Lidar com a gravidade em lançamentos espaciais não é uma tarefa fácil. Foguetes convencionais são muito caros, geram muitos detritos e, na prática, são muito perigosos. Felizmente, a ciência não para e surgem cada vez mais caminhos alternativos que nos prometem formas mais eficientes, menos caras e mais seguras de conquistar o espaço sideral. Hoje vamos falar sobre como a humanidade vai voar para o espaço no futuro.
Mas antes de começar, deve ser ressaltado que os motores a jato químicos (CRM), que agora são usados como base para todos os lançamentos espaciais, são uma ferramenta crítica para o desenvolvimento do setor espacial, portanto, seu uso continuará por mais de uma dezena de anos até que haja descobriram e, o mais importante, testaram repetidamente uma tecnologia capaz de fornecer uma transição indolor para um nível fundamentalmente novo de lançamentos e voos espaciais.
Mas já agora, quando o custo dos lançamentos pode chegar a várias centenas de milhões de dólares, fica claro que o HRD é um beco sem saída. Veja o último Sistema de Lançamento Espacial como exemplo. É este sistema que é considerado pela agência aeroespacial NASA como a base para a exploração do espaço profundo. Os especialistas calcularam que o custo de um lançamento do SLS será de cerca de US $ 500 milhões. Agora que o espaço passou a ser não só uma questão de estados, mas também de empresas privadas, alternativas mais baratas começaram a ser oferecidas. Por exemplo, o Falcon Heavy da SpaceX custará cerca de US $ 83 milhões para ser lançado. Mas ainda é muito, muito caro. E ainda não tocamos na questão da ecologia dos lançamentos espaciais baseados no CRD, que, sem dúvida, causam danos significativos ao meio ambiente.
A boa notícia é que cientistas e engenheiros já estão propondo formas e métodos alternativos de lançamentos espaciais, e alguns deles têm potencial para se tornarem tecnologias eficazes nas próximas décadas. Todas essas alternativas podem ser resumidas em várias categorias: tipos alternativos de lançamento de jato, sistemas de transporte estacionário e dinâmico e sistemas de ejeção. Claro, eles não unem todas as ideias propostas, mas neste artigo iremos analisar as mais promissoras.
Tipos alternativos de lançamento de jato
Impulso do jato laser
Redirecionamento de fluxo de plasma para aumentar o impulso
Vídeo promocional:
Os mísseis em uso hoje requerem grandes quantidades de propelentes sólidos ou líquidos e, na maioria das vezes, seu alcance e eficácia são limitados pela quantidade de combustível que podem carregar. No entanto, existe uma opção que irá superar essas limitações no futuro. A solução pode ser instalações especiais de laser que enviarão foguetes ao espaço.
Os físicos russos Yuri Rezunkov do Instituto para o Desenvolvimento de Instrumentos Optoeletrônicos e Alexander Schmidt do Ioffe Physicotechnical Institute descreveram recentemente o processo de "ablação a laser", segundo o qual o impulso de uma aeronave seria gerado usando radiação laser gerada por um dispositivo a laser fora da nave espacial. Como resultado da exposição a esta radiação, o material da superfície receptora será queimado e um fluxo de plasma será criado. Esse fluxo fornecerá o impulso necessário, capaz de acelerar a espaçonave a velocidades dezenas de vezes maiores que a velocidade do som.
Se omitirmos toda a natureza fantástica deste método, antes de criar tal sistema, será necessário resolver dois problemas: o laser neste caso deve ser incrivelmente potente. Tão poderoso que pode literalmente vaporizar metal a uma distância de várias centenas de quilômetros. Daí outro problema - este laser pode ser usado como uma arma para destruir outras espaçonaves.
Lançamentos estratosféricos e aviões espaciais
Menos conceitual e mais realista parece ser o método de lançamento de espaçonaves com a ajuda de poderosos tratores aéreos especiais para transporte de carga.
