Idea (4. Napęd jonowy): "US Space Orbiter Transporter Cargo"

Technologia, Nauka

Ilustracja ChatGPT: Kosmolot z napędem jonowym.

Granice skali

W idei profuturo: ustawy Senatu US o wspieraniu rozwoju narodowych kompetencji kosmicznych poprzez realizację budowy międzyorbitalnych "Ziemia - Księżyc" kosmolotów transportowych cargo z napędem jonowym oraz projektów misji bezzałogowych eksportu maszyn i robotów na Księżyc wraz z metodą zdalnej koordynacji ich pracy na nim w ramach amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, finansowanych metodą funduszy społecznościowych (crowdfunding).

Ilustracja ChatGPT: Silnik jonowy.

Notka, podobnie jak poprzednia, ułożona jest w oparciu o rakietę Falcon 9 i możliwości zamówienia dostaw na orbitę LEO środków technicznych o masie 20 ton.

Wybrane granice fizyczno-techniczne technologii silnika jonowego w idei kosmolotu towarowego cargo:

• Masa: Maksymalna masa 20 ton silnika jonowego (bez baku, zbiornika z pierwiastkiem do jonizacji). Z poprzednich notek wiemy w idei, że masa "księżycowych" silników Raptor firmy SpaceX (w scenariuszu lądowników towarowych) wynosi 1,5 tony.
  
• Rozmiar: Maksymalna średnica 5 metrów i wysokość 8 metrów. Można poglądowo przejść sobie te długości krokami na spacerze.
• Trend rozwoju: Duża skala technologii i technice pomiędzy stosowanymi obecnie silnikami jonowymi, a silnikiem jonowym w tej idei jako napędu dla międzyorbitalnego transportu "LEO-LLO" kosmolotem towarowym cargo.
• Dostępność i koszt "paliwa": Dostępnego "paliwa jonowego" (nośnik masy) na rynku. Pierwiastek do jonizacji względnie łatwo dostępny technicznie i ekonomicznie na terenie USA.
  
• Energia elektryczna: Dostępna energia elektryczna w układzie zamontowanym w pojeździe kosmicznym dla silnika jonowego, np. pochodząca z układu wykorzystującego panele PV.
• Moc silnika jonowego: 100 kW bez układu magazynowania energii, który by dodawał swoją masę.
• Materia produktu: Wszystkie składniki materialne maksymalnie pochodzące z terenu USA.
  

Ilustracja wykonana przez ChatGPT silnika jonowego podobna jest w idei do silnika turboodrzutowego. Zamiast łopat są niebiesko-białe "szprychy". Silnik na ilustracji nie jest od przodu zamknięty, aby ukazać, że w jego środku zachodzi jonizacja atomów pierwiastka (np. ksenonu), który jest wyrzucany z drogiej strony.

Idea działania silnika jonowego:

atomy → jonizacja atomów → przyspieszenie i wyrzut jonów (+) → neutralizacja jonów → atomy

Istotne zatem jest ile jonów (+) i z jaką prędkością jest wyrzucanych z silnika jonowego. Działanie silnika jonowego wykorzystuje energię elektryczną. Energia elektryczna dla stosowanych silników jonowych może pochodzi z układu wykorzystującego panele PV. Zatem silniki te nie wykorzystują reakcji, jak silniki chemiczne, nie emitują spalin.

Energia kinetyczna wyrzucanego gazu z silnika (np. ksenonu) pochodzi poprze wykorzystanie energii elektrycznej z zewnętrznego źródła (najczęściej z baterii słonecznych). Najpierw atomy ksenonu pozbawiane są elektronów, czyli są przekształcane w jony dodatnie. Następnie są rozpędzane pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego osiągając prędkość kilkudziesięciu kilometrów na sekundę. Duża prędkość wyrzucanej "masy gazu" daje dużą siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy wyrzucanego gazu. Jednak silniki jonowe mają mała moc układu zasilającego i masa wyrzucanego gazu (ilość rozpędzonych jonów) nie jest duża z przekłada się siłę ciągu rakiety i pojazd kosmiczny wyposażony w taki silnik porusza się z małym przyspieszeniem. Pojazd kosmiczny wyposażony w silnik jonowy porusza się z małym przyspieszeniem. Mogą pracować kilkadziesiąt tysięcy godzi. Do osiągnięcia w przestrzeni kosmicznej wymaganych w parametrów lotu, tj. pęd i prędkość, wymagają więcej czasu działania, niż silniki chemiczne.

