Der Umgang mit der Schwerkraft beim Start im Weltraum ist keine leichte Aufgabe. Herkömmliche Raketen sind sehr teuer, erzeugen viel Schmutz und sind in der Praxis sehr gefährlich. Glücklicherweise steht die Wissenschaft nicht still und es erscheinen immer mehr alternative Wege, die uns effizientere, kostengünstigere und sicherere Wege zur Eroberung des Weltraums versprechen. Heute werden wir darüber sprechen, wie die Menschheit in Zukunft in den Weltraum fliegen wird.
Bevor Sie beginnen, sollten Sie jedoch darauf hinweisen, dass Chemiestrahltriebwerke (CRM), die jetzt als Grundlage für alle Weltraumstarts dienen, ein entscheidendes Instrument für die Entwicklung des Weltraumsektors sind, sodass ihre Verwendung bis dahin über mehr als ein Dutzend Jahre andauern wird fanden und testeten vor allem wiederholt eine Technologie, die einen schmerzlosen Übergang zu einer grundlegend neuen Ebene von Weltraumstarts und -flügen ermöglicht.
Aber schon jetzt, wenn die Kosten für Starts mehrere hundert Millionen Dollar betragen können, wird klar, dass die Personalentwicklung eine Sackgasse ist. Nehmen Sie als Beispiel das neueste Space Launch System. Dieses System wird von der NASA-Luft- und Raumfahrtbehörde als Grundlage für die Erforschung des Weltraums angesehen. Experten haben berechnet, dass die Kosten für einen Start von SLS etwa 500 Millionen US-Dollar betragen werden. Jetzt, da Flächen nicht nur eine Frage der Staaten, sondern auch privater Unternehmen sind, werden zunehmend billigere Alternativen angeboten. Zum Beispiel wird der Start von SpaceXs Falcon Heavy rund 83 Millionen US-Dollar kosten. Aber es ist immer noch sehr, sehr teuer. Und wir gehen noch nicht auf das Problem der Umweltfreundlichkeit von Weltraumstarts auf der Grundlage der CRD ein, die zweifellos erhebliche Umweltschäden verursachen.
Die gute Nachricht ist, dass Wissenschaftler und Ingenieure bereits alternative Wege und Methoden für Weltraumstarts vorschlagen, und einige von ihnen haben das Potenzial, in den nächsten Jahrzehnten zu effektiven Technologien zu werden. Alle diese Alternativen können in verschiedenen Kategorien zusammengefasst werden: alternative Arten von Jet-Starts, stationäre und dynamische Transportsysteme und Auswurfsysteme. Natürlich vereinen sie nicht alle vorgeschlagenen Ideen, aber in diesem Artikel werden wir die vielversprechendsten analysieren.
Alternative Arten von Jet-Starts
Laserstrahlschub
Plasmaflussumleitung zur Erhöhung des Schubes
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Die heute verwendeten Raketen erfordern große Mengen an festen oder flüssigen Treibmitteln, und meistens sind ihre Reichweite und Wirksamkeit davon abhängig, wie viel Kraftstoff sie transportieren können. Es gibt jedoch eine Option, mit der diese Einschränkungen in Zukunft überwunden werden können. Die Lösung können spezielle Laserinstallationen sein, die Raketen in den Weltraum schicken.
Die russischen Physiker Yuri Rezunkov vom Institut für die Entwicklung optoelektronischer Instrumente und Alexander Schmidt vom Ioffe Physicotechnical Institute haben kürzlich den Prozess der "Laserablation" beschrieben, nach dem der Schub eines Flugzeugs mithilfe von Laserstrahlung erzeugt wird, die von einem Lasergerät außerhalb des Raumfahrzeugs erzeugt wird. Durch die Einwirkung dieser Strahlung wird das Material der Empfangsfläche verbrannt und ein Plasmastrom erzeugt. Dieser Fluss liefert den notwendigen Schub, der das Raumfahrzeug auf Geschwindigkeiten beschleunigen kann, die zehnmal höher sind als die Schallgeschwindigkeit.
