Est-ce que Starship atteindra Mars?

Pendant près de 60 ans d'exploration spatiale, il y a eu de nombreux et divers degrés d'élaboration de projets de vol vers Mars et d'autres planètes. Mais le projet SpaceX «Starship» (Starship) se distingue parmi eux pour les raisons suivantes:

1. Initiative et financement entièrement privés, du moins pour l'instant.
2. Malgré le paragraphe précédent, un haut degré de préparation. Une des technologies clés (stade liquide réutilisable) est déjà maîtrisée , un prototype est en construction, le moteur a été testé.
3. Ambitiosité. Pas seulement voler vers Mars, mais commencer à construire une colonie permanente. Et le navire à l'avenir peut transporter une centaine de personnes. Et pas seulement vers Mars.
4. Manque de moteurs nucléaires, plasma et hyperespaces . Seul LRE uniquement hardcore .

Pourquoi "Starship" pourra faire des moteurs de fusée, comme d'habitude, sous la coupe.

Ravitaillement spatial

Une caractéristique clé du projet Starship est l'utilisation des ressources martiennes pour produire du carburant pour le vol de retour. Cette décision vous permet de réduire de moitié le cholestérol d'une fusée par rapport à un vol aller-retour dans la même station-service à la même vitesse.


Mars Direct. Le navire éloigné est consigné et a attendu l'arrivée du navire avec l'équipage (près), générant du carburant.

Une telle approche n'est pas quelque chose de nouveau en soi: la production de méthane à partir de l'atmosphère martienne et d'hydrogène apporté était encore dans le projet «Mars Direct» de Robert Zubrin. Le projet Mask se distingue par la taille du navire, sa réutilisabilité et sa grande vitesse de vol interplanétaire. Ce dernier est une conséquence du fait que pour atteindre le deuxième étage d'une fusée réutilisable à l'aide du SpaceX maîtrisé la méthode Falcon-9, il est nécessaire de prévoir un incrément de vitesse d'environ 7 km / s. Et comme il est prévu de ravitailler le même deuxième étage avec des pétroliers réutilisables à sa base pour le vol vers Mars, il est logique de le ravitailler complètement et de voler le long d'une trajectoire rapide. Du sous-remplissage de carburant, le réservoir de carburant n'augmentera pas (et le rechargement est plus difficile que le ravitaillement en carburant et les compartiments ne sont pas en caoutchouc), et les vols de pétroliers devraient être extrêmement bon marché. Au total, 6 lancements par navire sont prévus: le lancement du navire lui-même et 5 ravitaillements.


La teneur en hydrogène (très probablement sous forme de glace d'eau) dans la couche superficielle du sol martien selon le satellite Mars Odyssey.

Il reste donc à déployer sur Mars la production de méthane-oxygène à partir des ressources locales. A savoir: les "nappes phréatiques" découvertes par les satellites (très probablement sous forme de pergélisol, bien qu'il puisse aussi être liquide) et le dioxyde de carbone de l'atmosphère.

Usine de méthane

Pour la production de méthane, il est censé utiliser la réaction de Sabatier:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

La bonne nouvelle est que cette réaction est exothermique, de sorte que la chaleur du réacteur Sabatier peut être adaptée, par exemple, à l'évaporation du pergélisol. L'hydrogène pour la réaction de Sabatier et l'oxygène pour la fusée devront être extraits par électrolyse de l'eau martienne et de l'eau produite dans la réaction de Sabatier.

Selon la présentation de 2017, une station-service BFR complète se compose de 240 tonnes de méthane et 860 tonnes d'oxygène. Depuis que le matériau de la coque a changé depuis cette présentation, mais pas le moteur et les lois de la physique, on peut supposer que la proportion de 3,58 tonnes d'agent oxydant par tonne de carburant a été préservée. Mais il y a une mise en garde: la quantité d'hydrogène nécessaire pour produire un kilogramme de méthane dans la production d'électrolyse donne quatre kilogrammes d'oxygène. Ainsi, au lieu de 1100 tonnes, nous aurons besoin d'en produire 1200. Soit dit en passant, 100 tonnes d'oxygène utilisées dans le LSS suffiront pour environ 100 000 jours-homme.

L'électrolyse de l'eau est un processus énergivore d'une part, et d'autre part, avec une installation correctement conçue, elle a une efficacité d'environ 100%. Pour arrondir, nous obtenons 16 MJ par kilogramme d'eau. Ou 18 MJ par kilogramme d'oxygène produit. En termes de kilogramme du produit final, le coût de l'électrolyse sera de 14,4 MJ.

