¿La nave espacial llegará a Marte?

Durante casi 60 años de exploración espacial, hubo muchos y diversos grados de elaboración de proyectos de vuelo a Marte y otros planetas. Pero el proyecto SpaceX "Starship" (Starship) se destaca entre ellos por las siguientes razones:

1. Iniciativa y financiación completamente privadas, al menos por ahora.
2. A pesar del párrafo anterior, un alto grado de preparación. Ya se ha dominado una de las tecnologías clave (etapa líquida reutilizable), se está construyendo un prototipo, se ha probado el motor.
3. Ambición No solo vuela a Marte, sino que comienza a construir una colonia permanente. Y el barco en el futuro puede transportar a cien personas. Y no solo a Marte.
4. Falta de motores nucleares, de plasma e hiperespaciales . Solo LRE solo hardcore .

Por qué "Starship" podrá hacer algunos motores de cohetes, como de costumbre, debajo del corte.

Reabastecimiento de espacio

Una característica clave del proyecto Starship es el uso de recursos marcianos para producir combustible para el vuelo de regreso. Este movimiento le permite reducir a la mitad el colesterol de un cohete en comparación con un vuelo de ida y vuelta en la misma estación de servicio a la misma velocidad.


Mars Direct. El barco distante es retornable y esperó la llegada del barco con la tripulación (cerca), generando combustible.

Tal enfoque no es algo nuevo en sí mismo: la producción de metano a partir de la atmósfera marciana y el hidrógeno traído todavía estaba en el proyecto "Mars Direct" de Robert Zubrin. El proyecto Máscara se distingue por el tamaño de la nave, la reutilización y la alta velocidad del vuelo interplanetario. Esto último es una consecuencia del hecho de que para alcanzar la segunda etapa de un misil reutilizable con el rescate de la primera etapa de acuerdo con el método Falcon-9 desarrollado por SpaceX, se requiere un incremento de velocidad del orden de 7 km / s. Y dado que se planea reabastecer de combustible la misma segunda etapa con tanques reutilizables en su base para el vuelo a Marte, tiene sentido reabastecerlo por completo y volar a lo largo de una trayectoria rápida. Por el llenado insuficiente de combustible, el tanque de combustible no aumentará (y la recarga es más difícil que el reabastecimiento de combustible, y los compartimentos no son de goma), y se planea que los vuelos de los petroleros sean extremadamente baratos. En total, se planean 6 lanzamientos por barco: el lanzamiento del barco en sí y 5 reabastecimiento de combustible.


El contenido de hidrógeno (muy probablemente en forma de hielo de agua) en la capa superficial del suelo marciano según el satélite Mars Odyssey.

Por lo tanto, queda por desplegar en Marte la producción de combustible de metano y oxígeno a partir de recursos locales. A saber: el "agua subterránea" descubierta por los satélites (muy probablemente en forma de permafrost, aunque también puede ser líquido) y dióxido de carbono de la atmósfera.

Fábrica de metano

Para la producción de metano se supone que debe usar la reacción Sabatier:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

La buena noticia es que esta reacción es exotérmica, por lo que el calor del reactor Sabatier se puede adaptar, por ejemplo, a la evaporación del permafrost. El hidrógeno para la reacción Sabatier y el oxígeno para el cohete deberán extraerse por electrólisis del agua marciana y el agua producida en la reacción Sabatier.

Según la presentación de 2017, una estación de servicio BFR completa consta de 240 toneladas de metano y 860 toneladas de oxígeno. Dado que el material del casco ha cambiado desde esa presentación, pero no el motor y las leyes de la física, podemos suponer que se ha preservado la proporción de 3.58 toneladas de agente oxidante por tonelada de combustible. Pero hay una advertencia: la cantidad de hidrógeno requerida para producir un kilogramo de metano en la producción de electrólisis da cuatro kilogramos de oxígeno. Entonces, en lugar de 1100 toneladas, tendremos que producir 1200. Por cierto, 100 toneladas de oxígeno cuando se usan en el LSS serán suficientes durante aproximadamente 100 mil días-hombre.

La electrólisis del agua es un proceso que consume energía, por un lado, y por otro lado, con una instalación diseñada adecuadamente, tiene una eficiencia de aproximadamente el 100%. Redondeando obtenemos 16 MJ por kilogramo de agua. O 18 MJ por kilogramo de oxígeno producido. En términos de kilogramo del producto final, el costo de la electrólisis será de 14.4 MJ.

