Napęd jonowy: Idea "lecimy dalej - na Marsa" w kolejce wyborczej US

Polityka, USA

Kamala Harris trzyma się mocno w sondażach

Przesłanka: Słaby kosmiczny efekt Elona Muska w idei kampanii wyborczej Donalda Trumpa.

Gdy Donald Trump był prezydentem Stanów Zjednoczonych, to wprowadził ideę misji flagowej amerykańskich astronautów na Marsa. Lot w obie strony. W die tej misji poinformowano prezydenta, że jest ona, poglądowo ujmując, sto razy trudniejszy, niż misja astronautów na Księżyc, m.in. z powodu promieniowania kosmicznego oraz spełnienia wymagań biologicznych dla astronautów w dłuższym okresie czasu.

Elon Musk postawił na napęd chemiczny. Czy zatem Donald Trump powinien zaprezentować w kampanii wyborczej plakat misji flagowej w oparciu o kosmolot z napędem jonowym? W tym ułożeniu idea tego napędu jest lepsza dla gospodarki US. Potrzebuje, np. metody SMR (small modular reactor czyli mały, modułowy reaktor jądrowy). Wzrostu efektywności paneli PV. I może korzystna byłaby w tym idea "puszka Snafu", np. być może do gromadzenia energii w kontekście do układa chłodnicze reaktora oraz magazynu energii w powiązaniu do paneli PV? Napęd jonowy w idei jest długodystansowy. Postęp związany jest urządzeniami, tj. satelity i sondy kosmiczne. Jego technologia i technika to, m.in. zagadnienie masy - jej nośników (jonów) oraz szybkości ich rozpędzenia i wyrzucenia z napędu. Ponadto dostępności do tego rodzaju nośnika masy, aby można było uzyskać jony. W takim kosmolocie nie ma spalania paliwa. Metoda napędu jonowego nie nadaje się do wynoszenia na orbitę wokołoziemską oraz lądowania na Księżycu czy na  Marsie i startu z jego powierzchni. Pojazd kosmiczny z napędem jonowym jest korzystny do ruchu w przestrzeni kosmicznej. I zapewne mógłby być zbudowany na orbicie LEO (wokołoziemska), jak ISS? Natomiast rakieta z napędem chemicznym korzystna jest do startu z powierzchni i lądowania na powierzchnia ciała niebieskiego.
//Idea "puszka Snafu" - zbiornik wypełniony cząsteczkami wody oraz elektronami z działa elektronowego.//

Kosmolot z napędem jonowym to elektryczny pojazd kosmiczny (electric spaceship).
Czy kosmolot z napędem jonowym wymaga większego współdziałania, niż Starship?
Czy kosmolot z napędem jonowym wymaga większego zaangażowania gospodarki?
Czy kosmolot z napędem jonowym stanowiłby kreatywne zaproszenie wyborców US?
Jaki napęd, taka idea. Donald Trump nie podpisał misji flagowej, bo nie było napędu.

Elon Musk konstruuje potężną rakietę z napędem chemicznym do wielu zadań. W idei rakieta Starship jest największa i najpotężniejsza na świecie. Drugi jej stopień to Starship - będący statkiem kosmicznym. Jednak w tej idei ruchu w przestrzeni kosmicznej to "chemiczny dinozaur". Ostatni gatunek ewolucji.

*
Idea:
We wszechświecie rozszerzającej się przestrzeni niemożliwy jest kosmolot szybszy od światła.
Zatem trzeba zatrzymać rozszerzanie się przestrzeni wszechświata, aby kosmolot był możliwy.
Elektroenergetyka w przestrzeni kosmicznej to istotne zagadnienie w pojazdach kosmicznych.

Ilustracja ChatGPT

*
1. ChatGPT:
Czy Starship może zrealizować misję flagową na Marsa i powrócić na Ziemię?

Odpowiedź: W teorii tak, Starship jest projektowany z myślą o takich misjach. Zakładając, że następujące warunki zostaną spełnione:

• Tankowanie na LEO jest operacyjne i efektywne.
• ISRU na Marsie umożliwia produkcję paliwa na miejscu.
  ISRU (In-Situ Resource Utilization): Choć teoretycznie proces Sabatiera pozwala na produkcję metanu i tlenu na Marsie, jego praktyczna realizacja w dużej skali wciąż wymaga przetestowania i rozwinięcia na Marsie. Bez ISRU misja powrotna byłaby niemożliwa.
  
• Starship jest w stanie lądować na Marsie i wrócić z powrotem na Ziemię.
  

Starship może być wykorzystany do misji flagowej załogowej na Marsa. Jednak wiele technologii wymaganych do tego celu (głównie ISRU i tankowanie na LEO) wciąż jest w fazie rozwoju. Gdy te technologie będą w pełni operacyjne, Starship stanie się jednym z najważniejszych narzędzi w realizacji marsjańskich misji załogowych.

2. ChatGPT: Ogólnie rzecz biorąc, silniki jonowe mogą działać przez wiele lat bez przerwy, pod warunkiem, że mają dostęp do paliwa oraz energii elektrycznej.