Wenn wir die fantastische Natur dieser Methode weglassen, bevor wir ein solches System erstellen, müssen zwei Probleme gelöst werden: Der Laser muss in diesem Fall unglaublich leistungsfähig sein. So stark, dass es Metall über eine Entfernung von mehreren hundert Kilometern buchstäblich verdampfen kann. Daher ein weiteres Problem - dieser Laser kann als Waffe verwendet werden, um andere Raumfahrzeuge zu zerstören.
Stratosphärische Starts und Raumflugzeuge
Weniger konzeptionell und realistischer scheint die Methode zu sein, Raumfahrzeuge mit Hilfe besonders leistungsfähiger, tragender Lufttraktoren zu starten.
Wer hat gesagt, dass die Methode von Virgin Galactic nur für den Weltraumtourismus angewendet werden kann? Das Unternehmen plant, sein LauncherOne-Gerät als Transportsystem zu verwenden, um kompakte Satelliten mit einem Gewicht von bis zu 100 Kilogramm in die Erdumlaufbahn zu bringen. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der Raumfahrtsysteme jetzt miniaturisiert werden, ist die Idee sehr interessant.
Weitere Beispiele für ein Startsystem sind das Raumschiff XCOR Aerospace Lynx Mark III (siehe Abbildung oben) und das Raumschiff Orbital Sciences Pegasus II (siehe Abbildung unten).
Einer der Vorteile von Weltraumstarts aus dem Luftraum besteht darin, dass Raketen nicht durch eine sehr dichte Atmosphäre fliegen müssen. Infolgedessen nimmt die Belastung des Geräts selbst ab. Außerdem ist das Flugzeug viel einfacher zu starten. Es ist weniger anfällig für atmosphärische Wetteränderungen. Letztendlich eröffnet das Merkmal solcher Starts mehr Möglichkeiten hinsichtlich der wählbaren Skala.
Raumflugzeuge sind eine weitere Option. Diese wiederverwendbaren Flugzeuge werden dem stillgelegten Shuttle und Buran ähnlich sein, aber im Gegensatz zu letzteren werden sie nicht den Einsatz riesiger Trägerraketen erfordern, um in den Orbit zu starten. Eines der vielversprechendsten und fortschrittlichsten Projekte in dieser Hinsicht ist das britische Raumflugzeug British Skylon (siehe Abbildung oben) - ein einstufiges Flugzeug für den Eintritt in die Umlaufbahn. Der Strahlschub des Raumfahrzeugs wird von zwei Luftstrahltriebwerken erzeugt, die es auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die fünfmal höher ist als die Schallgeschwindigkeit, und es auf eine Höhe von fast 30 Kilometern anheben. Dies sind jedoch nur 20 Prozent der für den Weltraumspaziergang erforderlichen Geschwindigkeit und Höhe, sodass das Raumflugzeug nach Erreichen der Höhenobergrenze in den sogenannten "Raketenmodus" wechselt.
Leider gibt es auf dem Weg zur Umsetzung dieses Projekts noch viele technologische Schwierigkeiten, die noch gelöst werden müssen. Beispielsweise wird erwartet, dass Raumflugzeuge aufgrund hoher dynamischer Drücke und extremer Temperaturen, die unweigerlich die empfindlichsten Teile des Flugzeugs betreffen, einer ungeplanten Änderung ihrer Aufstiegstrajektorie ausgesetzt sind. Mit anderen Worten, solche Raumflugzeuge können gefährlich sein.
Ein weiteres Beispiel für in der Entwicklung befindliche Raumflugzeuge ist der Dream Chaser, der von der Sierra Nevada Corporation für die Luft- und Raumfahrtbehörde der NASA entwickelt wurde (siehe Abbildung oben).
Stationäre und dynamische Transportsysteme
Wenn Sie keine Maschinen fliegen, sind riesige Strukturen, die unglaubliche Höhen erreichen oder sogar direkt in den Weltraum gelangen, die Lösung.
