První krok k pokročilým elektrickým motorům

Není otázkou, zda se někdy lidé vydají mimo nízkou oběžnou dráhu Země. Je potřeba se ptát, kdy k tomu dojde. Prozatím je lidstvo limitováno technickým vývojem na několika klíčových frontách. Jedním z nich je i systém pohonu, který by dopravil pilotovanou meziplanetární loď například k Marsu. Už několik let se v nepilotované kosmonautice používají motory založené na elektrickém principu – sondy jako Dawn, či Hayabusa jsou asi nejznámějšími příklady. Technici ale moc dobře vědí, že pro budoucí pilotované lety je potřeba celý systém výrazně vylepšit.

Aktuálně nejpoužívanějším typem elektrického pohonu je takzvaný iontový motor. Jeho nespornou výhodou je, že při minimální spotřebě paliva dokáže dosáhnout významného urychlení, které je neporovnatelné s tím, co by bylo potřeba při použití standardních chemických motorů. Jelikož má každá karta dvě strany, má i iontový motor své nevýhody – tou největší je velmi slabý tah. Ačkoliv sondy, které jej využívají váží jen několik set kilogramů, trvají zážehy velmi dlouho a nejrůznější manévry se počítají na dny až týdny.

Umělecká představa sondy Dawn se zažehnutým iontovým motorem

Umělecká představa sondy Dawn se zažehnutým iontovým motorem
Zdroj: http://i1.sndcdn.com

Je jasné, že pokud bychom současný iontový motor připojili k několik desítek (možná i stovek) tun těžké meziplanetární pilotované lodi, nehnula by se prakticky z místa (obrazně řečeno) a všechny výhody iontového motoru by tak přišly vniveč. NASA se proto rozhodla, že přistoupí k vývoji pokročilých elektrických motorů. vybrala firmu Aerojet Rocketdyne z Redmondu (stát Washington), aby navrhla a vyvinula elektrický pohonný systém, který by kromě jiného umožnil průzkumné mise mimo zemské gravitační pole.

Kontrakt nese název AEPS (Advanced Electric Propulsion System), je uzavřen na 36 měsíců a počítá s financemi ve výši 67 milionů dolarů. Očekává se, že by v rámci tohoto programu mohl vzniknout pohonný systém, který by byl oproti běžným chemickým motorům až 10x úspornější z hlediska spotřeby paliva a ve srovnání se současnými elektrickými pohony by jeho tah vzrostl více než dvojnásobně.

Hallův motor o výkonu 13 kW vyvinutý v Glenn Research Center má 10x nižší spotřebu paliva než standardní chemické motory

Hallův motor o výkonu 13 kW vyvinutý v Glenn Research Center má 10x nižší spotřebu paliva než standardní chemické motory
Zdroj: https://www.nasa.gov

„Vývoj těchto technologií vyšlape cestu k pokročilým solárně-elektrickým pohonům pro ukázkové mise, které očekáváme na konci této dekády,“ uvedl Steve Juczyk z ředitelství vesmírných technologických misí v rámci NASA a dodává: „Vývoj této technologie zlepší naše budoucí možnosti pohybu ve vesmíru – ať už se bavíme o nejrůznějších pilotovaných i robotických projektech, které míří do vzdálenějšího vesmíru pod hlavičkou NASA, nebo o soukromých kosmických misích.“ Zatím se zdá, že by se první exemplář nového pohonného systému mohl uplatnit u nepilotované mise ARRM (Asteroid Redirect Robotic Mission), která by měla v polovně dvacátých let na oběžnou dráhu Měsíce dopravit buďto malý asteroid, nebo kámen z asteroidu většího. K němu by pak zamířila lidská posádka v lodi Orion a provedla jeho průzkum.

Teoretická podoba nepilotované sondy, která má zajistit přesun asteroidu na oběžnou dráhu Měsíce

Teoretická podoba nepilotované sondy, která má zajistit přesun asteroidu na oběžnou dráhu Měsíce
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Společnost Aerojet Rocketdyne by podle uzavřené dohody měla dodat systém, který se skládá z vlastní trysky, jednotky zpracování energie PPU (power processing unit), nízkotlakého kontroléru proudění helia a elektrických podpůrných systémů. NASA sama už postavila a otestovala prototyp trysky a PPU, přičemž tyto exempláře mohou firmě posloužit jako referenční návrhy.