Quem disse que o método da Virgin Galactic só poderia ser usado para turismo espacial? A empresa planeja usar seu dispositivo LauncherOne como um sistema de transporte para lançar satélites compactos pesando até 100 quilos na órbita da Terra. Considerando a velocidade com que os sistemas espaciais são miniaturizados agora, a ideia é muito interessante.
Outros exemplos de um sistema de lançamento são a espaçonave XCOR Aerospace Lynx Mark III (foto acima) e a espaçonave Orbital Sciences Pegasus II (foto abaixo).
Uma das vantagens dos lançamentos espaciais do espaço aéreo é que os foguetes não precisam viajar por uma atmosfera muito densa. Como resultado, a carga no próprio dispositivo diminuirá. Além disso, a aeronave é muito mais fácil de iniciar. É menos suscetível às mudanças climáticas atmosféricas. No final das contas, a funcionalidade de tais lançamentos abre mais possibilidades em termos de escala selecionável.
Os aviões espaciais são outra opção. Essas aeronaves reutilizáveis serão semelhantes ao ônibus espacial aposentado e ao Buran, mas, ao contrário deste último, não exigirão o uso de enormes veículos de lançamento para o lançamento em órbita. Um dos projetos mais promissores e avançados a esse respeito é o avião espacial britânico British Skylon (foto acima) - uma aeronave de estágio único para entrar em órbita. O impulso do jato da espaçonave será gerado por dois motores a jato de ar, que irão acelerá-la a uma velocidade 5 vezes maior que a velocidade do som e elevá-la a uma altitude de quase 30 quilômetros. No entanto, isso é apenas 20 por cento da velocidade e altitude exigidas para a caminhada no espaço, então o avião espacial mudará para o chamado "modo de foguete" depois de atingir o teto de altitude.
Infelizmente, ainda existem muitas dificuldades tecnológicas no caminho para a implementação deste projeto que ainda não foram resolvidas. Por exemplo, espera-se que os aviões espaciais enfrentem uma mudança não planejada em sua trajetória de ascensão devido a altas pressões dinâmicas e temperaturas extremas, que inevitavelmente afetarão as partes mais sensíveis da aeronave. Em outras palavras, esses aviões espaciais podem ser perigosos.
Outro exemplo de aviões espaciais em desenvolvimento é o Dream Chaser, desenvolvido pela Sierra Nevada Corporation para a agência aeroespacial da NASA (foto acima).
Sistemas de transporte estacionários e dinâmicos
Se não forem máquinas voadoras, então grandes estruturas que se elevam a alturas incríveis ou mesmo direto para o espaço são a solução.
Por exemplo, Geoffrey Landis, cientista e escritor de ficção científica, propôs a ideia de construir uma torre gigante, cujo topo atingiria os limites da atmosfera terrestre. Localizado a cerca de 100 quilômetros acima da superfície da Terra, pode ser usado como plataforma de lançamento de foguetes convencionais. Nessa altitude, os foguetes praticamente não precisam lidar com nenhum impacto da atmosfera terrestre.
Outra opção de construção que tem chamado a atenção de muitos representantes da comunidade científica e pseudocientífica é o elevador espacial. Na verdade, essa ideia remonta ao século XIX. A versão moderna propõe esticar um cabo resistente a uma altitude de 35.400 quilômetros (que está além da localização da maioria dos satélites de comunicação) acima da superfície da Terra. Após a realização de todo o balanceamento necessário no cabo, propõe-se a partida dos veículos de transporte que operam com tração a laser com carga.
Ilustração de um elevador espacial em Marte
A ideia de elevadores espaciais realmente tem o potencial de criar uma verdadeira revolução no transporte espacial para a órbita próxima à Terra. Mas será muito difícil traduzir essa ideia na vida real. Levará muito tempo até que os cientistas criem um material que possa suportar o peso dessa estrutura. As opções em consideração agora são nanotubos de carbono, ou melhor, estruturas baseadas em entrelaçamentos microscópicos de diamante com nanofibras ultrafinas. Mas mesmo se encontrarmos uma maneira de construir um elevador espacial, isso não resolverá todos os problemas. Vibrações perigosas, vibrações intensas, colisões com satélites e detritos espaciais são apenas algumas das tarefas que terão de ser realizadas.
