Môže laser poslať kozmickú loď na Mars? Toto je zamýšľaná misia skupiny z McGill University, ktorá má splniť požiadavku NASA. 10-metrový laser na Zemi by zohrial vodíkovú plazmu v komore za kozmickou loďou, čím by vytvoril ťah vodíkového plynu pre kozmickú loď a poslal by ju na Mars len za 45 dní. Tam by sa to v marťanskej atmosfére spomalilo, doručilo by zásoby ľudským kolonistom alebo možno jedného dňa aj samotných ľudí.
V roku 2018 NASA vyzvala inžinierov, aby vyvinuli misiu na Mars, ktorá by doručila užitočné zaťaženie najmenej 1 000 kg za nie viac ako 45 dní, ako aj dlhšie cesty hlboko do slnečnej sústavy a mimo nej. Krátke dodacie lehoty sú motivované túžbou dostať náklad a niekedy aj astronautov na Mars a zároveň minimalizovať ich škodlivé účinky galaktického kozmického žiarenia a slnečných búrok. SpaceX Elona Muska naznačuje, že ľudská misia na Mars bude trvať šesť mesiacov s jej raketami na chemickej báze.
McGillov koncept, nazývaný laser-termálny motor, je založený na sústave infračervených laserov umiestnených na Zemi s priemerom 10 metrov, ktoré kombinujú mnoho neviditeľných infračervených lúčov, každý s vlnovou dĺžkou asi jeden mikrón, s celkovým výkonom 100 megawattov. Energia potrebná pre približne 80 000 domácností v USA. Užitočné zaťaženie obiehajúce po eliptickej strednej obežnej dráhe Zeme bude mať reflektor, ktorý nasmeruje laserový lúč prichádzajúci zo Zeme do vykurovacej komory obsahujúcej vodíkovú plazmu. Po zahriatí jeho jadra na 40 000 stupňov Kelvina (72 000 stupňov Fahrenheita) dosiahne plynný vodík prúdiaci okolo jadra 10 000 K (18 000 stupňov Fahrenheita) a bude vytlačený cez trysku, čím sa vytvorí ťah, ktorý vytlačí loď zo Zeme interval 58 minút. (Bočné trysky udržia loď v súlade s laserovým lúčom, keď sa Zem otáča.)
Keď sa radiácia zastaví, náklad je odfúknutý rýchlosťou takmer 17 kilometrov za sekundu vzhľadom na Zem – dostatočne rýchlo na to, aby pokryl obežnú vzdialenosť Mesiaca za iba osem hodín. Keď za mesiac a pol dosiahne marťanskú atmosféru, bude stále cestovať rýchlosťou 16 km/s; akonáhle tam však budú, umiestnenie nákladu na 150 km obežnú dráhu okolo Marsu bude pre inžiniersky tím výzvou.
Je to zložité, pretože užitočné zaťaženie nemôže niesť chemické palivo na vypustenie rakety, aby sa spomalila - potrebné palivo by znížilo hmotnosť užitočného nákladu na menej ako 6 percent z pôvodných 1 000 kg. A kým ľudia na červenej planéte nedokážu postaviť ekvivalentné laserové pole pre blížiacu sa loď, aby využili svoj reflektor a plazmovú komoru na poskytnutie spätného ťahu, aerocapture bude jediným spôsobom, ako spomaliť užitočné zaťaženie na Marse.
Aj tak môže byť aerocapture alebo aerobraking v marťanskej atmosfére riskantným manévrom, keďže kozmická loď zažije spomalenie až 8 g (kde g je zrýchlenie spôsobené gravitáciou na zemskom povrchu, 9,8 m/s2), čo je zhruba ľudský limit, len o pár minút, keďže bol natočený pri jednom prelete okolo Marsu. Veľké tepelné toky na lodi v dôsledku trenia o atmosféru budú vyššie ako tradičné materiály systému tepelnej ochrany, ale nie tie, ktoré sú v aktívnom vývoji.
Laserový tepelný pohon kozmickej lode do hlbokého vesmíru – Mars a ďalej – kontrastuje s inými predtým navrhovanými dopravnými metódami, ako je laserový elektrický pohon, pri ktorom laserový lúč zasiahne fotovoltaické (PV) prvky za nákladom; solárno-elektrický motor, v ktorom slnečné svetlo na fotovoltaických článkoch vytvára trakciu; jadrový elektrický motor, v ktorom jadrový reaktor vyrába elektrinu, ktorá produkuje ióny emitované motorom; a jadrový tepelný pohonný systém, v ktorom teplo z jadrového reaktora premieňa kvapalinu na plyn, ktorý sa vytláča z dýzy na generovanie ťahu.
„Laserový tepelný pohon umožňuje rýchlu prepravu 1 tony s laserovými poľami veľkosti volejbalu – niečo, čo laserový elektrický pohon dokáže len s poľami kilometrovej triedy,“ hovorí Emmanuel Duplay, hlavný autor štúdie, ktorý pracoval na projekt na dva roky.roky v rámci bakalárskeho letného programu inžinierskeho štúdia na McGill University. Duplay v súčasnosti študuje na Technickej univerzite v Delfte na magisterskom programe v odbore letecké inžinierstvo so špecializáciou na vesmírne lety.Veľkou výhodou laserovo-tepelného konceptu pohonu prezentovaného Duplayom a spol. je jeho extrémne nízky pomer hmotnosti k výkonu, v rozsahu 0,001-0,010 kg/kW – „bezprecedentný“, píšu, „hlboko pod tými, ktoré sú udávané pre pokročilú technológiu jadrového pohonu, pretože zdroj energie zostáva zachovaný na zemi a privádzaný prúd môžu byť ošetrené nízkohmotným nafukovacím reflektorom.“
Laser-tepelný pohyb bol prvýkrát študovaný v 70-tych rokoch minulého storočia pomocou 10,6-mikrónových CO2 laserov, v tom čase najvýkonnejších. Moderné jednomikrónové lasery z optických vlákien, ktoré je možné kombinovať do masívne paralelných fázovaných polí s veľkými efektívnymi priemermi, znamenajú, že ohnisková vzdialenosť prenosu energie je o dva rády vyššia – 50 000 km v laseri Duplay.
Duplay vysvetľuje, že fázovú laserovú architektúru vyvíja skupina vedená fyzikom Philipom Lubinom z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare. Pole skupiny Lubin používa jednotlivé laserové zosilňovače, každý s výkonom približne 100 wattov - každý zosilňovač je jednoduchá slučka z vlákna a LED ako pumpa a dá sa hromadne vyrábať lacno - takže misia na Mars by si vyžadovala rádovo 1 milión jednotlivé zosilňovače.
Prví ľudia na Marse sa tam pravdepodobne nedostanú laserovo-tepelnou technológiou. "Avšak, keď viac ľudí podnikne cestu, aby podporili dlhodobú kolóniu, budeme potrebovať pohonné systémy, ktoré nás tam dostanú rýchlejšie, už len preto, aby sme sa vyhli riziku radiácie," hovorí Duplay. Verí, že laserovo-tepelná misia na Mars by sa mohla začať 10 rokov po prvých letoch ľudí, teda okolo roku 2040.
bbabo.Net