Wychodząc od przesłanki rzeczywiście dostępnej rakiety, obecnie stosowanej oraz usługi z nią związanej, maksymalna masa silnika jonowego (bez baku, zbiornika z pierwiastkiem do jonizacji) może w tej idei wynosić 20 ton - w tym ułożeniu to granica fizyczno-techniczna. Ponieważ musiałby być dostarczony, np. jak w tym przyjętym odniesieniu, przez rakietę Falcon, to rozmiary silnika muszą pasować do ładowni tej rakiety.

1. ChatGPT:
Pytanie: Jaki rozmiar, wymiary, zajmowaną objętość w ładowni rakiety Falcon 9 może mieć ładunek dostarczany przez nią na orbitę LEO?

Odpowiedź: Rakieta Falcon 9 od SpaceX ma określone parametry dotyczące rozmiarów ładunku, który może zostać umieszczony w jej ładowni (tzw. osłonie aerodynamicznej, ang. payload fairing). Wymiary ładunku zależą od dostępnej przestrzeni w tej osłonie oraz jej konfiguracji.

Wymiary osłony aerodynamicznej (payload fairing) Falcon 9:

• Średnica: Standardowa osłona aerodynamiczna Falcona 9 ma średnicę 5,2 metra.
• Wysokość:  Całkowita wysokość osłony to około 13,1 metra, ale użyteczna przestrzeń na ładunek ma wysokość około 8,1 metra.
• Objętość: Użyteczna objętość przestrzeni ładunkowej wynosi około 145 m³.

Uwagi:

• Kształt ładunku: Rakieta Falcon 9 wymaga, by ładunek zmieścił się w ograniczeniach kształtu osłony aerodynamicznej, która jest zwężana w górnej części. Dlatego wymiary ładunku muszą być tak dostosowane, aby nie przekraczały dopuszczalnych wymiarów zarówno w podstawie, jak i w zwężeniu.
• Dostępność przestrzeni: Nie cały dostępny wewnętrzny obszar jest przeznaczony na jeden ładunek – czasami rakieta wynosi więcej niż jeden satelita lub inny element, co powoduje podział przestrzeni między różne urządzenia.
• Masa ładunku na LEO (Low Earth Orbit): Falcon 9 jest w stanie wynieść na niską orbitę okołoziemską (LEO) ładunek o masie do 22 800 kg w zależności od wymagań misji, profilu lotu i konkretnej orbity.

Podsumowanie:

• Maksymalna średnica ładunku: 5,2 metra.
• Maksymalna wysokość ładunku: 8,1 metra.
• Maksymalna objętość ładunku: 145 m³.
• Maksymalna masa ładunku na LEO: 22 800 kg.

Te parametry pozwalają Falconowi 9 wynosić na orbitę duże satelity, zespoły satelitów lub inne ciężkie ładunki.
*
2. ChatGPT:
Pytanie: Założenie: Napęd jonowy (silnik, zbiornik z paliwem - ksenon, niezbędne układy powiązane), jako łącznie całe urządzenie - moduł napędowy, jest pojazdem kosmicznym. Jaką masę, rozmiary, wielkość, objętość mają silniki jonowe stosowane przez NASA? Jaki jest ich koszt?

Odpowiedź: Napęd jonowy, stosowany przez NASA, jest wykorzystywany głównie w misjach długoterminowych ze względu na swoją wysoką efektywność i oszczędność paliwa. Poniżej znajdują się podstawowe dane dotyczące masy, rozmiarów, wydajności i kosztów napędów jonowych, które NASA stosuje w różnych projektach kosmicznych:

1. Masa i rozmiary silników jonowych:

Silnik NSTAR (NASA Solar Technology Application Readiness) używany w misji Deep Space 1 oraz Dawn:

• Masa: Około 8,2 kg dla samego silnika (bez systemów podtrzymujących).
• Rozmiary: Średnica około 30 cm i długość około 40 cm.
• Masa całego systemu napędowego (z zasobnikami paliwa, elektroniką i infrastrukturą wspierającą): Do 100-200 kg w zależności od konfiguracji.

Silnik NEXT (NASA's Evolutionary Xenon Thruster) to bardziej zaawansowany silnik jonowy:

• Masa: Sam silnik waży około 24 kg.
• Rozmiary: Średnica ok. 40 cm i długość ok. 50 cm.
• Masa całego systemu (z paliwem, systemem zasilania, elektroniką itp.): Może wynosić ponad 300 kg.