Zážeh iontového motoru NSTAR o výkonu 2,3 kW pro sondu Deep Space 1

Zážeh iontového motoru NSTAR o výkonu 2,3 kW pro sondu Deep Space 1
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Aerojet Rocketdyne postaví, otestuje a dodá model, který se označuje jako inženýrská vývojová jednotka, jejímž úkolem bude absolvovat zkoušky a ověřit, zda je návrh spolehlivý a funkční. Teprve až poté by se přistoupilo ke stavbě letových modelů. Kontrakt počítá i s nadstavbou, pokud všechno půjde dobře. V takovém případě by firma měla za úkol vyrobit čtyři kusy pohonných jednotek, které by se později vydaly do vesmíru. Samotnou stavbu sice bude provádět Aerojet Rocketdyne, ovšem pod vedením týmu inženýrů z Glenn Research Center s dodatečnou technickou podporou specialistů z Jet Propulsion Laboratory.

V ostrém provozu by energii potřebnou pro pohon dodávaly solární panely. Proto se celý systém, ke kterému směřuje i aktuální program pokročilého elektrického systému, označuje jako solárně-elektrický pohon SEP (Solar Electric Propulsion)

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
https://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
http://gameon.nasa.gov/files/2011/10/in_space_prop_plasma_rocket.jpg
http://i1.sndcdn.com/artworks-000024823838-52ul0g-crop.jpg?cc158ba
https://www.nasa.gov/…award_pr_image_screen_shot_2014-12-12_at_3_11_53_pm.png
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ee/Asteroid_Redirect_Mission-Option_B.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/Ion_Engine_Test_Firing_-_GPN-2000-000482.jpg

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


25 komentářů ke článku “První krok k pokročilým elektrickým motorům”

  1. David napsal:

    Osobně velmi fandím somuto směru vývoje, a jsem rád, že se konečně něco hýbe, ale neodpustím si několik poznámek k tématu.
    1) Už dlouho je podezřelé ticho okolo motoru VASIMR, který měl být už dávno na ISS. Měl šetřit 90% nákladů na palivo. Přitom ta věc je hotová, a teď se nalijí peníze do jiné firmy, aby dělala prakticky totéž?
    2) Pokud vím tak ESA má „v šuplíku“ rovněž dost pokročilý iontový motor, a vývoj byl zastaven kvůli extrémní energetické náročnosti – při současném poměru hmotnost / výkon fotovoltaických panelů pohon v podstatě netrumfne chemický, nemá-li příležitost „táhnout“ roky.
    3) Proč se raději neinvestuje do vývoje elektrického zdroje pro iontový pohon, aby se ten stal reálně použitelným? Mluvilo se kdysi třeba o Stirlingově motoru, který má nejen vyšší účinnost než současné fotovoltaické články, ale je i odolný proti radiaci. S dostatečně velkou parabolou z tenké lehké folie by mohl dodávat megawatty pro iontový pohon…

    • ventYl napsal:

      Stirlingov motor ma sice ucinnost niekde vyssie ako sucasne solarne panely (aj ked to teda samozrejme zalezi od dosiahnuteho delta t) ale predpokladam, ze unho bude znacny problem kvoli tomu, ze je to komponent s pohyblivymi dielmi a tie, ako je znamo, zlyhavaju.

      • Vojta napsal:

        Další problémy jsou s jeho hmotností a nutností chlazení, což je další hmotnost navíc. Většinou se vyplatí použít trojnásobnou plachtu z fotovoltaických článků, než se mořit se Stirlingovým motorem, ale myslím, že nějaké sondy s ním existují nebo jsou ve vývoji. Možná tam ale Stirlingův motor funguje jako generátor z radioizotopového zdroje (termoelektrické články se musí také chladit, takže jedna z nevýhod odpadá) nebo v inverzním režimu jako chladič. Teď si nejsem jistý.

        • ventYl napsal:

          Nutnost chladenia je podla mna praveze za istych okolnosti prinosom. Skutocne daleko asi budeme moct lietat az vtedy, ked sa naucime efektivne energiu na palube hviezdoletu recyklovat. Stirlingov motor nie je jedinym sposobom, akym sa da odpadne teplo vyuzit na generovanie el. energie.

          Ved uz len taky RTG vyuzivajuci termoelektricky jav demonstruje to, ze odpadne teplo mozno vyuzit ucelne. Samozrejme lod cisto na termoelektricky clanok nepoleti. ale podla mna vhodnou kombinaciou vhodne velkych zariadeni a zdrojov energie bude mozne dosiahnut zvysenie kombinovanej ucinnosti do takej miery, aby sa nam otvorili moznosti pohonov, ktore nam dnes pripadaju nerealne.

      • PeS napsal:

        Tady je jeden článek o tom, že se ta technologie se stirlingovýma motorama ještě uplně nezavrhla

        http://www.aldebaran.cz/bulletin/2015_43_sti.php

    • Dan napsal:

      VASIMR je řekněme velmi rozežraný, co se týká dodávek elektrické energie, stojí před ním ještě mnoho problémů a stále je ve vývoji. Začátkem roku NASA dala firmě Ad Astra (?) 10M USD právě na další vývoj, ale jestli už mají nějaké výsledky, kdo ví.
      Ale souhlasím, že se dejme tomu před pěti lety o VASIMRu mluvilo mnohem více, než dnes.

    • gg napsal:

      Mluvilo se kdysi třeba o Stirlingově motoru, který má nejen vyšší účinnost než současné fotovoltaické články, ale je i odolný proti radiaci. S dostatečně velkou parabolou z tenké lehké folie by mohl dodávat megawatty pro iontový pohon…
      Jenže to můžou i fotovoltaické články…navíc bez pohyblivých součástek, spolehlivěji, a přitom také generují stálý stejnosměrný proud, který u některých typů elektrických pohonných jednotek umožňuje ušetřit další hmotnost v podobě jednotky PPU.

  2. JardaP napsal:

    Ví se něco víc o tom tajuplném mikrovlnném motoru o kterém se neví jak vůbec funguje? Byla to jen kachna nebo opravdu existuje? Jeden čas se psalo, že to v NASA začali zkoumat a od té doby ticho po pěšině.

  3. Petr Blaschke napsal:

    Rád bych se mýlil, ale osobně se domnívám, že iontové a elektrické pohony jsou technologie určené spíše pro robotické a dálkové mise a nehodí se pro lidské cestování po vesmíru. Speciálně se nehodí používat VASIMIR pro cestu na MARS, ačkoliv v propagační kampani se říká, že tímto zařízením se dá k Marsu dostat za 39 dní.

    Kromě nevýhody uvedené v článku, trpí iontové motory také dalším nedostatkem, mnohem závažnějším než malý tah. Chemické palivo totiž plní v raketě trojí funkci — je to 1) reakční látka, která se vystřeluje do vesmíru, 2) zdroj energie a 3) ochlazovač — odvádí z rakety pryč odpadní teplo.

    U iontového (nebo elektrického) motoru na druhou stranu, se funkce argonu (zpravidla používané jako „palivo“) redukují na bod 1).

    Energii je nutno čerpat z palubní elektrárny, jejíž odpadní teplo, není možné odvádět nijak jinak než vyzařováním v obřích radiátorech, jenž by speciálně u VASIMIRU museli dosahovat plochy několika fotbalových hřišť.

    Pro zmiňovanou cestu na Mars za 39 dní by ještě palubní elektrárna pro VASIMIR musela disponovat ohromným specifickým výkonem 1000 krát větším než bylo kdy demonstrováno — tj. musela by produkovat mnoho energie na jeden kilogram hmotnosti elektrárny.

    Těmi fotbalovými hřišti se VASIMIR vylučuje z možnosti používat různé manévry jako brždění o atmosféru, a protože nemůže nikde přistát, také se vylučuje z konceptu ISRU — tedy možnosti „dotankovat“ palivo na místě.

