A nave estelar alcançará Marte?

Por quase 60 anos de exploração espacial, houve muitos e variados graus de elaboração de projetos de vôo para Marte e outros planetas. Mas o projeto SpaceX “Starship” (Starship) se destaca entre eles pelos seguintes motivos:

1. Iniciativa e financiamento completamente privados, pelo menos por enquanto.
2. Apesar do parágrafo anterior, um alto grau de prontidão. Uma das principais tecnologias (fase líquida reutilizável) já foi dominada , um protótipo está em construção, o motor foi testado.
3. Ambiciosidade. Não basta voar para Marte, mas começar a construir uma colônia permanente. E o navio no futuro pode transportar cem pessoas. E não apenas para Marte.
4. Falta de motores nucleares, plasma e hiperespaço . Apenas LRE apenas hardcore .

Por que "Starship" será capaz de fazer alguns motores de foguete, como de costume, sob o corte.

Reabastecimento de espaço

Uma característica fundamental do projeto Starship é o uso de recursos marcianos para produzir combustível para o voo de retorno. Esse movimento permite reduzir pela metade o colesterol de um foguete em comparação com um voo de ida e volta no mesmo posto de gasolina na mesma velocidade.


Mars Direct. O navio distante é retornável e aguardou a chegada do navio com a tripulação (próxima), gerando combustível.

Essa abordagem não é algo novo em si: a produção de metano da atmosfera marciana e hidrogênio trazido ainda estava no projeto "Mars Direct" de Robert Zubrin. O projeto Mask se destaca pelo tamanho do navio, capacidade de reutilização e alta velocidade de vôo interplanetário. Este último é uma conseqüência do fato de que, para alcançar o segundo estágio de um foguete reutilizável com a ajuda do SpaceX domina o método Falcon-9, é necessário fornecer um incremento de velocidade de cerca de 7 km / s. E como está planejado reabastecer o mesmo segundo estágio com navios-tanque reutilizáveis ​​em sua base para o vôo para Marte, faz sentido reabastecê-lo completamente e voar ao longo de uma trajetória rápida. Com o abastecimento insuficiente de combustível, o tanque de combustível não aumenta (e recarregar é mais difícil do que reabastecer, e os compartimentos não são de borracha), e os vôos dos navios-tanque são extremamente baratos. No total, estão previstos 6 lançamentos por navio: o lançamento do próprio navio e 5 reabastecimentos.


O conteúdo de hidrogênio (provavelmente na forma de gelo d'água) na camada superficial do solo marciano, de acordo com o satélite Mars Odyssey.

Portanto, resta implantar em Marte a produção de combustível metano-oxigênio a partir de recursos locais. A saber: as "águas subterrâneas" descobertas pelos satélites (provavelmente na forma de permafrost, embora também possam ser líquidas) e dióxido de carbono da atmosfera.

Fábrica de metano

Para a produção de metano, deve-se usar a reação Sabatier:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

A boa notícia é que essa reação é exotérmica, para que o calor do reator Sabatier possa ser adaptado, por exemplo, à evaporação do permafrost. O hidrogênio para a reação Sabatier e o oxigênio para o foguete deverão ser extraídos por eletrólise da água marciana e da água produzida na reação Sabatier.

De acordo com a apresentação de 2017, um posto de gasolina BFR completo consiste em 240 toneladas de metano e 860 toneladas de oxigênio. Como o material do casco mudou desde essa apresentação, mas não o motor e as leis da física, podemos assumir que a proporção de 3,58 toneladas de agente oxidante por tonelada de combustível foi preservada. Mas há uma ressalva: a quantidade de hidrogênio necessária para produzir um quilograma de metano na produção de eletrólise fornece quatro quilogramas de oxigênio. Então, em vez de 1100 toneladas, precisaremos produzir 1200. A propósito, 100 toneladas de oxigênio quando usadas no LSS serão suficientes para cerca de 100 mil homens-dia.

A eletrólise da água é um processo que consome energia, por um lado, e por outro lado, com uma instalação projetada adequadamente, possui uma eficiência de cerca de 100%. Para completar, obtemos 16 MJ por quilograma de água. Ou 18 MJ por quilograma de oxigênio produzido. Em termos de quilograma do produto final, o custo da eletrólise será de 14,4 MJ.

