O tom, že americká kosmická agentura NASA počítá při průzkumu Marsu s motory, které spalují metan, jsme již na našem webu psali. Nyní se okolo této zajímavé technologie objevila další aktualizace. NASA úspěšně otestovala turbočerpadlo pro metanový motor. Aby  toho ale nebylo málo, tak toto turbočerpadlo bylo vyrobeno z velké části metodou 3D tisku. Pokud bychom v jakémkoliv raketovém motoru na kapalné palivo hledali součástku, která si zaslouží označení „srdce motoru“, jednoznačně bychom se měli dívat právě na turbočerpadla. Tyto komplikované stroje mají na první pohled jednoduchý úkol – dopravit palivo a okysličovadlo z nádrží do spalovací komory. Ale tak jednoduché to není. Turbočerpadla musí zvládnout přetransportovat velké objemy kapalin bez zaváhání. Jakékoliv kolísání jeho výkonu se okamžitě projeví na funkci motoru, ve kterém bude docházet ke spalování v neoptimálním poměru.

Abychom nemluvili jen obecně, podívejme se na konkrétní čísla. Testované turbočerpadlo metanového motoru rotuje rychlostí 36 000 otáček / minutu, což je pro lepší představu zhruba 2x více, než kolik zvládají komponenty v motorech závodních Formulí 1. Za minutu dokáže přečerpat 2 200 litrů zkapalněného metanu, což by při nasazení na skutečném raketovém motoru stačilo na generování tahu 10,2 tuny. Díky 3D tisku je možné oproti tradiční výrobě zredukovat počet jeho dílů o 45% a turbočerpadlo dosáhlo při maximálním zatížení výkonu 600 koňských sil. Při dalších třech testech se zkoušely výkony při nižším zatížení.

Možná si říkáte, proč NASA vyvíjí nový pohonný systém založený právě na metanu. Důvod je prostý – nejjednodušší uhlovodík se totiž nachází v atmosféře Marsu, odkud je možné jej relativně snadno vyseparovat. Druhou možností je, že by se metan na Marsu přímo vyráběl z oxidu uhličitého, který tvoří drtivou většinu marsovské atmosféry. Jen by bylo potřeba doplňovat odněkud vodík. Budoucí přistávací modul by tak mohl ve svých nádržích nést pouze palivo nutné pro měkké přistání. Po dosednutí by se mohly jeho prázdné nádrže natankovat metanem, který byl předtím získán z atmosféry. Lander s plnými nádržemi by pak mohl odstartovat zpátky na oběžnou dráhu planety.

NASA v tomto případě využila další velké výhody 3D tisku – možnosti rychlého návrhu a výroby. Vznikly tak dva identické exempláře, které si skvěle poradily jak s již zmíněným metanem, tak i s dnes tradičnějším vodíkem. To, že turbočerpadlo zvládá pracovat s oběma typy paliv je velmi dobrá zpráva, díky které se možnosti uplatnění jeho uplatnění značně rozšiřují.

„Díky tomu, že jsme ukázali, že stejné turbočerpadlo dokáže pracovat s různými palivy, je vidět, že by se tento hardware dal použít v obou typech motorů,“ popisuje Marty Calvert z Marshallova střediska, který se podílel na vývoji turbočerpadla. Možná se zdá, že rozdíl mezi kapalným vodíkem a metanem není velký, ale to je omyl. Kapalný metan má vyšší hustotu a pokud chceme do spalovací komory dostat stejné množství paliva, potřebujeme, aby turbočerpadlo pracovalo s jinou rychlostí, než když čerpá vodík.

Aktuální zkoušky navazují na testy komponentů vodíkového turbočerpadla, které proběhly v loňském roce a společně s probíhající výrobou a zkouškami vstřikovačů paliva a dalších částí raketového motoru pomalu vyšlapávají cestu k širšímu používání 3D tisku při výrobě dílů pro kosmickou techniku. Je docela stylové, že se v tomto programu potkávají 3D tisk a metanové motory – o obou technologiích se hovoří jako o mimořádně slibných při pohledu do budoucnosti letů do vesmíru. Zkapalněný metan sice postrádá brutální výkon, kterým disponuje vodík, ale jinak proti němu drží v ruce hned několik trumfů. Jedním z nich je teplota zkapalněného plynu. Ta u metanu dosahuje „pouze“ -159°C, zatímco vodík je potřeba chladit na -240°C. Je jasné, které médium vyžaduje složitější izolaci. Metan se díky své vyšší teplotě varu odpařuje pomaleji a díky tomu se dá skladovat po výrazně delší dobu, což by se hodilo právě pro lety k Marsu.

Dosavadní zkoušky ukazují, že vytištěné součástky úspěšně zvládají provozní zatížení v podmínkách, které nejsou příliš vzdálené ostrému nasazení například na velkých landerech. Dalším pozitivem, které ale ocení jen americké firmy je fakt, že NASA veřejně sdílí naměřená data o chování 3D vytištěných dílů pomocí informačního systému MAPTIS (Materials and Processes Technical Information System). S jeho pomocí mohou firmy, které pracují na vývoji technologií, jejichž kvalita se blíží leteckým a kosmickým standardům, čerpat potřebné zkušenosti.

„Jelikož 3D tisk umožnil snížení počtu dílů o 45%, mohli jsme si dovolit vyrobit hned dva exempláře, rychle je dostat na testovací stanoviště a v krátké době získat výsledky. Dalším krokem, který nás čeká bude testování čerpadla pro metanový motor společně s dalšími vytištěnými částmi motorů – podobně jako když jsme vloni testovali motory na kapalný vodík,“ vysvětluje Nick Case z Marshallova střediska. Máme se evidentně na co těšit.

Zdroje informací:
http://www.nasa.gov/
http://www.nasa.gov/
http://maptis.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/dsc_5993_1.jpg
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/img_1451_cropped.jpg
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/mavlander_persp.png