Zum Beispiel schlug Geoffrey Landis, ein Wissenschaftler und Science-Fiction-Autor, die Idee vor, einen riesigen Turm zu bauen, dessen Spitze die Grenzen der Erdatmosphäre erreichen würde. Es befindet sich etwa 100 Kilometer über der Erdoberfläche und kann als Startplattform für konventionelle Raketen verwendet werden. In dieser Höhe müssen Raketen praktisch keinen Einfluss auf die Erdatmosphäre haben.
Eine weitere Bauoption, die die Aufmerksamkeit vieler Vertreter der wissenschaftlichen und pseudowissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen hat, ist der Weltraumaufzug. Tatsächlich stammt diese Idee aus dem 19. Jahrhundert. In der modernen Version wird vorgeschlagen, ein Hochleistungskabel auf eine Höhe von 35.400 Kilometern (die über dem Standort der meisten Kommunikationssatelliten liegt) über der Erdoberfläche zu strecken. Nach dem Auswuchten des Kabels wird vorgeschlagen, die mit Lasertraktion betriebenen Transportfahrzeuge mit einer Last zu starten.
Illustration eines Weltraumaufzugs auf dem Mars
Die Idee der Weltraumaufzüge hat tatsächlich das Potenzial, eine echte Revolution im Weltraumtransport in die erdnahe Umlaufbahn zu bewirken. Es wird jedoch sehr schwierig sein, diese Idee in die Realität umzusetzen. Es wird lange dauern, bis Wissenschaftler ein Material entwickeln, das das Gewicht einer solchen Struktur tragen kann. Die in Betracht gezogenen Optionen sind nun Kohlenstoffnanoröhren oder vielmehr Strukturen, die auf mikroskopischen Diamantverflechtungen mit ultradünnen Nanofasern basieren. Aber selbst wenn wir einen Weg finden, einen Weltraumaufzug zu bauen, werden nicht alle Probleme gelöst. Gefährliche Vibrationen, starke Vibrationen, Kollisionen mit Satelliten und Weltraummüll sind nur einige der Aufgaben, die bewältigt werden müssen.
Eine andere vorgeschlagene Alternative sind riesige "Orbitalschwungräder". Schwungräder sind rotierende Satelliten mit langen Kabeln, die in zwei verschiedene Richtungen auseinanderlaufen und deren Enden während der Rotation die Atmosphäre des Planeten berühren. In diesem Fall kompensiert die Rotationsgeschwindigkeit der Struktur die Umlaufgeschwindigkeit teilweise oder vollständig.
Das Orion's Arm-Portal erklärt, wie sie funktionieren:
„Im unteren Teil des Kabels, der sich in der Nähe eines Planeten von der Größe der Erde befindet, wird sich eine Docking-Plattform in einer Höhe von 100 bis 300 Kilometern über der Oberfläche befinden (während die Länge der Kabel von der Mitte des Schwungrads mehrere tausend Kilometer betragen wird). Diese Höhe wurde gewählt, weil hier die Auswirkung der Atmosphäre auf das "Schwungrad" selbst minimiert wird und die Gravitationsverluste der Docking-Shuttles minimiert werden. Das Andocken erfolgt bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten sowohl des Schwungrads selbst als auch des Andock-Shuttles, normalerweise auf dem Höhepunkt der vom Trägerraketen festgelegten parabolischen suborbitalen Flugbahn. In diesem Fall ist das Shuttle relativ zum "Schwungrad" relativ bewegungslos und kann von einem speziellen Haken erfasst und dann zum Docking-Schloss oder zur Landeplattform gezogen werden. Für die korrekte Positionierung im Orbit verwenden die "Schwungräder" Triebwerke."
Da sich die Schwungräder vollständig im Weltraum befinden und nicht an der Erde befestigt sind, müssen sie nicht die gleiche physische Belastung wie der Weltraumaufzug erfahren, sodass sich diese Idee letztendlich als praktikabler herausstellen kann.
