Não, você não precisa de 50 km / s de delta ve. Você precisa de tecnologias aditivas (parte 1)

O vôo espacial ainda é caro. Mesmo se considerarmos o aparentemente otimista demais, a capacidade de lançar uma transportadora totalmente reutilizável de 100 a 150 toneladas por US $ 7 milhões - obtemos cerca de US $ 50 por quilograma de carga útil. Um voo para a Lua ou Marte usando o mesmo StarShip aumentará o custo mínimo de entrega de carga em cerca de 6 vezes (serão adicionados 5 reabastecedores) para ~ US $ 300 por quilograma.

Normalmente, a partir de tais cálculos, conclui-se que a exploração espacial industrial é impossível sem o desenvolvimento de fontes de energia fundamentalmente novas ou mesmo movimentos não reativos ou a descoberta de algo muito valioso no espaço. É apenas que negligencia o fato de que a maioria dos corpos celestes no Sistema Solar tem uma velocidade de fuga muito menor do que na Terra, onde nós, em teoria, importaríamos as minas, e a Terra tem uma atmosfera que retarda naves espaciais e cápsulas balísticas sem gastar massa reativa.

KAPV e um resumo de uma série de artigos

Gás vespen insuficiente

A ideia de que seria bom conseguir combustível para o voo de volta há muito tempo. Atrevo-me a sugerir que, na ficção científica, isso não era novidade na década de 1960. Mas talvez R. Zubrin, no projeto Mars Direct, tenha sido o primeiro a decidir promovê-lo como base de uma missão tripulada promissora. Depois veio Elon Musk, que decidiu aceitar o sim e tentar fazê-lo (trabalho em andamento).

É curioso que na produção de combustível a partir de recursos locais por eletrólise ou pela reação de Sabatier, os NRE em fase sólida se tornem economicamente desvantajosos. Sim, o NRE do metano tem um impulso específico aproximadamente o dobro do LRE do metano-oxigênio (veja o livro "Navios interplanetários elétricos" ou o jogo Filhos de uma Terra Morta). Isso é apenas para cada quilograma de metano, o reator Sabatier fornece 4 quilogramas de oxigênio. O excesso de combustível é normalmente usado no motor de foguete de propulsor líquido, mas, por exemplo, no caso do Raptor e Zvezdolet, 240 toneladas de metano são responsáveis ​​por 860 toneladas de oxigênio.



No gráfico, as colunas azuis correspondem às massas finais de quatro foguetes com uma velocidade característica (também conhecida como delta ve) de 5 km / se reservas de combustível equivalentes em custos de energia à síntese de 1100 toneladas de metano-oxigênio. As colunas amarelas são a carga útil menos a massa do foguete, desde que cada tecnologia tenha 0,1 tonelada de estrutura por tonelada de combustível. Laranja - carga útil, considerando a densidade do combustível (metano-oxigênio - 20 toneladas por tonelada de foguete, metano - 15 toneladas, hidrogênio-oxigênio - 10 toneladas, núcleo - 5 toneladas). Um delta de 5 km / s foi obtido por ser a segunda velocidade espacial de Marte. No caso da Lua e seus 2,5 km / s, a vantagem dos foguetes químicos será ainda mais acentuada.

Como pode ser visto no gráfico, o metano-oxigênio supera o restante das tecnologias sem opções devido à maior massa inicial. Um motor propulsor nuclear de metano poderia argumentar com um motor de foguete de propulsor líquido hidrogênio-oxigênio, somente se o metano puder ser sintetizado, haverá algo para reabastecer um motor de foguete de propulsor líquido de metano. Para que o NRE de metano e hidrogênio seja capaz de compensar o uso de apenas parte dos produtos da usina de combustível, eles precisam de um impulso específico de aproximadamente 10 e 30 km / s, respectivamente. Conclusão: para o transporte espacial usando fontes extraterrestres do fluido de trabalho, os NREs em fase sólida são pouco promissores. Somente os motores de fase gasosa podem ter algum interesse, mesmo nos melhores momentos de otimismo nuclear, papéis que não avançaram ainda mais. O metano-oxigênio é um par mais preferível que o hidrogênio-oxigênio; no entanto, se não houver depósitos de carbono no corpo celeste, você precisará usar o que é.

Minerais insuficientes

Então Queremos construir uma planta na Lua que envie algo útil para a Terra a um custo aceitável. No começo, você precisa calcular esse mesmo custo.



O roteiro do espaço cislúnico. Retirado daqui .