3. ChatGPT:
Zagadnienie: Oszacuj masę całkowitą kosmolotu oraz parametry napędu jonowego dla tego pojazdu kosmicznego do misji flagowej pięciu astronautów na Marsa z LEO i powrót na LEO.

Odpowiedź: Oszacowanie masy kosmolotu oraz parametrów napędu jonowego dla misji na Marsa i z powrotem na LEO (Low Earth Orbit) z pięcioma astronautami wymaga rozważenia kilku kluczowych aspektów, takich jak całkowita masa pojazdu, zapotrzebowanie na energię, wymagania dotyczące ciągu i czas trwania misji. Przeanalizujmy to krok po kroku, aby oszacować realistyczne parametry:

1. Całkowita masa kosmolotu

Masa kosmolotu składa się z kilku elementów:

A. Moduł załogowy i ładunek

• Załoga: Pięciu astronautów wymaga sprzętu do życia (systemy podtrzymywania życia, zapasy żywności, wody, tlenu).
  - Zakładając, że misja trwa około 500 dni (9 miesięcy w jedną stronę plus 3 miesiące na Marsie), potrzebne będzie około 5 kg zapasów dziennie na osobę.
  - Zapas na 500 dni: 5 kg × 5 astronautów × 500 dni = 12500 kg (12,5 tony).
• Moduł załogowy: Szacowana masa modułu załogowego z systemami podtrzymywania życia, ekranowaniem radiacyjnym, systemami komunikacyjnymi, kabinami itp. wynosi od 20 do 40 ton.

B. Zapas ksenonu (paliwo)
Silniki jonowe są bardzo efektywne w wykorzystaniu paliwa, ale dla długiej podróży na Marsa z powrotem będzie potrzebna spora ilość ksenonu.

C. Masa samego pojazdu

• Struktura pojazdu, osłony termiczne, panele słoneczne, systemy zasilania: około 30-50 ton.

Podsumowanie masy kosmolotu bez paliwa:

• Moduł załogowy: ~ 20–40 ton
• Zapasy dla załogi: ~12,5 ton
• Struktura i systemy: ~30-50 ton

Całkowita masa pojazdu bez paliwa: 60–100 ton.

2. Parametry napędu jonowego

A. Silnik jonowy

Silniki jonowe charakteryzują się wysoką wydajnością (impulsem właściwym - Isp), ale generują niski ciąg, co wymaga długich okresów działania.

• Impuls właściwy (Isp): Zazwyczaj w zakresie 3000-10 000 s.
• Ciąg: Niski, rzędu milinewtonów na kilowat (mN/kW). Silniki jonowe na potrzeby misji Marsjańskich, jak NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster), generują ok. 236 mN ciągu przy mocy 6,9 kW i impulsie właściwym 4 190 s.

B. Energia potrzebna do napędu

• Zakładając, że potrzebna będzie moc od 100 do 200 kW, system zasilania musiałby być odpowiednio duży.
• Panele słoneczne lub reaktory jądrowe mogłyby być stosowane jako źródło energii. Panele słoneczne musiałyby mieć dużą powierzchnię, ponieważ w przestrzeni międzyplanetarnej intensywność promieniowania słonecznego spada.

C. Zużycie ksenonu
Dla przykładu, misja NASA Dawn zużyła 425 kg ksenonu na około 50 000 godzin pracy silnika jonowego (przy impulsie właściwym około 3000 s). Oznacza to bardzo efektywne zużycie paliwa, ale podróż na Marsa będzie wymagała większych ilości.

• Na podróż do Marsa i z powrotem może być potrzebne od 20 do 50 ton ksenonu, w zależności od masy pojazdu i czasu trwania misji.

3. Szczegóły misji
Zakładając misję, w której kosmolot startuje z LEO, przyspiesza w kierunku Marsa, spędza kilka miesięcy na orbicie Marsa, a następnie wraca na Ziemię, całkowity czas misji wyniósłby około 2,5 roku.

• Trajektoria Hohmanna wymaga około 9 miesięcy podróży w jedną stronę.
• Misja na Marsa mogłaby trwać 3-6 miesięcy na orbicie lub powierzchni Marsa.
• Powrót na Ziemię: kolejne 9 miesięcy.

Podsumowanie:
Oszacowanie masy i parametrów kosmolotu wyglądałoby następująco:

1. Całkowita masa kosmolotu:

• Moduł załogowy i zapasy: ~50–70 ton
• Paliwo (ksenon): ~20–50 ton
• Struktura pojazdu: ~30–50 ton
• Razem: od 100 do 170 ton na LEO.

2. Napęd jonowy:

• Ciąg: około 0,5-1 N (z kilku jednostek silników jonowych).
• Impuls właściwy: 4000-5000 sekund.
• Moc wymagana: 100–200 kW (np. z reaktora jądrowego lub paneli słonecznych).
• Zużycie paliwa: ~20-50 ton ksenonu.

Jest to ogólne oszacowanie, które może się zmieniać w zależności od precyzyjnych parametrów misji i rozwiązań technologicznych (np. zastosowania reaktorów jądrowych czy lepszych silników jonowych).