Para destilar água para se preparar para a eletrólise, são necessários cerca de 22 a 30 kJ por quilograma de água (o destilador em Marte pode trabalhar próximo ao ponto triplo), e a destilação é necessária apenas para a água local suja, não para o desperdício da reação Sabatier e para a condensação dos componentes em estado líquido (para oxigênio excluindo a eficiência do refrigerador dentro de 0,4 MJ / kg). Os custos do controle de temperatura dos componentes de combustível nos tanques sem conhecer o design do navio não podem ser estimados exatamente. Então, vamos assumir que precisamos de 20 MJ por quilograma do produto final. Ou +5,6 MJ para custos não relacionados à eletrólise.

Então Estimamos uma necessidade de energia de 20 MJ por quilograma de produto. Por um lado, isso é muito. Mas, por outro lado, são dois anos entre as janelas de lançamento, por isso temos muito tempo para produzir 1.200 toneladas de produto. Dois anos são cerca de 60 milhões de segundos, então a produtividade média da "planta" de combustível deve ser ... 20 gramas por segundo. Porque a "fábrica" ​​e entre aspas. O consumo médio de energia será de 400 kW.

Um reator nuclear desaparece - todas as usinas nucleares espaciais da vida real tinham uma energia elétrica duas ordens de grandeza menor que o necessário. A SpaceX também não impulsionará o desenvolvimento de uma usina nuclear com a energia específica necessária. Mas a Mask tem Tesla com a antiga Cidade Solar, produzindo painéis solares.


Usinas nucleares espaciais soviéticas. O projeto Topaz-100/40 não alcançou espaço. E todo mundo, para dizer o mínimo, não se inspira na duração da operação no modo de potência máxima

A boa notícia é que a usina de combustível não precisa de baterias de reserva. A produção de combustível de foguete está carregando a bateria. Portanto, basta calcular a área de painéis solares necessária para fornecer uma potência média de 400 kW, levando em consideração o ciclo diário médio.

Em média, durante o ano marciano, a constante solar é cerca de 600 W / m2 normal. Assumimos que os SBs simplesmente se encontram na encosta da cratera em uma posição ideal para uma dada latitude - essa também é a principal maneira de montá-los na Terra. Excluindo tempestades de poeira, 191 watts de luz (600 / pi) por metro quadrado caem em um dia marciano médio. Para explicar as tempestades, introduzimos um coeficiente de 0,7 (não conheço a meteorologia marciana, mas eles provavelmente escolherão um lugar onde haja menos poeira). Como resultado, com uma eficiência de 20%, obtemos em média 26 watts por metro quadrado por dia. Novamente, por conveniência e confiabilidade, concluímos, mas desta vez para baixo - até 20 W / m2. Para os 400 kW necessários, serão necessários 20.000 metros quadrados ou 2 hectares de painéis solares. Nos serviços modernos de segurança doméstica e pública, a gravidade específica é de cerca de 10 kg / m2. Juntamente com a caixa para montagem no telhado, na Terra, onde a pressão do vento é de magnitude superior à do marciano. Embora os projetistas desta caixa a otimizassem em termos de fabricação, não de peso. As células solares flexíveis (novamente para fins domésticos) têm uma gravidade específica de 3,5 kg / m2. Em Marte, eles podem simplesmente ser lançados no chão - a uma pressão de 6 mbar, o vento não pode carregá-los. Mas será capaz de trazer poeira que terá que ser expelida ou varrida por robôs ou pelos próprios astronautas (o Espírito teve que esperar pelo "diabo empoeirado").


Sat flexível para a terra

Mas suponha que, juntamente com os fios, nossa usina de energia solar ainda pesa 10 kg por metro. Para os 2 hectares necessários de baterias, precisamos de 200 toneladas. Apesar do fato de que, de acordo com o plano de Marte, no início dois navios não tripulados começam, e na janela seguinte - 2 cargas e 2 tripulados com uma tripulação de não mais que 10 pessoas. Um total de 6 navios e de 600 a 900 toneladas na superfície de Marte. O primeiro número é obtido partindo do pressuposto de que eles não serão capazes de atingir as 150 toneladas de tanques de carga ou não serão capazes (e 100 toneladas de mísseis no IEO já existiam). Pelo menos 3 vezes mais do que o necessário.

Mas além da fábrica de combustível, também será necessária energia ...