    Stimulující diskuzi na toto téma je možné shlédnout

    • AKA the A napsal:

      Hustota energie by se dala řešit reaktorem, ale to si v současné době nikdo netroufne…
      Nebo rovnou NERVA či deriváty, tam už pohonná látka odvádí teplo 😀

      • AKA the A napsal:

        *štěpným reaktorem

      • Vojta napsal:

        Štěpný reaktor je dost těžký, potřebuje mechanické části pro přeměnu tepla na elektřinu a je to další velký zdroj tepla, který je potřeba uchladit. NERVA je soupeřem pro chemické motory, má solidní tah, ale nemůže soupeřit s iontovými pokud jde o Isp. Teplotu (respektive výtokovou rychlost) média nejde hnát tak vysoko jako u iontových motorů, které mají obvykle magnetické stínění.

      • gg napsal:

        „Hustota energie by se dala řešit reaktorem“

        Nedala. Fakt nedala. Jaderná elektrárna je opravdu těžká, a to i v „kosmickém provedení“. I dnešní solární technologie generuje 70 kW tam, kde ruský reaktor stejné hmotnosti zvládl generovat jen 5 kW.

    • David R. napsal:

      Myslím že VASIMR o výkonu 200 kW až zas tak moc rozežraný není a chlazení o ploše stadionu nepotřebuje. Chlazení nepotřebují ani fotovoltaické panely. Vyžaduje ho Stirling i reaktor. V obou případech je nutno překopat pozemské designy a pracovat s mnohem vyšší teplotou odpadu, kde funguje chlazení radiací. Ale původně jsem chtěl jen říct ze mě nový záměr NASA příliš neuchvátil. Čekal bych víc.

      • J.Kotas napsal:

        Máte pravdu, že VASIMR o výkonu 200kW nepotřebuje chlazení o ploše stadionu, ale pokud bychom chtěli použít VASIMR jako systém pohonu k Marsu, o čemž se mluví na videu v příspěvku, na který reagujete – tvůrce VASIMRu Franklin Chang Diaz předpokládá, že pro misi k Marsu, která by trvala 39 dní, bude potřebovat vesmírný jaderný reaktor o výkonu 200MW (což je 20000x výkonnější než nejsilnější použitý reaktor TOPAZ ve vesmíru), navíc předpokládá, že potřebuje výkonovou hustotu 1000W/kg (což je 100x víc než bylo zatím demonstrováno). Zubrin dokládá, že tyto představy zatím nemají s realitou nic společného, a bohužel slouží jako výmluva, proč na Mars vůbec neletět, když k tomu stačí obyčejné chemické motory. Navíc na uchlazení podobného systému s 200MW výkonem potřebujeme radiátory s plochou několika fotbalových hřišť.

        • gg napsal:

          Solární panely dnes mají kolem 200-300 W/kg, což už je docela blízko (a postačující pro celou řadu aplikací), a Zubrin je magor. Chang-Díaz určitě neargumentuje, že na Mars se nemá letět, dokud VASIMR není hotový (nebo má někdo nějaký důkaz, že to říká?), a jestli někdo jiný takhle argumentuje, těžko za to může Chang-Díaz. To spíš Zubrin asi trpí těžkými psychologickými projekcemi.

        • Samo napsal:

          VASIMR bude pre rýchly let k marsu reálny (aspoň podľa mňa) keď zvládneme postaviť lacnejší a menší fúzny reaktor v najlepšom prípade aj bez neutonového žiarenia aby odpadla nutnosť ťažkého tienenia.

  4. Racek napsal:

    … při minimální spotřebě paliva dokáže dosáhnout významného zrychlení … se mi zdá pro popis iontového motoru poněkud nepřesné , že ano.
    Snad urychlení měl autor na mysli :-))

  5. zdeněk napsal:

    Takovýchto článků o možné budoucí technologii by mohlo být víc a víc. Stejně jako proč dosud není zkušební model motoru VASIMR u ISS .

Zanechte komentář