Dziś o napędzie termiczno-słonecznym

Jednym z rozważanych systemów napędowych dla satelitów jest napęd termiczno-słoneczny. Jak czytelnicy pewnie dobrze wiedzą, wszelkie „klasyczne” rozwiązania napędzania pojazdów kosmicznych polegają na wyrzucaniu jakiejś masy z jak największą prędkością – im większa prędkość tym mniej masy musimy wyrzucić w celu uzyskania dobrego impulsu specyficznego. W związku z czym mamy całą gamę mniej-lub-bardziej egzotycznych sposobów napędzania pojazdów kosmicznych:
W prawym, dolnym rogu mamy tradycyjne rakiety chemiczne – mają one niewielki impuls specyficzny jako że prędkość wyrzucanej masy (gazów spalinowych) jest niewielka. Jednak wyrzuca się ich bardzo dużo i dzięki temu można uzyskać spore przyspieszenia. Do tego trzeba targać ze sobą ciężki utleniacz i polegać na reakcji chemicznej w celu uzyskania odpowiedniego ciśnienia/temperatury. 
Pozbywając się utleniacza jesteśmy w stanie zwiększyć impuls specyficzny. Wspominałem wielokrotnie o atomowych silnikach – ich zasada jest bardzo prosta – zamiast reakcji chemicznej użyjmy reaktora atomowego do podgrzewania paliwa.
Podobną ideę oferują napędy termiczno-słoneczne – zamiast reakcji chemicznej użyjmy słońca do podgrzewania paliwa. Na niskiej orbicie ziemi słoneczko produkuje 1.4 kW na m2, na orbicie Marsa około 600 w/m2. Żeby uzyskać jakiś w miarę przyzwoity ciąg trzeba wykorzystać energię słoneczną z dużej powierzchni – kilkunastu do kilkudziesięciu metrów kwadratowych. I w tym celu proponowane jest użycie „koncentratorów”, które nie są niczym innym jak nadmuchiwanymi lustrami wklęsłymi. Za ich pomocą można skoncentrować energię słońca z kilkunastu m2 na obszarze kilkunastu cm2 i w ten sposób osiągnąć przyzwoite temperatury. 
Oczywiście wszystko nie jest takie piękne jak się wydaje – pierwszym problemem są nadmuchiwane lustra – muszą mieć one dobrą geometrię albo koncentrowanie energii nie będzie nam wychodziło. I ta geometria musi być zachowana pomimo że lustra są „ciągnięte” za resztą pojazdu (w końcu ciąg silnika ma spowodować jego przyspieszanie). Do tego przydało by się mieć jakąś technikę sterowania ciągiem = ustawiania luster tak by dało się regulować ilość energii dochodzącej do komory grzewczej. Poza tym statek kosmiczny nie będzie zawsze ustawiony w idealnej pozycji w stosunku do słońca – trzeba mieć możliwość sterowania lustrami tak by wykorzystać jak najwięcej energii w każdej z możliwych pozycji. O tym że całość nie działa w cieniu Ziemi nie muszę wspominać.
Drugim problemem jest komora grzewcza – należy ją tak skonstruować by po pierwsze wytrzymała duże temperatury a po drugie była nagrzewana możliwie równomiernie. Problemem jest wytrzymałość materiałów – najbardziej wytrzymałe węgliki (Cyrkon i Tantal) zaczynają się topić poniżej 4000 C. Do tego materiał komory musi mieć dobrą przewodność cieplną żeby przenosić efektywnie energię. To znacząco ogranicza impuls specyficzny takiego rozwiązania – testowane silniki osiągały ISP w okolicach 700-800. 
Ostatnim problemem jest sam gaz napędowy – najlepszy jest oczywiście wodór, jednak ma on wielką wadę – nawet w stanie ciekłym jest wyjątkowo mało gęsty + trzeba go utrzymywać w kriogenicznych warunkach a to znacząco zwiększa masę pojazdu – izolacja, duży zbiornik itp.
Wszystko to powoduje że silniki termiczno-słoneczne nie są zbyt atrakcyjnym sposobem napędzania statków kosmicznych i raczej należy traktować je jako ciekawostkę, choć NASA nadal prowadzi badania nad nimi. Jedną z ciekawych idei jaką przetestowała NASA jest użycie wysokich temperatur – pierwsze wersje silników pracowały przy temperaturach 1200-1500 C i uzyskiwały ISP 700-800. Jednak używając temperatury 3000C można uzyskać ISP 1200 – nie tylko dlatego że większa temperatura powoduje większą prędkość gazów wylotowych, ale także dlatego że przy takiej temperaturze wodór zamienia się w plazmę a to zmniejsza masę molekularną a co za tym idzie zwiększa ISP. 
admin Opublikowane przez: