Wird das Raumschiff den Mars erreichen?

Während fast 60 Jahren Weltraumforschung wurden Flugprojekte zum Mars und zu anderen Planeten in unterschiedlichem Maße ausgearbeitet. Das SpaceX-Projekt „Starship“ (Starship) zeichnet sich jedoch aus folgenden Gründen aus:

1. Völlig private Initiative und Finanzierung, zumindest vorerst.
2. Trotz des vorigen Absatzes ein hohes Maß an Bereitschaft. Eine der Schlüsseltechnologien (wiederverwendbare Flüssigkeitsstufe) wurde bereits beherrscht , ein Prototyp befindet sich im Bau, der Motor wurde getestet.
3. Ehrgeiz. Fliegen Sie nicht nur zum Mars, sondern bauen Sie eine permanente Kolonie auf. Und das Schiff kann in Zukunft hundert Menschen befördern. Und nicht nur zum Mars.
4. Mangel an Kern-, Plasma- und Hyperraummotoren . Nur LRE nur Hardcore .

Warum "Starship" in der Lage sein wird, wie üblich einige Raketentriebwerke unter dem Schnitt zu machen.

Raumtankung

Ein wesentliches Merkmal des Starship-Projekts ist die Verwendung von Marsressourcen zur Herstellung von Treibstoff für den Rückflug. Mit dieser Bewegung können Sie das Cholesterin einer Rakete im Vergleich zu einem Hin- und Rückflug an derselben Tankstelle mit derselben Geschwindigkeit tatsächlich halbieren.


Mars Direct. Das entfernte Schiff kann zurückgegeben werden und wartet mit der Besatzung (in der Nähe) auf die Ankunft des Schiffes, wodurch Kraftstoff erzeugt wird.

Ein solcher Ansatz ist an sich nichts Neues: Die Produktion von Methan aus der Marsatmosphäre und des eingebrachten Wasserstoffs war noch im Projekt „Mars Direct“ von Robert Zubrin enthalten. Das Maskenprojekt zeichnet sich durch die Größe des Schiffes, die Wiederverwendbarkeit und die hohe Geschwindigkeit des interplanetaren Fluges aus. Letzteres ist eine Folge der Tatsache, dass zum Erreichen der zweiten Stufe eines wiederverwendbaren Flugkörpers mit der Rettung der ersten Stufe gemäß der von SpaceX entwickelten Falcon-9-Methode ein Geschwindigkeitsinkrement in der Größenordnung von 7 km / s erforderlich ist. Und da geplant ist, dieselbe zweite Stufe mit wiederverwendbaren Tankern an ihrer Basis für den Flug zum Mars zu betanken, ist es sinnvoll, sie vollständig zu tanken und auf einer schnellen Flugbahn davonzufliegen. Durch die Unterfüllung des Kraftstoffs steigt der Kraftstofftank nicht an (und die Beladung ist schwieriger zu tanken, und die Abteile sind nicht aus Gummi), und die Flüge der Tanker sollen extrem billig sein. Insgesamt sind 6 Starts pro Schiff geplant: der Start des Schiffes selbst und 5 Betankungen.


Der Wasserstoffgehalt (höchstwahrscheinlich in Form von Wassereis) in der Oberflächenschicht des Marsbodens gemäß dem Satelliten Mars Odyssey.

Es bleibt also, die Produktion von Methan-Sauerstoff-Kraftstoff aus lokalen Ressourcen auf dem Mars einzusetzen. Nämlich: das von den Satelliten entdeckte "Grundwasser" (höchstwahrscheinlich in Form von Permafrost, obwohl es flüssig sein kann) und Kohlendioxid aus der Atmosphäre.

Methanfabrik

Für die Methanproduktion soll die Sabatier-Reaktion verwendet werden:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

Die gute Nachricht ist, dass diese Reaktion exotherm ist, so dass die Wärme aus dem Sabatier-Reaktor beispielsweise an die Permafrostverdampfung angepasst werden kann. Wasserstoff für die Sabatier-Reaktion und Sauerstoff für die Rakete müssen durch Elektrolyse von Marswasser und Wasser, das bei der Sabatier-Reaktion erzeugt wird, extrahiert werden.

Laut der Präsentation von 2017 besteht eine vollständige BFR-Tankstelle aus 240 Tonnen Methan und 860 Tonnen Sauerstoff. Da sich das Material des Rumpfes seit dieser Präsentation geändert hat, nicht jedoch der Motor und die Gesetze der Physik, können wir davon ausgehen, dass der Anteil von 3,58 Tonnen Oxidationsmittel pro Tonne Kraftstoff erhalten geblieben ist. Es gibt jedoch eine Einschränkung: Die Menge an Wasserstoff, die zur Herstellung eines Kilogramms Methan bei der Herstellung der Elektrolyse erforderlich ist, ergibt vier Kilogramm Sauerstoff. Anstelle von 1100 Tonnen müssen wir also 1200 produzieren. Übrigens reichen 100 Tonnen Sauerstoff bei Verwendung in der LSS für etwa 100.000 Manntage.

Die Wasserelektrolyse ist einerseits ein energieverbrauchender Prozess und hat andererseits bei einer richtig ausgelegten Installation einen Wirkungsgrad von etwa 100%. Aufgerundet erhalten wir 16 MJ pro Kilogramm Wasser. Oder 18 MJ pro Kilogramm produziertem Sauerstoff. In Kilogramm des Endprodukts betragen die Kosten für die Elektrolyse 14,4 MJ.

Um Wasser zur Vorbereitung der Elektrolyse zu destillieren, werden etwa 22 bis 30 kJ pro Kilogramm Wasser benötigt (der Destillierer auf dem Mars kann in der Nähe des Tripelpunkts arbeiten). Die Destillation ist nur für schmutziges lokales Wasser erforderlich, nicht für die Verschwendung der Sabatier-Reaktion und die Kondensation der Komponenten in einen flüssigen Zustand (für Sauerstoff) ohne den Wirkungsgrad des Kühlschranks innerhalb von 0,4 MJ / kg). Die Kosten für die Temperaturregelung der Kraftstoffkomponenten in den Tanks ohne Kenntnis des Schiffsdesigns können nicht genau geschätzt werden. Wir gehen also einfach davon aus, dass wir 20 MJ pro Kilogramm des Endprodukts benötigen. Oder +5,6 MJ für Kosten, die nicht mit der Elektrolyse zusammenhängen.

Also. Wir haben einen Energiebedarf von 20 MJ pro Kilogramm Produkt geschätzt. Einerseits ist das viel. Andererseits sind es zwei Jahre zwischen den Startfenstern, sodass wir so viel Zeit haben, um 1.200 Tonnen Produkt zu produzieren. Zwei Jahre sind ungefähr 60 Millionen Sekunden, daher sollte die durchschnittliche Produktivität der Brennstoffanlage ... 20 Gramm pro Sekunde betragen. Weil die "Fabrik" und in Anführungszeichen. Der durchschnittliche Stromverbrauch beträgt 400 kW.

Ein Kernreaktor verschwindet - alle realen Weltraumkernkraftwerke hatten eine um zwei Größenordnungen geringere elektrische Leistung als erforderlich. SpaceX wird auch nicht die Entwicklung eines Kernkraftwerks mit der erforderlichen spezifischen Leistung vorantreiben. Aber die Maske hat Tesla mit der ehemaligen Solar City, die Sonnenkollektoren produziert.


Sowjetische Weltraumkernkraftwerke. Das Topaz-100/40-Projekt erreichte keinen Weltraum. Und jeder, um es milde auszudrücken, lässt sich nicht von der Betriebsdauer im Maximum-Power-Modus inspirieren

Die gute Nachricht ist, dass die Brennstoffanlage keine Pufferbatterien benötigt. Die Produktion von Raketentreibstoff erfolgt durch Batterieladung. Es reicht also aus, nur die Fläche der Solarmodule zu berechnen, die für eine durchschnittliche Leistung von 400 kW unter Berücksichtigung des durchschnittlichen Tageszyklus erforderlich ist.

Während des Marsjahres beträgt die Sonnenkonstante im Durchschnitt etwa 600 W / m2. Wir gehen davon aus, dass die SBs einfach in einer für einen bestimmten Breitengrad optimalen Position am Hang des Kraters liegen - dies ist auch die Hauptmethode, um sie auf der Erde zu montieren. Ohne Staubstürme fallen an einem durchschnittlichen Mars-Tag 191 Watt Licht (600 / pi) pro Quadratmeter. Um die Stürme zu berücksichtigen, führen wir einen Koeffizienten von 0,7 ein (ich kenne die Marsmeteorologie nicht, aber sie werden wahrscheinlich einen Ort wählen, an dem es weniger Staub gibt). Als Ergebnis erhalten wir mit einem Wirkungsgrad von 20% durchschnittlich 26 Watt pro Quadratmeter pro Tag. Aus Gründen der Bequemlichkeit und Zuverlässigkeit runden wir erneut ab, diesmal jedoch bis zu 20 W / m2. Für die erforderlichen 400 kW werden 20.000 Quadratmeter oder 2 Hektar Sonnenkollektoren benötigt. In modernen Haushalten und öffentlichen Sicherheitsdiensten beträgt das spezifische Gewicht etwa 10 kg / m2. Zusammen mit der Box zur Montage auf dem Dach, auf der Erde, wo der Winddruck um Größenordnungen stärker ist als beim Mars. Während die Designer dieser Box sie auf Herstellbarkeit und nicht auf Gewicht optimierten. Flexible Solarzellen (ebenfalls für Haushaltszwecke) haben ein spezifisches Gewicht von 3,5 kg / m2. Auf dem Mars können sie einfach auf dem Boden ausgerollt werden - bei einem Druck von 6 mbar kann der Wind sie nicht wegtragen. Aber es wird in der Lage sein, Staub zu bringen, der von Robotern oder von den Astronauten selbst weggeblasen oder weggefegt werden muss (Spirit musste auf den „staubigen Teufel“ warten).


Flexibler Sat für die Erde

Nehmen wir jedoch an, unser Solarkraftwerk wiegt zusammen mit den Drähten immer noch 10 kg pro Meter. Für die benötigten 2 Hektar Batterien benötigen wir 200 Tonnen. Trotz der Tatsache, dass nach dem Plan auf dem Mars zu Beginn 2 unbemannte Schiffe starten und im nächsten Fenster 2 Frachtschiffe und 2 mit einer Besatzung von nicht mehr als 10 Personen besetzt sind. Insgesamt 6 Schiffe und 600 bis 900 Tonnen auf der Marsoberfläche. Die erste Zahl ergibt sich aus der Annahme, dass sie die 150 Tonnen Ladetanks nicht erreichen können oder können (und 100 Tonnen Raketen am IEO vollständig vorhanden waren). Mindestens dreimal mehr als erforderlich.

Neben der Kraftstofffabrik wird aber auch Energie benötigt ...

SJO

Erstens ist es die Hauptsache (n): Russland wird SpaceX nicht ohne Weltraumtoilette verlassen können. Tatsache ist, dass die Zuverlässigkeit der sowjetischen Weltraumtoilette im Vergleich zum Shuttle-WCS nicht auf streng geheimen sowjetischen Technologien beruhte, sondern auf der Tatsache, dass die Amerikaner ihr System komplizierten, indem sie versuchten, den Prozess der Evakuierung von Kot vom Astronauten weg zu automatisieren. Was zu Blockaden und anderen "Freuden" führt. In der sowjetisch-russischen Weltraumwurst sorgte der Luftstrom nur dafür, dass Kot gegen die Oberfläche des perforierten Beutels gedrückt wurde, der nach Gebrauch von Hand gelagert werden muss. Auf dem Skylab hatten die Amerikaner ein noch einfacheres System, bei dem der Kotbeutel luftdicht war und die Abfallprodukte mit den Fingern (unter Verwendung spezieller Beutel) tiefer in den Beutel gedrückt werden mussten, aber es gab ein Urinpumpsystem. SpaceX kann sowohl die Zeichnungen der Skylab-Toilette (die trotz der Notwendigkeit zusätzlicher Manipulationen mit der Verpackung noch zuverlässiger ist als die russische) anheben als auch ein eigenes Analogon der Vereinigung entwickeln, bei der Abfall mit einem Luftstrom in den Beutel gedrückt wird.


Schema der sowjetischen Weltraumtoilette. Der Urin fließt durch ein Rohr mit einem Luftstrom, der Kot verbleibt im Fach mit der Nummer 5, das von einem Luftstrom gedrückt wird.


Shuttle amerikanische Toilette. Die größere Komplexität (und geringere Zuverlässigkeit) des Systems ist mit dem Versuch verbunden, Kot in demselben Strom zu evakuieren, in dem sich Urin befand.

Wir werden von der Abfallentsorgung zu anderen menschlichen Bedürfnissen übergehen. Wie aus der Tabelle ( von hier aus ersichtlich) hervorgeht, benötigt die Besatzung von 6 Personen für einen Flug von 500 Tagen (was etwas weniger als die erwartete Dauer der Marsmission auf dem Raumschiff ist) 58 Tonnen Sauerstoff, Nahrung und Wasser. Davon sind 50 Tonnen Wasser.



Unter Berücksichtigung der schnellen Flugbahn des "Raumschiff" -Flugs (die Zeit hängt von der Art der Konfrontation ab, aber durchschnittlich 115 Tage) ist es grundsätzlich möglich, die Wasserversorgung auf dem Schiff zu steuern. Da die Marsanlage jedoch noch die Entwicklung einer Technologie zur Aufbereitung von lokalem Wasser für die Elektrolyse (d. H. Reinigung und Destillation) erfordert, ist eine Regeneration möglich.

In der UdSSR für die Mir-Station entwickelte Wasserrückgewinnungssysteme wogen 2,4 Tonnen pro 6-köpfiger Besatzung. Bei der Verwendung von aus Urin gewonnenem Wasser zur Erzeugung von Sauerstoff durch Elektrolyse (die Masse des Urins pro Tag entspricht ungefähr dem menschlichen Sauerstoffbedarf gleichzeitig) wird der Hauptverbraucher wiederum der Elektrolyseur mit seinen 18 MJ pro Kilogramm Produkt sein. Sauerstoff pro Person und Tag benötigt ungefähr ein Kilogramm, was die vom Elektrolyseur verbrauchte Leistung von 208 W pro Person ergibt. Ich wiederhole, die Destillation in Gegenwart von Vakuum erfordert etwa 22 kJ pro Kilogramm, was vor dem Hintergrund der Elektrolysekosten vernachlässigbar ist, selbst unter Berücksichtigung des größeren Haushaltswasservolumens. Nachdem wir den Energiebedarf von 300 Watt pro Person einschließlich der Kosten für Beleuchtung und Aufladen von Tablets (mit Weltraumkarten, ja) akzeptiert haben, erhalten wir 30 kW für ein 100-Sitzer-Schiff. Dies ist nur doppelt so viel wie die Stromversorgung moderner Kommunikationssatelliten (bis zu 15 kW pro Satellit). Bei der Ankunft auf dem Mars werden die Kosten für die Wasserelektrolyse zur Bereitstellung von Sauerstoff abgeschaltet - die Brennstoffanlage produziert bereits 100 zusätzliche Tonnen Sauerstoff pro Betankung.

Und Strahlung

Ihre Gefahr ist stark übertrieben. Im Weltraum gibt es zwei Strahlungsquellen: die Sonne, die viele Partikel mit relativ niedriger Energie liefert, aber nur aus einer Richtung strahlt, und das GKI, das mit kleinen Mengen von Partikeln mit hoher Energie von überall "scheint". Dementsprechend können Sie sich einfach durch Layout vor der Sonne schützen - indem Sie Nichtwohnabteile darauf drehen. Tatsächlich ist dies geplant, wie zumindest die Position des SB auf dem Raumschiff zeigt (siehe Bild). GKI ist leichter zu ertragen, da der Flug auf einer schnellen Flugbahn verläuft. Die während des Fluges erhaltene GKI-Dosis ist einerseits höher als die Normen der irdischen Arbeiter in der Atomindustrie, andererseits ist sie um ein Vielfaches niedriger als die, die für die Entwicklung selbst einer chronischen Strahlenkrankheit erforderlich ist.


Rendern Sie dann ITS. Der Fall ist jetzt anders, aber die Platzierung des SB bleibt gleich.