SJO

Primeiro, é a principal coisa (s): a Rússia não poderá deixar a SpaceX sem um banheiro espacial . O fato é que a confiabilidade do banheiro espacial soviético em comparação com o Shuttle WCS não se deveu às tecnologias ultrassecretas soviéticas, mas ao fato de os americanos complicarem seu sistema tentando automatizar o processo de evacuação de fezes para longe do astronauta. O que leva a bloqueios e outras "alegrias". Enquanto na salsicha espacial soviética-russa, o fluxo de ar apenas assegurava que as fezes fossem pressionadas contra a superfície da bolsa perfurada, que, após o uso, deve ser armazenada manualmente. No Skylab, os americanos tinham um sistema ainda mais simples, no qual a bolsa de fezes era hermética e exigia empurrar os resíduos com os dedos (usando bolsas especiais) para dentro da bolsa, mas tinha um sistema de bombeamento de urina. A SpaceX pode elevar os desenhos do banheiro Skylab (que, apesar da necessidade de manipulações adicionais com a embalagem, é ainda mais confiável que a russa) e desenvolver seu próprio análogo da união pressionando o lixo na bolsa com uma corrente de ar.


Esquema do banheiro espacial soviético. A urina passa por um cano com uma corrente de ar, as fezes permanecem no compartimento com o número 5, pressionadas por uma corrente de ar.


Serviço de transporte americano. A maior complexidade (e menor confiabilidade) do sistema está associada a uma tentativa de evacuar as fezes no mesmo fluxo que transportava a urina.

Passaremos do descarte de resíduos para outras necessidades humanas. Como pode ser visto na tabela (tirada daqui ), a necessidade de uma tripulação de 6 pessoas para um voo com duração de 500 dias (que é um pouco menor que a duração esperada da missão marciana na nave) exigirá 58 toneladas de oxigênio, comida e água. Das quais água é de 50 toneladas.



Em princípio, levando em consideração a rápida trajetória do voo “Nave Estelar” (o tempo depende do tipo de confronto, mas em média 115 dias), é possível gerenciar o suprimento de água no navio. Mas como a planta marciana ainda exige o desenvolvimento de uma tecnologia para preparar a água local para eletrólise (isto é, sua purificação e destilação), é possível se regenerar.

Os sistemas de recuperação de água desenvolvidos na URSS para a estação Mir pesavam 2,4 toneladas por tripulação de 6. No caso de usar água recuperada da urina para a produção de oxigênio por eletrólise (a massa de urina por dia coincide aproximadamente com a necessidade humana de oxigênio ao mesmo tempo), o principal consumidor será novamente o eletrolisador com seus 18 MJ por quilograma de produto. O oxigênio por pessoa por dia requer cerca de um quilograma, o que fornece à energia consumida pelo eletrolisador 208 W por pessoa. A destilação, repito, na presença de vácuo requer cerca de 22 kJ por quilograma, o que é insignificante no contexto dos custos de eletrólise, mesmo levando em consideração o maior volume de água da casa. Tendo aceitado a demanda de energia de 300 watts por pessoa, incluindo o custo de iluminação e carregamento de tablets (com mapas espaciais, sim), obtemos 30 kW para um navio de 100 lugares. Isso é apenas o dobro da fonte de alimentação dos satélites de comunicação modernos (até 15 kW por satélite). Na chegada a Marte, os custos da eletrólise da água para fornecer oxigênio são desligados - a usina de combustível já produz 100 toneladas extras de oxigênio por reabastecimento.

E radiação

O perigo dela é muito exagerado. No espaço, existem duas fontes de radiação: o Sol, que produz muitas partículas de energia relativamente baixa, mas irradia de apenas uma direção, e o GKI, "brilhando" com pequenas quantidades de partículas de alta energia de todos os lugares. Assim, você pode se proteger do Sol simplesmente pelo layout - girando compartimentos não residenciais para ele. Na verdade, isso é planejado, como evidenciado pelo menos pela localização do SB na nave estelar (veja a figura). O GKI é mais fácil de suportar, pois o voo passa por uma trajetória rápida. A dose de GKI recebida durante o vôo é, por um lado, superior às normas dos trabalhadores terrestres na indústria nuclear, mas, por outro lado, é várias vezes menor do que o necessário para o desenvolvimento de doenças crônicas de radiação.


Renderize ITS. O caso agora é diferente, mas a colocação do SB permanece a mesma.