Outra alternativa proposta são gigantescos "volantes orbitais". Volantes são satélites giratórios com cabos longos divergindo em duas direções diferentes, cujas extremidades entrarão em contato com a atmosfera do planeta durante a rotação. Neste caso, a velocidade de rotação da estrutura irá compensar parcial ou totalmente a velocidade orbital.
O portal Orion's Arm explica como eles funcionam:
“Na parte inferior do cabo, localizado perto de um planeta do tamanho da Terra, haverá uma plataforma de atracação a uma altitude de 100-300 quilômetros acima da superfície (enquanto o próprio comprimento dos cabos do centro do volante será de vários milhares de quilômetros). Esta altura foi escolhida porque aqui o efeito da atmosfera no próprio “volante” será minimizado, e as perdas gravitacionais dos ônibus de atracação também serão minimizadas. A atracação ocorrerá em velocidades muito baixas do próprio volante e do lançador de atracação, geralmente no pico da trajetória suborbital parabólica definida pelo veículo lançador. Nesse caso, a lançadeira ficará relativamente imóvel em relação ao "volante" e pode ser presa por um gancho especial e, em seguida, puxada para a fechadura de atracação ou plataforma de pouso. Para o correto posicionamento em órbita, os "volantes" usarão propulsores."
Uma vez que os volantes estarão localizados inteiramente no espaço, não fixados na Terra, eles não terão que passar pelo mesmo estresse físico que o elevador espacial, então essa ideia pode acabar se revelando mais viável.
Quando se trata de estruturas dinâmicas, a Popular Mechanics descreve pelo menos duas opções principais:
“Estruturas como a 'fonte do espaço' e o 'loop de Lofstrom' manterão sua integridade estrutural devido aos efeitos eletrodinâmicos ou impulsos que movem as peças em seu interior, bem como cargas e passageiros entrando em órbita. Rotovadores parecem ser um conceito mais interessante. Essa ideia propõe a construção de uma grande estrutura orbital com uma corda girando no plano da órbita de forma que no ponto do círculo mais próximo da Terra, a velocidade da extremidade da corda em relação ao centro seja oposta à velocidade orbital. Assim, o cabo, passando pelo mínimo, pode pegar o objeto desejado, que tem uma velocidade menor que o primeiro cósmico, e liberá-lo no ponto de distância máxima com uma velocidade já maior do que o primeiro cósmico”.
Será algo como o "gif"
Outra alternativa ao cabo espacial e ao elevador é uma torre inflável vertical que pode crescer de 20 a 200 quilômetros de altura. O projeto proposto por Brendan Quinn e seus colegas será erguido no topo da montanha e será perfeito para pesquisas atmosféricas, instalação de equipamentos de comunicação de televisão e rádio, lançamento de espaçonaves e turismo. A própria torre será criada com base em várias seções deslizantes pneumáticas controladas externamente.
“Escolher uma torre ajudará a evitar os problemas associados ao elevador espacial. É sobre a resistência de um material de construção adequado para o trabalho no espaço, a dificuldade de produzir um cabo de pelo menos 50 mil quilômetros de extensão e enfrentar a ameaça de meteorito em órbita baixa da Terra”, disseram os pesquisadores que propuseram o projeto da torre.
Para testar a ideia, eles construíram um modelo de torre de 7 metros com seis módulos, cada um baseado em três tubos instalados ao redor de um compartimento cilíndrico cheio de ar.