Wenn es um dynamische Strukturen geht, beschreibt Popular Mechanics mindestens zwei Hauptoptionen:
„Strukturen wie der 'Weltraumbrunnen' und die 'Lofstrom-Schleife' behalten ihre strukturelle Integrität aufgrund elektrodynamischer Effekte oder Impulse, die Teile in ihnen bewegen, sowie Fracht und Passagiere, die in die Umlaufbahn gelangen. Rotovatoren scheinen ein interessanteres Konzept zu sein. Diese Idee schlägt den Aufbau einer großen Orbitalstruktur mit einem in der Ebene der Umlaufbahn rotierenden Haltegurt vor, so dass an dem Punkt des Kreises, der der Erde am nächsten liegt, die Geschwindigkeit des Endes des Haltegurts relativ zum Zentrum der Umlaufgeschwindigkeit entgegengesetzt ist. Somit kann das Kabel, das das Minimum passiert, das gewünschte Objekt aufnehmen, dessen Geschwindigkeit niedriger als die erste kosmische ist, und es am Punkt maximaler Entfernung mit einer Geschwindigkeit freigeben, die bereits größer als die erste kosmische ist. “
Es wird so etwas wie das "GIF" aussehen
Eine weitere Alternative zum Weltraumkabel und zum Aufzug ist ein vertikaler aufblasbarer Turm, der eine Höhe von 20 bis 200 Kilometern erreichen kann. Das von Brendan Quinn und seinen Kollegen vorgeschlagene Design wird auf dem Gipfel des Berges errichtet und eignet sich perfekt für die Atmosphärenforschung, die Installation von Fernseh- und Radiokommunikationsgeräten, den Start von Raumfahrzeugen und den Tourismus. Der Turm selbst wird auf der Grundlage mehrerer pneumatisch extern gesteuerter Gleitabschnitte erstellt.
„Durch die Wahl eines Turms können die mit dem Weltraumaufzug verbundenen Probleme vermieden werden. Es geht um die Stärke eines Baumaterials, das für Arbeiten im Weltraum geeignet ist, die Schwierigkeit, ein Kabel mit einer Länge von mindestens 50.000 Kilometern herzustellen und die Meteoritenbedrohung in einer erdnahen Umlaufbahn zu bekämpfen “, sagten die Forscher, die das Turmdesign vorschlugen.
Um ihre Idee zu testen, bauten sie ein 7-Meter-Turmmodell mit sechs Modulen, von denen jedes auf drei Rohren basierte, die um ein mit Luft gefülltes zylindrisches Fach installiert waren.
Interessanterweise kann eine ähnliche Technologie beim Bau des von John Storrs Hall vorgeschlagenen "Space Pier" verwendet werden. Nach diesem Konzept wird vorgeschlagen, ein 100 Kilometer hohes und 300 Kilometer langes Bauwerk zu errichten. Mit dieser Einstellung fährt der Aufzug direkt zum Startpunkt. Der Start der Nutzlast in den Orbit erfolgt mit einer Beschleunigung von nur 10 g.
„Diese Hybridoption ignoriert die Nachteile der vorgeschlagenen Optionen mit einem Orbitalturm (die Größe des Piers ist viel kleiner, daher ist es einfacher zu bauen) und die Schwierigkeiten, die bei elektromagnetischen Starts auftreten müssen (die Dichte und der Widerstand der Luft in einer Höhe von 100 Kilometern sind millionenfach geringer als auf dem Niveau Meer) “, sagt Hall.
Katapult-Systeme
Wenn alle vorgeschlagenen Ideen für den Durchschnittsleser vollständig Science-Fiction erscheinen, sind die folgenden der Realität viel näher als auf den ersten Blick. Eine weitere Alternative zu Raketenstarts sind Katapult-Systeme, bei denen Raumschiffe wie Kanonen in den Weltraum abgefeuert werden.
Es liegt auf der Hand, dass in diesem Fall die Last selbst für den Aufprall extremer Kräfte ausgelegt sein muss. Katapult-Systeme können jedoch zu einem wirklich effektiven Werkzeug werden, um eine Nutzlast in den Weltraum zu senden, wo sie von dort befindlichen Raumfahrzeugen aufgenommen wird.