Para destilar agua para prepararse para la electrólisis, se necesitan aproximadamente 22-30 kJ por kilogramo de agua (el destilador en Marte puede trabajar cerca del punto triple), y la destilación se requiere solo para agua local sucia, no el desperdicio de la reacción Sabatier, y la condensación de los componentes en un estado líquido (para oxígeno excluyendo la eficiencia del refrigerador dentro de 0.4 MJ / kg). Los costos del control de temperatura de los componentes de combustible en los tanques sin conocer el diseño del barco no pueden estimarse exactamente. Asumiremos que necesitamos 20 MJ por kilogramo del producto final. O +5,6 MJ para costos no relacionados con la electrólisis.

Entonces Estimamos un requerimiento de energía de 20 MJ por kilogramo de producto. Por un lado, esto es mucho. Pero, por otro lado, han pasado dos años entre las ventanas de lanzamiento, por lo que tenemos tanto tiempo para producir 1.200 toneladas de producto. Dos años son aproximadamente 60 millones de segundos, por lo que la productividad promedio de la "planta" de combustible debería ser ... 20 gramos por segundo. Porque la "fábrica" ​​y entre comillas. El consumo medio de energía será de 400 kW.

Desaparece un reactor nuclear: todas las centrales nucleares espaciales de la vida real tenían una potencia eléctrica dos órdenes de magnitud inferior a la requerida. SpaceX tampoco logrará el desarrollo de una planta de energía nuclear con la potencia específica requerida. Pero la Máscara tiene Tesla con la antigua Ciudad Solar, que produce paneles solares.


Plantas de energía nuclear espaciales soviéticas. El proyecto Topaz-100/40 no llegó al espacio. Y todos, por decirlo suavemente, no están inspirados por la duración de la operación en modo de máxima potencia

La buena noticia es que la planta de combustible no necesita baterías de protección. La producción de combustible para cohetes es la carga de la batería. Por lo tanto, es suficiente calcular solo el área de paneles solares requerida para proporcionar una potencia promedio de 400 kW, teniendo en cuenta el ciclo diario promedio.

En promedio, durante el año marciano, la constante solar es aproximadamente 600 W / m2 normal. Suponemos que los SB simplemente se encuentran en la pendiente del cráter en una posición óptima para una latitud dada; esta es también la forma principal de montarlos en la Tierra. Excluyendo las tormentas de polvo, 191 vatios de luz (600 / pi) por metro cuadrado caen en un día marciano promedio. Para tener en cuenta las tormentas, introducimos un coeficiente de 0.7 (no conozco la meteorología marciana, pero probablemente elegirán un lugar donde haya menos polvo). Como resultado, con una eficiencia del 20%, obtenemos 26 vatios por metro cuadrado en promedio por día. Nuevamente, por conveniencia y confiabilidad, redondeamos, pero esta vez hacia abajo, hasta 20 W / m2. Para los 400 kW requeridos, se necesitarán 20,000 metros cuadrados o 2 hectáreas de paneles solares. En los servicios modernos de seguridad doméstica y pública, la gravedad específica es de aproximadamente 10 kg / m2. Junto con la caja para montar en el techo, en la Tierra, donde la presión del viento es de órdenes de magnitud más fuerte que la marciana. Mientras que los diseñadores de esta caja lo optimizaron para fabricabilidad, no para peso. Las células solares flexibles (nuevamente para fines domésticos) tienen una gravedad específica de 3.5 kg / m2. En Marte, simplemente se pueden desplegar en el suelo: a una presión de 6 mbar, el viento no puede llevárselos. Pero podrá traer polvo que tendrá que ser arrastrado o arrastrado por robots o por los propios astronautas (Spirit tuvo que esperar al "demonio polvoriento").


Sat flexible para la tierra

Pero supongamos que, junto con los cables, nuestra planta de energía solar todavía pesa 10 kg por metro. Para las 2 hectáreas de baterías requeridas, necesitamos 200 toneladas. A pesar del hecho de que según el plan en Marte, al principio comienzan 2 naves no tripuladas, y en la siguiente ventana: 2 de carga y 2 tripuladas con una tripulación de no más de 10 personas. Un total de 6 barcos y de 600 a 900 toneladas en la superficie de Marte. La primera cifra se obtiene de la suposición de que no podrán alcanzar las 150 toneladas de tanques de carga o que no podrán hacerlo (y que existían 100 toneladas de misiles en el IEO por completo). Al menos 3 veces más de lo requerido.

Pero además de la fábrica de combustible, también se requerirá energía ...