Curiosamente, uma tecnologia semelhante pode ser usada na construção do "cais espacial" proposto por John Storrs Hall. De acordo com este conceito, propõe-se erguer uma estrutura de 100 quilômetros de altura e 300 quilômetros de extensão. Com esta configuração, o elevador se moverá diretamente para o ponto de lançamento. O próprio lançamento da carga útil em órbita ocorrerá com uma aceleração de apenas 10g.
“Esta opção híbrida ignora as deficiências das opções propostas com uma torre orbital (o tamanho do píer é muito menor, portanto, é mais fácil de construir) e as dificuldades que terão de ser enfrentadas com os lançamentos eletromagnéticos (a densidade e a resistência do ar a uma altitude de 100 quilômetros é um milhão de vezes menor que no nível mar)”, diz Hall.
Sistemas de catapulta
Se todas as idéias propostas para o leitor médio podem parecer completamente ficção científica, então as seguintes estão muito mais próximas da realidade do que podem parecer à primeira vista. Outra alternativa para o lançamento de foguetes são os sistemas de catapulta, nos quais a espaçonave será lançada ao espaço como um canhão.
É bastante óbvio que, neste caso, a própria carga terá que ser projetada para o impacto de forças extremas. No entanto, os sistemas de catapulta podem se tornar uma ferramenta realmente eficaz para enviar uma carga útil para o espaço, de onde será recolhida por uma espaçonave localizada ali.
Os sistemas de catapulta podem ser divididos em três tipos principais: elétricos, químicos e mecânicos.
Elétrico
Este tipo inclui railguns, ou catapultas eletromagnéticas, operando no princípio de aceleradores eletromagnéticos. Durante o lançamento, a espaçonave será colocada em trilhos guia especiais e acelerada drasticamente usando um campo magnético. Nesse caso, a força de aceleração será suficiente para tirar o dispositivo da atmosfera terrestre.
No entanto, o recurso de design de tais sistemas os tornará muito pesados e caros de construir. Além disso, esses sistemas consumirão uma grande quantidade de eletricidade. Apesar de seu poder, as catapultas eletromagnéticas ainda terão que enfrentar alguns dos problemas associados à gravidade e à densa atmosfera da Terra. Se forem usados, é mais provável em planetas com menor gravidade e atmosfera rarefeita.
Químico
Ele propõe o lançamento de objetos no espaço usando enormes armas alimentadas por um gás combustível como o hidrogênio. No entanto, como acontece com qualquer sistema de ejeção, a carga enviada para o espaço terá que sofrer cargas maiores durante o lançamento. Além disso, esses sistemas não podem ser usados para enviar pessoas ao espaço. Além disso, equipamentos adicionais teriam que ser usados para permitir o lançamento de cargas, como satélites compactos, em órbita permanente. Caso contrário, o objeto lançado, tendo ganho altitude máxima, simplesmente cairá de volta à Terra.
Projeto HARP (High Altitude Research Project). Este canhão disparou um projétil de foguete Martlet-2 a uma altitude de 180 quilômetros. O recorde ainda é mantido
O desenvolvimento lógico do projeto HARP foi o projeto SHARP (Super High Altitude Research Project). Na década de 90 do século passado, pesquisadores do Lawrence Livermore Lab realizaram uma demonstração do lançamento de projéteis a uma velocidade de 3 quilômetros por segundo (embora não em altura, mas no solo). No final, os cientistas chegaram à conclusão de que a construção de uma amostra real de trabalho dessa arma exigiria pelo menos US $ 1 bilhão. O quadro também foi engrossado pelo fato de que os cientistas não conseguiram atingir a velocidade planejada do projétil de 7 quilômetros por segundo.
Mecânico
As armas mecânicas podem servir como uma alternativa às armas eletromagnéticas e químicas. É verdade que não é inteiramente correto chamar tais sistemas de armas. Em vez disso, é uma espécie de estilingue. Um exemplo é o projeto Slingatron da HyperV Technologies Corp. O próprio sistema é uma estrutura oca em espiral por dentro. Um objeto colocado dentro da espiral é acelerado girando toda a estrutura em torno de um ponto fixo.