Katapult-Systeme können in drei Haupttypen unterteilt werden: elektrische, chemische und mechanische.
Elektrisch
Dieser Typ umfasst Railguns oder elektromagnetische Katapulte, die nach dem Prinzip elektromagnetischer Beschleuniger arbeiten. Während des Starts wird das Raumschiff auf speziellen Führungsschienen platziert und mithilfe eines Magnetfelds stark beschleunigt. In diesem Fall reicht die Beschleunigungskraft aus, um das Gerät aus der Erdatmosphäre herauszuholen.
Das Konstruktionsmerkmal solcher Systeme macht sie jedoch sehr massiv und teuer in der Herstellung. Darüber hinaus verbrauchen solche Systeme eine große Menge Strom. Trotz ihrer Kraft müssen sich elektromagnetische Katapulte immer noch einigen Problemen stellen, die mit der Schwerkraft und der dichten Erdatmosphäre verbunden sind. Wenn sie verwendet werden, ist es wahrscheinlicher auf Planeten mit geringerer Schwerkraft und einer verdünnten Atmosphäre.
Chemisch
Es wird vorgeschlagen, Objekte mit riesigen Kanonen in den Weltraum zu bringen, die mit einem brennbaren Gas wie Wasserstoff betrieben werden. Wie bei jedem Auswurfsystem muss die in den Weltraum gesendete Fracht jedoch während des Starts einer erhöhten Belastung ausgesetzt sein. Darüber hinaus können solche Systeme nicht verwendet werden, um Menschen in den Weltraum zu schicken. Darüber hinaus müsste zusätzliche Ausrüstung verwendet werden, mit der Fracht, beispielsweise kompakte Satelliten, in eine permanente Umlaufbahn gebracht werden kann. Andernfalls fällt das abgefeuerte Objekt, das die maximale Höhe erreicht hat, einfach auf die Erde zurück.
HARP-Projekt (High Altitude Research Project). Diese Kanone feuerte ein Martlet-2-Raketenprojektil auf eine Höhe von 180 Kilometern ab. Der Rekord wird noch gehalten
Die logische Entwicklung des HARP-Projekts war das SHARP-Projekt (Super High Altitude Research Project). In den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts führten Forscher des Lawrence Livermore Lab eine Demonstration des Abschusses von Projektilen mit einer Geschwindigkeit von 3 Kilometern pro Sekunde durch (obwohl nicht in der Höhe, sondern am Boden). Am Ende kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der Bau einer echten Arbeitsprobe einer solchen Waffe mindestens 1 Milliarde US-Dollar erfordern würde. Das Bild wurde auch durch die Tatsache verdickt, dass die Wissenschaftler die geplante Projektilgeschwindigkeit von 7 Kilometern pro Sekunde nicht erreichten.
Mechanisch
Mechanische Pistolen können als Alternative zu elektromagnetischen und chemischen Pistolen dienen. Es ist zwar nicht ganz richtig, solche Systemwaffen zu nennen. Es ist eher eine Art Schleuder. Ein Beispiel ist das Slingatron-Projekt von HyperV Technologies Corp. Das System selbst ist eine spiralförmige Hohlstruktur im Inneren. Ein Objekt innerhalb der Spirale wird beschleunigt, indem die gesamte Struktur um einen festen Punkt gedreht wird.
Theoretisch kann das Slingatron die notwendige Beschleunigung liefern. Wie die Entwickler selbst betonen, ist das System jedoch nicht geeignet, um Personen und große Lasten in den Orbit zu bringen. Diese Methode könnte jedoch verwendet werden, um kleine Lasten wie Wasserversorgung, Kraftstoff und Baumaterialien in den Weltraum zu befördern.
Eine Ansicht des Slingatron in voller Größe würde ungefähr so aussehen
Wie wird die Zukunft wirklich aussehen?
Es ist äußerst schwierig vorherzusagen, wie die Antwort auf diese Frage aussehen wird. Unerwartete technologische Entdeckungen und die von ihnen verursachten Auswirkungen können dazu führen, dass alle heute in Betracht gezogenen Optionen für raketenlose Weltraumstarts mit der Effizienz gleichwertig werden. Dies ist nun nicht der Fall, wie zumindest aus der Vergleichstabelle hier hervorgeht.
