Czy laser może wysłać statek kosmiczny na Marsa? To jest zamierzona misja grupy z McGill University, mająca na celu spełnienie prośby NASA. Laser o szerokości 10 metrów na Ziemi ogrzewałby plazmę wodorową w komorze za statkiem kosmicznym, tworząc ciąg gazu wodorowego dla statku kosmicznego i wysyłając go na Marsa w zaledwie 45 dni. Tam spowolniłby w marsjańskiej atmosferze, dostarczając zaopatrzenie ludzkim kolonistom, a może pewnego dnia nawet dostarczając samych ludzi.
W 2018 r. NASA wezwała inżynierów do opracowania misji na Marsa, która dostarczyłaby ładunek o masie co najmniej 1000 kg w nie więcej niż 45 dni, a także odbyła dłuższe podróże w głąb Układu Słonecznego i poza nim. Krótkie terminy dostaw są motywowane chęcią zdobycia ładunków i pewnego dnia astronautów na Marsa, przy jednoczesnym zminimalizowaniu ich szkodliwych skutków galaktycznych promieni kosmicznych i burz słonecznych. SpaceX Elona Muska sugeruje, że misja człowieka na Marsa zajmie sześć miesięcy dzięki rakietom chemicznym.
Koncepcja McGilla, nazywana silnikiem laserowo-termicznym, opiera się na szeregu laserów podczerwonych zlokalizowanych na Ziemi o średnicy 10 metrów, łączących wiele niewidzialnych wiązek podczerwieni, każda o długości fali około jednego mikrona, co daje całkowitą moc 100 megawatów. Energia potrzebna dla około 80 000 gospodarstw domowych w USA. Ładunek, krążący po eliptycznej orbicie okołoziemskiej, będzie miał reflektor, który skieruje wiązkę laserową pochodzącą z Ziemi do komory grzewczej zawierającej plazmę wodorową. Po podgrzaniu jądra do 40 000 stopni Kelvina (72 000 stopni Fahrenheita), gazowy wodór przepływający wokół jądra osiągnie 10 000 K (18 000 stopni Fahrenheita) i zostanie wyrzucony przez dyszę, tworząc ciąg, który wypchnie statek z Ziemi z przerwa 58 minut. (Boczne silniki odrzutowe będą utrzymywać statek w linii z wiązką laserową, gdy Ziemia się obraca.)
Kiedy promieniowanie ustaje, ładunek zostaje zdmuchnięty z prędkością prawie 17 kilometrów na sekundę w stosunku do Ziemi — wystarczająco szybko, aby pokonać orbitę Księżyca w zaledwie osiem godzin. Gdy za półtora miesiąca osiągnie marsjańską atmosferę, nadal będzie poruszał się z prędkością 16 km/s; jednak po dotarciu na miejsce umieszczenie ładunku na 150-kilometrowej orbicie wokół Marsa będzie wyzwaniem dla zespołu inżynierów.
Jest to trudne, ponieważ ładunek nie może przenosić chemicznego paliwa, które wystrzeliłoby rakietę i spowolniłoby jej działanie — potrzebny gaz pędny zmniejszyłby masę ładunku do mniej niż 6 procent pierwotnego 1000 kg. I dopóki ludzie na Czerwonej Planecie nie zbudują równoważnej matrycy laserowej dla zbliżającego się statku, aby wykorzystać swój reflektor i komorę plazmową do zapewnienia ciągu wstecznego, przechwytywanie w powietrzu będzie jedynym sposobem na spowolnienie ładunku na Marsie.
Mimo to przechwytywanie w powietrzu lub hamowanie w powietrzu w marsjańskiej atmosferze może być ryzykownym manewrem, ponieważ statek kosmiczny doświadcza spowolnienia do 8 g (gdzie g to przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi, 9,8 m/s2), czyli mniej więcej limit ludzki , o zaledwie kilka minut, ponieważ został nakręcony podczas jednego przejazdu wokół Marsa. Duże strumienie ciepła na statku z powodu tarcia z atmosferą będą wyższe niż w przypadku tradycyjnych materiałów systemu ochrony termicznej, ale nie tych, które są aktywnie rozwijane.
Laserowo-termiczny napęd statku kosmicznego w przestrzeń kosmiczną — na Marsa i dalej — kontrastuje z innymi wcześniej proponowanymi metodami transportu, takimi jak laserowo-elektryczny napęd, w którym wiązka lasera uderza w elementy fotowoltaiczne (PV) znajdujące się za ładunkiem; silnik słoneczno-elektryczny, w którym światło słoneczne na ogniwach fotowoltaicznych tworzy przyczepność; jądrowy silnik elektryczny, w którym reaktor jądrowy wytwarza energię elektryczną, która wytwarza jony emitowane przez silnik; oraz jądrowy system napędu cieplnego, w którym ciepło z reaktora jądrowego przekształca ciecz w gaz, który jest wyrzucany z dyszy w celu wytworzenia ciągu.
„Napęd laserowo-termiczny pozwala na szybki transport 1 tony za pomocą matryc laserowych o rozmiarach do siatkówki – coś, co napęd laserowo-elektryczny może zrobić tylko w przypadku matryc klasy kilometrowej” – mówi Emmanuel Duplay, główny autor badania, który pracował nad projekt od dwóch lat w ramach letniego programu licencjackiego na studiach inżynierskich na Uniwersytecie McGill. Duplay obecnie studiuje na Uniwersytecie Technologicznym w Delft na studiach magisterskich z inżynierii lotniczej ze specjalizacją w lotach kosmicznych.Wielką zaletą koncepcji laserowo-termicznego napędu przedstawionej przez Duplay et al. jest jego ekstremalnie niski stosunek masy do mocy, w zakresie 0,001-0,010 kg/kW - "bezprecedensowy", piszą, "znacznie niższy nawet od tych podanych dla zaawansowanej technologii napędów jądrowych, ze względu na to, że źródło zasilania pozostaje on at Ziemia i dostarczany strumień można potraktować za pomocą nadmuchiwanego reflektora o małej masie.”
Laserowo-termiczny ruch został po raz pierwszy zbadany w latach 70. XX wieku przy użyciu 10,6-mikronowych laserów CO2, najpotężniejszych w tamtych czasach. Nowoczesne jednomikronowe lasery światłowodowe, które można łączyć w masowo równoległe układy fazowane o dużych efektywnych średnicach, oznaczają, że ogniskowa transferu energii jest o dwa rzędy wielkości większa - 50 000 km w laserze Duplay.
Duplay wyjaśnia, że architektura lasera z układem fazowanym jest opracowywana przez grupę kierowaną przez fizyka Philipa Lubina z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Macierz grupy Lubin wykorzystuje indywidualne wzmacniacze laserowe o mocy około 100 watów każdy – każdy wzmacniacz to prosta pętla światłowodu i diody LED jako pompy i może być tanio produkowana masowo – więc przewidziana tutaj misja na Marsa wymagałaby około 1 miliona poszczególne wzmacniacze.
Pierwsi ludzie na Marsie prawdopodobnie nie dotrą tam dzięki technologii laserowo-termicznej. „Jednakże, ponieważ coraz więcej ludzi wyrusza w podróż, aby wspierać długoterminową kolonię, będziemy potrzebować systemów napędowych, które dostarczą nas tam szybciej, choćby po to, aby uniknąć zagrożenia promieniowaniem” – mówi Duplay. Uważa, że laserowo-termiczna misja na Marsa mogłaby rozpocząć się 10 lat po pierwszych lotach człowieka, czyli około 2040 roku.
bbabo.Net