La distillation d'eau en préparation pour l'électrolyse nécessite environ 22-30 kJ par kilogramme d'eau (le distillateur sur Mars peut fonctionner près du point triple), et la distillation n'est requise que pour l'eau locale sale, pas les déchets de la réaction de Sabatier, et la condensation des composants à l'état liquide (pour l'oxygène hors efficacité du réfrigérateur à moins de 0,4 MJ / kg). Les coûts du contrôle de la température des composants du carburant dans les réservoirs sans connaître la conception du navire ne peuvent pas être estimés exactement. Nous supposerons donc simplement que nous avons besoin de 20 MJ par kilogramme de produit final. Ou +5,6 MJ pour les coûts non liés à l'électrolyse.

Alors. Nous avons estimé un besoin énergétique de 20 MJ par kilogramme de produit. D'une part, c'est beaucoup. Mais d'un autre côté, c'est deux ans entre les fenêtres de lancement, nous avons donc tellement de temps pour produire 1 200 tonnes de produit. Deux ans représentent environ 60 millions de secondes, donc la productivité moyenne de la "centrale" à combustible devrait être de ... 20 grammes par seconde. Parce que "l'usine" et entre guillemets. La consommation électrique moyenne sera de 400 kW.

Un réacteur nucléaire disparaît - toutes les centrales nucléaires spatiales réelles avaient une puissance électrique de deux ordres de grandeur inférieure à celle requise. SpaceX ne tirera pas non plus le développement d'une centrale nucléaire avec la puissance spécifique requise. Mais le Masque a Tesla avec l'ancienne Solar City, produisant des panneaux solaires.


Centrales nucléaires spatiales soviétiques. Le projet Topaz-100/40 n'a pas atteint l'espace. Et tout le monde, pour le moins, n'est pas inspiré par la durée de fonctionnement en mode puissance maximale

La bonne nouvelle est que l'usine de combustible n'a pas besoin de batteries tampons. La production de carburant de fusée est la charge de la batterie. Il suffit donc de calculer uniquement la surface de panneaux solaires nécessaire pour fournir une puissance moyenne de 400 kW, en tenant compte du cycle quotidien moyen.

En moyenne, pendant l'année martienne, la constante solaire est d'environ 600 W / m2 normale. Nous supposons que les SB se trouvent simplement sur la pente du cratère dans une position optimale pour une latitude donnée - c'est également le principal moyen de les monter sur Terre. Hors tempêtes de poussière, 191 watts de lumière (600 / pi) par mètre carré tombent sur une journée martienne moyenne. Pour tenir compte des tempêtes, nous introduisons un coefficient de 0,7 (je ne connais pas la météorologie martienne, mais ils choisiront probablement un endroit où il y a moins de poussière). En conséquence, avec une efficacité de 20%, nous obtenons 26 watts par mètre carré en moyenne par jour. Encore une fois, pour plus de commodité et de fiabilité, nous arrondissons, mais cette fois vers le bas - jusqu'à 20 W / m2. Pour les 400 kW requis, 20 000 mètres carrés ou 2 hectares de panneaux solaires seront nécessaires. Dans les services modernes de sécurité domestique et publique, la densité est d'environ 10 kg / m2. Avec la boîte pour le montage sur le toit, sur Terre, où la pression du vent est des ordres de grandeur plus forte que le Martien. Alors que les concepteurs de cette boîte l'ont optimisée pour la fabrication, pas pour le poids. Les cellules solaires flexibles (toujours à usage domestique) ont une densité de 3,5 kg / m2. Sur Mars, ils peuvent simplement être déployés au sol - à une pression de 6 mbar, le vent ne peut pas les emporter. Mais il pourra apporter de la poussière qui devra être emportée ou emportée par des robots ou par les astronautes eux-mêmes (Spirit devait attendre le «diable poussiéreux»).


Sat flexible pour la Terre

Mais supposons, avec les fils, que notre centrale solaire pèse toujours 10 kg par mètre. Pour les 2 hectares de batteries nécessaires, nous avons besoin de 200 tonnes. Malgré le fait que, selon le plan sur Mars, au début, 2 navires sans pilote commencent, et dans la fenêtre suivante - 2 cargaisons et 2 avec un équipage de 10 personnes maximum. Un total de 6 navires et de 600 à 900 tonnes à la surface de Mars. Le premier chiffre est obtenu à partir de l'hypothèse qu'ils ne pourront pas atteindre les 150 tonnes de citernes à cargaison ou ne le pourront pas (et 100 tonnes de missiles à l'IEO existaient complètement). Au moins 3 fois plus que nécessaire.

Mais en plus de l'usine de carburant, de l'énergie sera également nécessaire ...