Em teoria, o slingatron é capaz de fornecer a aceleração necessária. No entanto, como os próprios desenvolvedores apontam, o sistema não é adequado para lançar pessoas e grandes cargas em órbita. Mas esse método pode ser usado para enviar pequenas cargas para o espaço, como suprimentos de água, combustível e materiais de construção.
Uma visão em tamanho real do slingatron seria mais ou menos assim
Como será o futuro realmente?
É extremamente difícil prever qual será a resposta a essa pergunta. Descobertas tecnológicas inesperadas e os efeitos por elas criados podem levar ao fato de que todas as opções de lançamentos espaciais sem foguetes consideradas hoje se tornarão equivalentes à eficiência. Ora, este não é o caso, como pode ser visto pelo menos na tabela comparativa aqui.
Considere o potencial da tecnologia de montagem molecular como exemplo. Depois de dominarmos essa área, não precisamos mais lançar nada para o espaço. Vamos simplesmente pegar asteróides no sistema solar e criar a partir deles (ou melhor, dos materiais úteis neles contidos) tudo o que quisermos no espaço. O mais interessante é que o progresso nessa direção já é visível hoje. Por exemplo, o astronauta da NASA Barry Wilmore certa vez precisou de uma chave ajustável compacta. Ao que parece, qual é o problema - ir à loja de ferramentas mais próxima? Só que a loja de ferramentas mais próxima naquele momento não era próxima a Wilmore, já que o astronauta estava a bordo da Estação Espacial Internacional!A NASA saiu da situação com elegância - enviou um e-mail para a ISS um diagrama da chave necessária e ofereceu a Wilmore para imprimi-lo ele mesmo em uma impressora 3D a bordo. Este é apenas um exemplo que mostra que em um tempo relativamente curto não precisaremos lançar nada no espaço. Tudo será criado já no lugar.
Quanto aos recursos necessários, isso também deixará de ser um problema. O cinturão de asteróides está cheio do material necessário: seu volume é quase metade da massa da nossa lua. Algum dia chegaremos à conclusão de que todo um enxame de sondas espaciais do tipo "Philae" pousará simplesmente no próximo asteróide ou meteorito e produzirá recursos minerais sobre eles. A NASA quer realizar a primeira missão desse tipo em 2020. Ele está planejado para capturar um pequeno asteróide, colocá-lo em uma órbita lunar estável e, lá, pousar nele astronautas, que poderão estudar a calçada espacial e até mesmo coletar amostras interessantes de seu solo.
Levar as pessoas para o espaço é um problema diferente, especialmente quando você considera que no futuro há planos de mudança para enviar pessoas em massa para o espaço. Algumas das ideias propostas, como o elevador espacial, podem realmente funcionar. Mas só se não estivermos falando sobre a conquista do espaço profundo. Portanto, nesta questão teremos que contar com os tradicionais lançamentos de foguetes por muito tempo. Suas ideias já estão sendo expressas tanto no nível estadual quanto na esfera privada. Considere novamente o mesmo Elon Musk com seu projeto de colonização de Marte.
Também devemos levar em conta o fato de que o corpo humano não foi projetado para uma estadia muito longa no espaço. Portanto, até que cheguemos a tecnologias eficazes que permitam a criação de gravidade artificial, os robôs podem se tornar uma solução parcial para este problema. Os robôs podem ser enviados para o espaço e controlados remotamente da Terra usando realidade aumentada ou virtual.
Os robôs têm uma chance real de ser a chave para iniciar nossa exploração do espaço profundo. É bem possível que, em um futuro mais distante, aprendamos a digitalizar nossos cérebros e transmitir essa informação a supercomputadores a bordo de estações espaciais remotas, onde será carregada em uma variedade de avatares robóticos, com os quais abriremos nosso caminho para as fronteiras distantes do espaço.
NIKOLAY KHIZHNYAK