SJO

Primero, es lo más importante: Rusia no podrá abandonar SpaceX sin un inodoro espacial . El hecho es que la confiabilidad del inodoro espacial soviético en comparación con el Shuttle WCS se debió no a tecnologías de alto secreto soviético, sino al hecho de que los estadounidenses complicaron su sistema al tratar de automatizar el proceso de evacuación de las heces del astronauta. Lo que conduce a bloqueos y otras "alegrías". Mientras que en la salchicha espacial soviética-rusa, el flujo de aire solo aseguraba que las heces se presionen contra la superficie de la bolsa perforada, que, después del uso, debe almacenarse a mano. En el Skylab, los estadounidenses tenían un sistema aún más simple en el que la bolsa de heces era hermética y requería empujar los productos de desecho con los dedos (usando bolsas especiales) más adentro de la bolsa, pero tenía un sistema de bombeo de orina. SpaceX puede elevar los dibujos del inodoro Skylab (que, a pesar de la necesidad de manipulaciones adicionales con el paquete, es aún más confiable que el ruso) y desarrollar su propio análogo de la unión presionando los desechos a la bolsa con una corriente de aire.


Esquema del baño espacial soviético. La orina pasa a través de una tubería con una corriente de aire, las heces permanecen en el compartimento con el número 5, presionadas por una corriente de aire.


Shuttle inodoro americano. La mayor complejidad (y menor confiabilidad) del sistema se asocia con un intento de evacuar las heces en la misma corriente que transportaba la orina.

Pasaremos de la eliminación de desechos a otras necesidades humanas. Como se puede ver en la tabla (tomada de aquí ), la necesidad de una tripulación de 6 personas para un vuelo de 500 días (que es ligeramente menor que la duración esperada de la misión marciana en la nave espacial) requerirá 58 toneladas de oxígeno, alimentos y agua. De los cuales el agua es de 50 toneladas.



En principio, teniendo en cuenta la rápida trayectoria del vuelo "Starship" (el tiempo depende del tipo de confrontación, pero en promedio 115 días), es posible administrar el suministro de agua en el barco. Pero dado que la planta marciana aún requiere el desarrollo de una tecnología para preparar el agua local para la electrólisis (es decir, su purificación y destilación), es posible regenerarse.

Los sistemas de recuperación de agua desarrollados en la URSS para la estación Mir pesaban 2,4 toneladas por tripulación de 6. En el caso de usar agua recuperada de la orina para la producción de oxígeno por electrólisis (la masa de orina por día coincide aproximadamente con la necesidad humana de oxígeno al mismo tiempo), el principal consumidor será nuevamente el electrolizador con sus 18 MJ por kilogramo de producto. El oxígeno por persona por día requiere aproximadamente un kilogramo, lo que le da a la energía consumida por el electrolizador 208 W por persona. La destilación, repito, en presencia de vacío requiere aproximadamente 22 kJ por kilogramo, lo que es insignificante en el contexto de los costos de electrólisis, incluso teniendo en cuenta el mayor volumen de agua doméstica. Habiendo aceptado la demanda de energía de 300 vatios por persona, incluido el costo de iluminación y carga de tabletas (con mapas espaciales, sí), obtenemos 30 kW para un barco de 100 plazas. Esto es solo el doble de la fuente de alimentación de los satélites de comunicación modernos (hasta 15 kW por satélite). A su llegada a Marte, los costos de la electrólisis del agua para proporcionar oxígeno están apagados: la planta de combustible ya produce 100 toneladas adicionales de oxígeno por reabastecimiento.

Y la radiación

Su peligro es muy exagerado. En el espacio, hay dos fuentes de radiación: el Sol, que da muchas partículas de energía relativamente baja, pero irradia desde una sola dirección, y el GKI, "brilla" con pequeñas cantidades de partículas de alta energía de todas partes. En consecuencia, puede protegerse del sol simplemente mediante el diseño, volviéndole compartimientos no residenciales. En realidad, esto está planeado, como lo demuestra al menos la ubicación de la SB en la nave espacial (ver imagen). GKI es más fácil de soportar, ya que el vuelo pasa a lo largo de una trayectoria rápida. La dosis de GKI recibida durante el vuelo es, por un lado, más alta que las normas de los trabajadores terrenales en la industria nuclear, pero por otro lado, es varias veces menor de lo que se requiere para el desarrollo de enfermedades por radiación incluso crónicas.


Render entonces SU. El caso ahora es diferente, pero la ubicación del SB sigue siendo la misma.