SJO

Premièrement, c'est l'essentiel: la Russie ne pourra pas quitter SpaceX sans toilettes spatiales . Le fait est que la fiabilité des toilettes spatiales soviétiques par rapport au WCS navette n'est pas due à des technologies top-secrètes soviétiques, mais au fait que les Américains ont compliqué leur système en essayant d'automatiser le processus d'évacuation des matières fécales loin de l'astronaute. Ce qui conduit à des blocages et autres "joies". Alors que dans les saucisses spatiales soviéto-russes, le flux d'air garantissait seulement que les excréments étaient pressés contre la surface du sac perforé, qui, après utilisation, devait être stocké à la main. Sur le Skylab, les Américains avaient un système encore plus simple dans lequel le sac de matières fécales était étanche à l'air et nécessitait de pousser les déchets avec vos doigts (en utilisant des sacs spéciaux) plus profondément dans le sac, mais il avait un système de pompage d'urine. SpaceX peut à la fois relever les dessins des toilettes Skylab (qui, malgré le besoin de manipulations supplémentaires avec le paquet, est encore plus fiable que la russe) et développer son propre analogue de l'union en pressant les déchets sur le sac avec un flux d'air.


Schéma des toilettes spatiales soviétiques. L'urine passe à travers un tuyau avec un flux d'air, les matières fécales restent dans le compartiment avec le numéro 5, pressées par un flux d'air.


Navette toilettes américaines. La plus grande complexité (et la fiabilité plus faible) du système est associée à une tentative d'évacuation des matières fécales dans le même flux qui transportait l'urine.

Nous passerons de l'élimination des déchets à d'autres besoins humains. Comme le montre le tableau (extrait d'ici ), la nécessité d'un équipage de 6 personnes pour un vol de 500 jours (ce qui est légèrement inférieur à la durée prévue de la mission martienne sur le Starship) nécessitera 58 tonnes d'oxygène, de nourriture et d'eau. Dont l'eau est de 50 tonnes.



En principe, compte tenu de la trajectoire rapide du vol «Starship» (le temps dépend du type d'affrontement, mais en moyenne 115 jours), il est possible de gérer l'approvisionnement en eau du navire. Mais comme l'usine martienne nécessite encore le développement d'une technologie de préparation de l'eau locale pour l'électrolyse (c'est-à-dire sa purification et sa distillation), il est possible de se régénérer.

Les systèmes de récupération d'eau développés en URSS pour la station Mir pesaient 2,4 tonnes par équipage de 6 personnes. Dans le cas de l'utilisation d'eau récupérée dans l'urine pour la production d'oxygène par électrolyse (la masse d'urine par jour coïncide à peu près avec les besoins humains en oxygène en même temps), le principal consommateur sera à nouveau l'électrolyseur avec ses 18 MJ par kilogramme de produit. L'oxygène par personne et par jour nécessite environ un kilogramme, ce qui donne la puissance consommée par l'électrolyseur 208 W par personne. La distillation, je le répète, en présence de vide nécessite environ 22 kJ par kilogramme, ce qui est négligeable dans le contexte des coûts d'électrolyse, même en tenant compte du plus grand volume d'eau domestique. Après avoir accepté la demande d'énergie de 300 watts par personne, y compris le coût de l'éclairage et du chargement des tablettes (avec des cartes spatiales, oui), nous obtenons 30 kW pour un navire de 100 places. Cela ne représente que le double de l'alimentation des satellites de communication modernes (jusqu'à 15 kW par satellite). À son arrivée sur Mars, les coûts de l'électrolyse de l'eau pour fournir de l'oxygène sont coupés - l'usine de combustible produit déjà 100 tonnes supplémentaires d'oxygène par ravitaillement.

Et le rayonnement

Son danger est grandement exagéré. Dans l'espace, il y a deux sources de rayonnement: le Soleil, qui donne beaucoup de particules à relativement faible énergie, mais rayonne dans une seule direction, et le GKI, "brillant" avec de petites quantités de particules à haute énergie de partout. En conséquence, vous pouvez vous protéger du soleil simplement en agençant - en y tournant des compartiments non résidentiels. En fait, cela est prévu, comme en témoigne au moins l'emplacement du SB sur le Starship (voir photo). GKI est plus facile à supporter, car le vol suit une trajectoire rapide. La dose de GKI reçue pendant le vol est d'une part plus élevée que les normes des travailleurs terrestres de l'industrie nucléaire, mais d'autre part elle est plusieurs fois inférieure à ce qui est requis pour le développement d'une maladie radiologique, même chronique.


Rendre ensuite ITS. Le cas est maintenant différent, mais l'emplacement du SB reste le même.