De acordo com o esquema, para um vôo de um ponto baixo próximo à Terra até o primeiro ponto de Lagrange, precisamos de 3,7 km / s delta ve. E outros 2,5 km / s para pouso. Uma nave estelar totalmente carregada pousará na Lua sem carga útil com 130 toneladas de combustível. Depois de carregar ~ 50 toneladas de regolito no navio, ainda teremos uma reserva de deltas para voar para a Terra. Considerando que o custo da expedição, juntamente com o lançamento dos navios-tanque, foi de US $ 50 milhões (o próprio Mask prometeu "como o Falcon-1 devido à reutilização", ou seja, 5-7 milhões por voo), obtemos 1000 dólares por quilograma de regolito. O que é curioso, a preços e volumes de entrega, já é bastante realista negociar simplesmente com regolito por lembranças e material educacional para as universidades.

Mas na Terra, ninguém extrai minerais, tendo voado para um campo puro de helicóptero e deixado tudo o que há de ruim nele. Em vez disso, a infraestrutura de transporte e mineração está sendo construída no início. Se considerarmos a mesma nave estelar como uma infraestrutura de transporte, teremos um gargalo na forma de +1000 $ / kg para o transporte. Em princípio, você pode conviver com isso se encontrar algo que pode ser empurrado por mais de US $ 2000 / kg (levando em consideração os custos de transporte e uma margem diferente de zero). E essas substâncias existem - veja a lista de preços [1]. O ULA em sua economia CisLunar queria levar materiais para a construção de satélites e usinas de energia solar em baixa órbita terrestre. Mas ainda tente expandir o gargalo.

Expandiremos o gargalo otimizando o transporte. Do ponto de vista da Lua, o sistema de ônibus espaciais Starship não é o ideal - um navio reutilizável mergulha constantemente no cascalho, de onde deve ser retirado e, ao mesmo tempo, leva combustível para voos no mesmo poço. Além disso, na lua, provavelmente há água, a constante solar é duas vezes mais alta que em Marte, na ausência de nuvens. Nas crateras de impacto, podem ser encontrados metais, incluindo ferro. O último é conveniente, pois pode ser digitalizado a partir de um satélite em um campo magnético e selecionado a partir do regolito.

Você pode lançar carga da Lua para a Terra das seguintes maneiras:

1. Foguetes alimentados por recursos locais.
2. Pistola eletromagnética.
3. De alguma forma mais.

Vamos pensar na primeira opção, considerando que a NASA não se enganou à custa da água. Segundo os dados mais recentes, a água no Polo Norte é de pelo menos 600 milhões de toneladas [2], de modo que o esgotamento desse recurso em um futuro próximo não ameaça.

Um míssil pode ser construído no local ou importado da Terra. Na primeira modalidade, o uso único é possível, no segundo apenas reutilizável. Nos dois casos, é necessário dominar a produção de cápsulas balísticas descartáveis ​​a partir de recursos locais.

Considere a opção de um foguete "import". 2 toneladas de peso seco, 14 temperadas. Pior que o Centaurus, com 20 toneladas de hidrogênio-oxigênio por 2 toneladas de massa seca, mas o Centaurus não tem pernas para pousar na lua. Sem PN, o reboque terá um delta de 8,5 km / s, o suficiente para um pouso na lua no lançamento com uma EOD. No qual o barco lançará a mesma "nave estelar" do PN associado. De volta à Terra, o navio poderá empurrar uma cápsula balística de 10 toneladas e retornar vazia.

O custo de uma viagem de rebocador será igual ao custo de construir um rebocador e colocá-lo na EOD dividido pelo número de usos. Para o primeiro, os mesmos US $ 50-60 milhões parecem ser uma estimativa completamente adequada de cima - esse valor está na mesma ordem do custo do lançamento de um Falcon-9 inteiro ou da fabricação de uma cápsula Dragon. De acordo com [3], o motor RL-10 no início dos anos 60 poderia funcionar até 2,5 horas com 50 reinicializações, após melhorias que poderiam durar mais de 11 horas, infelizmente não havia informações sobre o número de partidas. Mas sabe-se que o J-2 resistiu a 103 partidas e 6,5 horas de operação, e os engenheiros se cansaram :) Portanto, o recurso de 50 voos no motor não parece fantástico. No total, temos cerca de um milhão de dólares para um voo de rebocador. Em um vôo, o rebocador chuta uma cápsula de 10 toneladas em direção à Terra, assumindo que a cápsula tenha um "fator de preenchimento" de apenas 50%, obtemos um milhão por 5 toneladas ou US $ 200 por quilograma. Cinco vezes menos que a nave estelar. O mais interessante é que, se em vez da nave estelar for lançado um rebocador com o habitual Falcon-9 com um estágio usado e um retorno de estágio, o preço aumentará apenas para US $ 400 mil por tonelada.

Mas toda a criação de um posto de gasolina não estragará? Sim, e junto com a produção de cápsulas balísticas e a produção de terras raras. Sobre isso na sequência, a seguir.

Referências:

[1] http://www.infogeo.ru/metalls/price/?act=show&okp
[2] https://www.nasa.gov/mission_pages/Mini-RF/multimedia/feature_ice_like_deposits.html
[3] https://history.nasa.gov/SP-4221/ch6.htm