2. Wydajność:
Napędy jonowe charakteryzują się bardzo wysoką efektywnością w porównaniu do konwencjonalnych napędów chemicznych. Wartości specyficzne dla silników:

• ISP (impuls właściwy): Około 3000–4000 sekund.
• Prędkość wyrzutu gazów: Około 30-40 km/s (*).
  
• Moc: Zwykle potrzebują kilku kilowatów mocy elektrycznej. Na przykład silnik NEXT działa przy mocy około 6,9 kW.

3. Objętość paliwa:
Napęd jonowy zazwyczaj używa ksenonu jako paliwa, ponieważ jest to gaz o wysokiej masie atomowej, co przekłada się na wyższą siłę ciągu.

• Misja Dawn zużyła około 425 kg ksenonu, co odpowiada objętości około 0,25 m³.
• W zależności od misji i wymagań objętość zbiornika na ksenon może wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset litrów.

4. Koszt:
Koszty silników jonowych i ich systemów są zróżnicowane w zależności od zaawansowania technologii oraz wymagań misji.

• Silnik NSTAR: Szacowany koszt jednego egzemplarza wynosi około 10 milionów USD, włączając w to projektowanie, produkcję oraz integrację.
• Silnik NEXT: Jest bardziej zaawansowany technologicznie, więc jego koszt może być wyższy – do kilkunastu milionów dolarów.

Dla pełnego obrazu kosztów należy również uwzględnić cenę energii elektrycznej generowanej przez panele słoneczne lub inne źródła zasilania oraz dodatkowe koszty integracji z resztą statku kosmicznego.
// (*) - W innych pytaniach ChatGPT wskazuje na 50 km/s prędkość wyrzutu gazów. //
*
3. ChatGPT:
Pytanie: Ksenon używa się do kosmicznych napędów jonowych. Jak się go uzyskuje? Czy jest go dużo na Ziemi? Ile kosztuje 1 kg ksenonu jako "paliwo" w napędzie?  Czy w oparciu o możliwą dostępność ksenonu, można by wprowadzić flotę wielu kosmicznych statków transportowych cargo w misjach towarowych pomiędzy orbitą LEO i LLO?

Odpowiedź: Ksenon (Xe) jest gazem szlachetnym używanym w napędach jonowych w misjach kosmicznych ze względu na swoje właściwości: jest chemicznie obojętny, łatwo jonizuje, a jego duża masa atomowa zapewnia efektywny ciąg w napędach jonowych.

Jak się uzyskuje ksenon?
Ksenon pozyskuje się głównie jako produkt uboczny podczas rozdzielania powietrza na składniki, np. w procesie kriogenicznej destylacji. Powietrze atmosferyczne zawiera zaledwie około 0,0000087% ksenonu (ok. 87 ppb), co czyni ten gaz relatywnie rzadkim na Ziemi. Oznacza to, że jego pozyskiwanie jest skomplikowane i kosztowne, ponieważ wymaga dużych nakładów energii i zaawansowanej technologii.

Czy jest go dużo na Ziemi?
Ksenon jest jednym z najrzadszych pierwiastków w atmosferze Ziemi. Występuje w bardzo małych ilościach, co czyni go trudnym do pozyskania. Roczna produkcja ksenonu wynosi kilka ton na skalę globalną, co jest stosunkowo małą ilością, zwłaszcza gdy rosną potrzeby przemysłowe, w tym w sektorze kosmicznym.

Koszt 1 kg ksenonu jako "paliwo" w napędzie jonowym
Cena ksenonu jest wysoka ze względu na jego rzadkość. Koszt jednego kilograma ksenonu waha się od 3 000 do 10 000 USD w zależności od rynku i źródeł. W kosmosie ksenon jako paliwo jest cenny, ponieważ nawet małe ilości mogą dostarczyć ciągu przez długi czas w napędach jonowych, co jest korzystne dla długoterminowych misji.

Możliwość wprowadzenia floty kosmicznych statków cargo
Wprowadzenie floty kosmicznych statków transportowych cargo pomiędzy orbitą LEO (Low Earth Orbit) a LLO (Low Lunar Orbit) przy użyciu napędów jonowych opartych na ksenonie byłoby technicznie możliwe, ale kosztowne ze względu na ograniczoną dostępność ksenonu. Mimo że napędy jonowe są efektywne pod względem zużycia paliwa, ich długoterminowa eksploatacja w dużej flocie mogłaby wymagać alternatywnego rozwiązania.

