití se objevily už před půl stoletím, ale už tehdy narazily na technologické hranice. Šlo třeba o plochu přijímacího pole na nosiči: dnes ho už jsme schopni vtěsnat do desítek metrů čtverečních, před desítkami let jsme se bavili o řádu hektarů. Pak to jsou odolné kompozitní materiály, které dříve nebyly k dispozici. Nebo technologie pro uvolnění velkého množství energie v krátkém čase. Původně se navíc v případě přenosu energie ze Země na nosič nepracovalo s mikrovlnami, ale laserovým paprskem. Ten měl ohřívat médium v motoru, které by pak proudilo vysokou rychlostí a vytvářelo tah. Navíc první úvahy počítaly spíše s meziplanetárními lety, kde nebyl problém zaměřovat cíl a přenášet energii: obé představuje v zemské atmosféře výzvu. Nehledě na to, že nosič brzy mizí za horizontem.
Zdroj: Escape Dynamics
Inženýr Jordin Kare založil v roce 1991 firmu Kare Technical Consulting, která navrhla zařízení Mockingbird. Mělo jít o pouhých 75 kg těžký vícenásobně použitelný kosmický dopravní prostředek. I on původně počítal s laserem, ale nakonec skončil u mikrovln. Za zmínku jistě stojí i pokus, který byl provedený americkou armádou 2. října 2000 v zařízení HELSTF (High Energy Laser Systems Test Facility), kdy raketa o průměru 12,2 cm a hmotnosti 51 g dosáhla výšky 71 m. Let trval 12,7 s a představuje dodnes platný rekord pro raketu s vnější dodávkou energie.
Ovšem tento koncept nepracoval s vlastním médiem, ale s laserovým ohřevem vzduchu pod nosičem na extrémně vysokou teplotu: expandující vzduch raketu tlačil vzhůru. Tento koncept je pochopitelně použitelný jen v menších výškách, ale nabízí ještě lepší výsledky díky úspoře pracovního média. Dnes americká armáda pracuje na raketě schopné dosáhnout až 30 km (laser by měl mít výkon 100 kW) a cílem projektu je dopravit na oběžnou dráhu pomocí jednoduché rakety kilogramovou družici. Náklady by neměly překročit 20 dolarů – de facto by šlo o cenu elektrické energie.
Ale zpět k Escape Dynamics. Letos v únoru oznámila, že s ohledem na „současnou úroveň technologického rizika a nejistoty ohledně ceny i termínů realizace“ se rozhodla na konci roku 2015 zastavit veškerý výzkum a vývoj. Neoficiální informace hovořily o tom, že se firmě nepodařilo získat vhodného investora. Ale to už je teď stejně jedno.
Zdroj: Escape Dynamics
Zdroje informací:
http://escapedynamics.com/
http://spacenews.com/
http://spacenews.com/
Zdroje obrázků:
Escape Dynamics
Trochu nechápu, jakou to má výhodu. Aby to bylo úspěšnější než chemická raketa, muselo by to mít výtokovou rychlost ohřátého plynu vyšší nebo by ten plyn musel být výrazně levnější než klasické palivo a okysličovadlo (ideálně vzduch z okolí). Jinak je jedno, jestli se plyn ve spalovací komoře ohřívá chemickou reakcí vlastních složek nebo mikrovlnami.
Za experimenty na úrovni aplikovaného výzkumu to asi stojí, ale vzhledem k tomu, že rekordní zařízení má parametry srovnatelné s menší silvestrovskou rachejtlí, mi projekt raketoplánu přijde opravdu přehnaně ambiciózní.
Idea je podobná jako u jaderného raketového motoru, akorát tam tu energii dodává reaktor.
Teoreticky to pak vyjde líp, protože zdroj enegrie (ať už má jakoukoliv energetickou hustotu) nevláčí s sebou, prakticky je pes zakopán v „detailech“.
Zároveň 400MW neni (na raketu) moc, zvládne někdo zběhlejší vykoumat teoretický tah pro vodík? (používat tady hélium se mi zdá jako bohapusté plýtvání)
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_rocket
Při stejné teplotě je specifický impuls nepřímo úměrný odmocnině z atomové (molekulové) hmotnosti plynu, takže při použití vodíku místo helia to vyjde 1.4x (odmocnina ze 2) lépe, protože místo He s atomovou hmotností 4, to bude molekulární vodík H2 s molekulovou hmotností 2. To je ale jen horní teoretický limit, protože část energie se spotřebuje např. na trhání vazeb v molekulách (disociaci).
Samotný (kapalný) vodík má příliš malou hustotu a výhoda vyššího specifického impulsu by byla smazána potřebou větší a těžší konstrukce vodíkové nádrže.
Přesně takovou výhodu to má. Chemické rakety mají výtokovou rychlost jakou mají, protože existuje horní hranice pro množství energie, které může existovat v chemických vazbách. Ikdyž člověk půjde do nějakých extrémů typu vodík plus lithium a fluor jako okysličovadlo (což je myslím směs s největším isp v historii) nezíská o moc víc než klasický hydrolox, což je důvod proč se hydrolox používá. Pokud člověk chce získat větší specifický impuls, musí energii čerpat odjinud než chemických vazeb mezi molekulami. Termální rakety jsou jednou z možností a je celkem jedno, jestli propelant ohřívá jaderný reaktor, sluneční záření (STR) nebo mikrovlnný paprsek ze země. Navíc díky exponenciální povaze raketové rovnice stačí poměrně malý nárůst isp aby byl hmotnostní poměr dostatečný ke znovupoužitelnosti (a zřejmě ještě SSTO).
Taková je aspoň teorie.
Parádní shrnutí. Tohle nešlo napsat ani o kousek líp.
Škoda že do toho nechce investovať štát najlepšie pod armádou aby projekt dostal čo najviac financií.
Limitující je především materiál spalovací komory (trysky). Sebevíc energie dodané zvenku nepomůže, když se pracovní medium (reakční látka) smí ohřát jen na teplotu, kterou snese komora. A z hlediska dnešní fyziky materiály ani nikdy nebudou.
No právě. Jediný zatím známý způsob, jak pracovat s teplotami řádově vyššími, je použít magnetické stínění plazmatu. To však s dnešními znalostmi nedokáže odolávat tlaku potřebnému ke zvednutí nosné rakety ze země, takže se hodí jen k pohonu sond a družic, které už ve volném prostoru jsou. Velký Isp, ale tah minimální.
Spíš jsem zvědavý na náporovými motory poháněné stroje typu Skylon. Udat mu počáteční rychlost kolem dvou tří Machů elektromagnetickým katapultem jakožto náhradou prvního stupně, by také nemuselo být úplně od věci.
Taky jsem o tom dumal a napadlo mě následující.
Komora a tryska standardního motoru je chlazená, bez toho by se roztavila, takže optimalizací chlazení by jistě snesla vyšší pracovní teploty. A jak dodat palivu energii? Bezkontaktně. Podobně jako to dělají při pohonu laserem, kde se soustřeďuje energie do ohniska (dostatečně daleko od zrcadla). U mikrovn to musí jít podobně.