Nehmen Sie als Beispiel das Potenzial der molekularen Montagetechnologie. Sobald wir diesen Bereich beherrschen, müssen wir nichts mehr in den Weltraum bringen. Wir werden einfach Asteroiden im Sonnensystem fangen und daraus (oder besser gesagt aus den darin enthaltenen nützlichen Materialien) alles erschaffen, was wir im Weltraum wollen. Das Interessanteste ist, dass Fortschritte in diese Richtung bereits heute sichtbar sind. Zum Beispiel brauchte der NASA-Astronaut Barry Wilmore einmal einen kompakten verstellbaren Schraubenschlüssel. Es scheint, was ist das Problem - zum nächsten Werkzeugladen gehen? Nur der nächste Werkzeugladen befand sich zu dieser Zeit nicht neben Wilmore, da der Astronaut an Bord der Internationalen Raumstation war!Die NASA kam anmutig aus der Situation heraus - sie schickte der ISS eine E-Mail mit einem Diagramm des erforderlichen Schlüssels und bot Wilmore an, ihn selbst auf einem 3D-Drucker an Bord zu drucken. Dies ist nur ein Beispiel dafür, dass wir in relativ kurzer Zeit überhaupt nichts ins All bringen müssen. Alles wird bereits an Ort und Stelle erstellt.
Was die notwendigen Ressourcen betrifft, wird dies ebenfalls kein Problem mehr sein. Der Asteroidengürtel ist voll mit dem notwendigen Material: Sein Volumen beträgt fast die Hälfte der Masse unseres Mondes. Eines Tages werden wir zu dem Schluss kommen, dass ein ganzer Schwarm von "Philae" -ähnlichen Raumsonden einfach auf dem nächsten Asteroiden oder Meteoriten landen und dort Mineralressourcen produzieren wird. Die NASA will die erste derartige Mission im Jahr 2020 durchführen. Es ist geplant, einen kleinen Asteroiden zu fangen, ihn in eine stabile Mondumlaufbahn zu bringen und dort Astronauten darauf zu landen, die das Weltraum-Kopfsteinpflaster untersuchen und sogar interessante Proben seines Bodens sammeln können.
Menschen in den Weltraum zu bringen ist ein anderes Problem, besonders wenn man bedenkt, dass es in Zukunft Pläne gibt, Menschen in den Weltraum zu schicken. Einige der vorgeschlagenen Ideen, wie der Weltraumaufzug, könnten tatsächlich funktionieren. Aber nur, wenn wir nicht über die Eroberung des Weltraums sprechen. Daher müssen wir uns in dieser Angelegenheit lange Zeit auf traditionelle Raketenstarts verlassen. Ihre Ideen werden bereits sowohl auf staatlicher als auch auf privater Ebene geäußert. Nehmen Sie wieder denselben Elon Musk mit seinem Mars-Kolonisationsprojekt.
Wir müssen auch berücksichtigen, dass der menschliche Körper nicht wirklich für einen sehr langen Aufenthalt im Weltraum ausgelegt ist. Bis wir zu effektiven Technologien kommen, die die Erzeugung künstlicher Schwerkraft ermöglichen, können Roboter daher eine Teillösung für dieses Problem sein. Roboter können mithilfe der erweiterten oder virtuellen Realität in den Weltraum geschickt und von der Erde aus ferngesteuert werden.
Roboter haben eine echte Chance, der Schlüssel zum Start unserer Weltraumforschung zu sein. Es ist durchaus möglich, dass wir in ferner Zukunft lernen werden, unser Gehirn zu digitalisieren und diese Informationen an Bord von entfernten Raumstationen an Supercomputer zu übertragen, wo sie in eine Vielzahl von Roboteravataren geladen werden, mit denen wir unseren Weg zu den fernen Grenzen des Weltraums ebnen werden.
NIKOLAY KHIZHNYAK