Rozważania o flocie transportowej zależałyby więc od rozwoju alternatywnych źródeł ksenonu, recyklingu gazu, czy też odkrycia bardziej powszechnych zamienników, takich jak krypton (tańszy, ale mniej wydajny) lub nowe technologie napędowe.

W skrócie, dostępność ksenonu na Ziemi jest ograniczona, a jego koszt wysoki, co sprawia, że rozważanie flot wielkoskalowych wymagałoby dokładnej analizy ekonomicznej i technologicznej.
*
4. Chat GPT:
Pytanie: Jaka jest sprawność stosowanych silników jonowych w pojazdach kosmicznych? Jeżeli w przestrzeni kosmicznej panele PV mają powierzchnię 100 metrów kwadratowych, to jaką mają moc na LEO oraz na LLO? Ile silników jonowych może być zasilanych za pomocą tych paneli PV?

Odpowiedź:

Sprawność silników jonowych
Silniki jonowe stosowane w pojazdach kosmicznych charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością energetyczną, zwykle w zakresie 65-80%. Silniki te przekształcają energię elektryczną w ciąg przez jonizację gazu (najczęściej ksenonu) i przyspieszanie jonów w polu elektrycznym. Dzięki temu uzyskują wysoki impuls właściwy (efektywność paliwowa), ale ciąg generowany jest stosunkowo niski w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami rakietowymi.

Produkcja energii przez panele fotowoltaiczne na LEO i LLO
Wydajność paneli słonecznych w kosmosie zależy od odległości od Słońca, a także od poziomu zacienienia, w tym przejść przez cień Ziemi.

• Na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO, ok. 300-500 km nad Ziemią) panele PV o powierzchni 100 m² mogą dostarczyć ok. 30% więcej energii niż na powierzchni Ziemi, ponieważ nie ma atmosfery, która blokowałaby światło słoneczne. Typowa moc paneli PV na LEO wynosi ok. 1,2–1,5 kW/m².
• Na orbicie okołoziemskiej (LEO), typowa moc to 1,4 kW/m². Zatem: 1,4kW/m²×100m²=140kW.
• Na niskiej orbicie księżycowej (LLO, ok. 100 km nad powierzchnią Księżyca), odległość od Słońca jest nieznacznie większa (ok. 1% dalej niż Ziemia), ale to nie powoduje znacznych strat w efektywności paneli. Panele mogą wytwarzać około 1,35 kW/m², co daje: 1,35 kW/m²×100 m²=135 kW.

Ile silników jonowych można zasilić za pomocą paneli PV?
Silniki jonowe mają różne zapotrzebowanie na energię, w zależności od swojej wielkości i przeznaczenia. Przykłady:

• Silniki NSTAR (używane na sondzie Dawn) mają zapotrzebowanie na energię wynoszące 2,5 kW.
• Nowocześniejsze silniki jonowe, takie jak Xenon Ion Propulsion System (XIPS), mogą wymagać 4-5 kW energii elektrycznej.
• Bardzo wydajne i zaawansowane silniki, np. projektowane do misji międzyplanetarnych, mogą zużywać 10-20 kW.

Załóżmy, że panele PV na LEO generują 140 kW. Przy założeniu, że standardowy silnik jonowy wymaga średnio 5 kW mocy:  140 kW / 5 kW = 28 silników jonowych. Oznacza to, że panele o powierzchni 100 m² na LEO mogą zasilać do 28 silników jonowych o zapotrzebowaniu na moc rzędu 5 kW. Analogicznie, na LLO panele mogą dostarczyć 135 kW, co wystarczy na zasilenie 27 silników jonowych o podobnych parametrach.

Podsumowanie:

• Sprawność silników jonowych: 65-80%.
• Moc paneli fotowoltaicznych:
  - Na LEO: 140 kW (dla 100 m² paneli).
  -  Na LLO: 135 kW (dla 100 m² paneli).
• Liczba silników jonowych, które mogą być zasilane panelami PV o powierzchni 100 m²:
  - Na LEO: do 28 silników jonowych (5 kW każdy).
  - Na LLO: do 27 silników jonowych (5 kW każdy).