Kada je 1781. škotski pronalazač James Watt patentirao parnu mašinu, nije ni sanjao da će jednog dana u srpskom ’Astronomskom magazinu’ biti pomenut u kontekstu kosmičkih letova. I to za dovlačenje asteroida u blizinu Zemlje.
Elem, parna raketa spada u red tzv. termalnih raketa, koje koriste gorivo koje mora da se najpre zagreje pre nego što počne da se istiskuje kroz mlaznice (nasuprot hemijskim raketama čije gorivo prethodno prolazi kroz hemijske reakcije). Među termalne rakete spadaju i neke vrhinskih performansi, kao što su nuklearne termalne, koje kao radni fluid koriste tečni vodonik, solarne termalne rakete, koji koriste solarnu energiju za direktno zagrevanje vodonika, kiseonika ili kerozina, ali u slučaju jonskog pogona i ksenon i slične teže elemente. Tu spadaju i laserske termalne rakete, kod kojih je izvor toplote laser i za koje mnogi misle da su stvar budućnosti.
Kod parnih raketa, obična česmovača se zagreva do temperatura od 250° do 550° C, a onda se u obliku pare izbacije kroz mlaznice de Lavalovog tipa i stvara potisak. U slučaju najprostijih, amaterskih raketa, voda se u rezervoaru zagreva pre lansiranja, ali kod složenijih konstrukcija za zagrevanje vode koriste se nuklearni raktori ili solarni grejači. Kako sada stvari stoje, ti motori mogu da daju specifični impuls (Isp) od preko 195 sekundi, što je još daleko od 460 sec koliko daju savremeni vodonični motori. Koliko znam, parne rakete su do sada korišćene za ubrzavanje dragstera[1] i raketnih bicikala[2] i sl., ali ne i u svemiru. Pošto danas svi znaju da je vodu (tj. njene komponente) lako ekstrahovati i pročistiti iz naslaga leda koje mogu da se pronađu širom solarnog sistema, neki stručnjaci ovakve rakete vide kao zdravu alternativu za međuplanetna putovanja.
Ovih dana, valjda emotivno senzibilisan predizbornio obećanjima o Beogradu na vodi, pažnju mi je privukao jedan od tih futurističkih projekata za švrćkanje po solarnom sistemu “pa i šire”. Radi se o solarnoj termalnoj letilici nazvanoj “Solarni Moljac” (“Solar Moth”). Da ne bude zabune – kod nas reč moljac budi neke negativne konotacije, ali ovde tome nema mesta jer je upravo čudesno oko moljca dalo ideju naučnicima kako da konstruišu neverovatno efikasne solarne kolektore.
Prema Nasinom idejnom projektu od pre dve decenije, letilicu bi činila dva aluminijumska reflektora prečnika 175 metara, koja bi solarno zračenje koncentrisala na jedan prozor na kontejneru, zagrevao ga i istiskivao gorivo kroz regenerativno hlađene kompozitne mlaznice. Ogledala bi predstavljala polovine džinovskog balona na naduvavanje, dok je druga polovina providna. Kao gorivo, predložen je vodonik obogaćen alkalnim metalima. Prednost ovog predloga krila se u činjenici da bi energije bilo onoliko koliko sunce može da issija, dok se mana krila u tome da letilica ne bi tako dobro radila na većoj daljini od orbite Marsa, te da bi brzina letilice bila jako mala. Ovakav motor bi možda mogao da se koristi na budućim kosmičkim letilicama kao rezervni pogonski sistem, obzirom da je težina samog motora praktično zanemariva.
Solarna parna raketa. Izvor: NASA SP-509, "Space Resources - Energy, Power and Transport", 1992, p.161.
Umetnička vizija Franka Tinsleya sa pravom solarnom elektranom.
Slike prof. Sola Dembera.
Ali u poslednje vreme NASA je sve dalje od planetnih putovanja, sve više se okrećući pragmatičnom lovu na asteroide. U tom smislu, verovatno najjednostavniji i najjeftiniji tip njihovog transporta u orbitu oko Zemlje predstavljao bi neki remorker na parni pogon. On bi koristio običnu vodu kao gorivo, a solarnu ili nuklearnu energiju kao izvor toplote – velikim ogledalom bi usmeravao energiju za proizvodnju superbrele vode u komori. Voda je verovatno najrasprostranjenija isparnjiva materija na većini asteroida takve vrste u blizini Zemlje. Rakete ovog tipa spadaju u laku klasu, baš kao i oprema za vađenje i skladištenje vode sa asteroida.
Princip rada parnog motora na nuklearni pogon. Izvor: Idaho National Energy and Environmental Lab (INEEL), iz rada Zuppero et al.
Glavne prednosti parnog raketnog motora su:
- Minimalna težina opreme odlazeće misije, neophodne za ekstrahovanje neophodnog raketnog goriva za povratni kargo let sa asteroidom. Jedino što je potrebno jeste “rerna” za ekstrahovanje isparljivih materija iz asteroidnog materijala uz pomoć prostog zagrevanja. Za razliku od ostalih raketnih goriva, ovde nije potrebna nikakva dodatna hemijska dorada. Time se smanjuju troškovi lansiranja opreme.
- Manji rizik ekstrakcije i proizvodnje goriva jer ekstrakcija obične vode radi dobijanja raketnog goriva zahteva mnogo prostiji dizajn nego proizvodnja bilo kojeg drugog alternativnog goriva.
- Manji rizik za raketu jer one postaju jednostavnije i pouzdanije. One će koristiti jednostavne termalne komore malog potiska naspram složene opreme za sagorevanje kod hemijskih raketa ili električnih centrala i rešetki kod električnog jonskog pogona. Solarne parne rakete su ekstremno nesklone kvarovima.
Sama letilica je lagana. Vodu je lako uskladištiti u obliku leda ili tečnosti, tako da je težina tankova smanjena u odnosu na one sa komponentama goriva pod pritiskom kod hemijskih raketa i današnjih jonskih motora. Solarna ogledala mogu biti napravljena od tankih folija[3], razapetih preko lakih konstruktivnih ugljeničnih rešetki. Snaga potiska parnih raketa je mala, ali u orbitnom kosmosu nije ni potreban veliki potisak za borbu sa gravitacijom.
Dr John S. Lewis iz Nasinog istraživačkog centra na univerzitetu Arizona, dokazao je u svom poznatom radu da bi parna raketa koja bi operisala između Zemljine orbite i NEAs objekata (Near Earth Asteroids) mogla u idealnim uslovima da dovuče 100 puta teži asteroid od rakete, naspram svega 2,4 puta koliko bi mogla da dostigne neka od misija lunarnog scenarija, koja bi koristila tečni kiseonik dobijen na Mesecu i hemijsku raketu za lansiranje. Dr Lewis je napravio studiju koja se odnosila na konkretnu malu planetu 136564 (1977 VA), jer je prema spektroskopskim analizama pretpostavio da je to dobar kandidat zbog obilja isparljivih materijala. U radu je napisano da bi veća ekonomska korist postignuta tek kada bi bila poslata „armada“ malih letilica.
Obimne radove na solarnoj termalnoj propulziji već godinama sprovodi američka vojna Laboratorija za raketni pogon (AFRPL)uz podršku specijalizovanih kompanija “Rocketdyne”, “L'Garde” i “Spectra Research Corp.”. Njihovi ciljevi su da proizvedu lake i efikasne koncentratore i jednostavne i pouzdane motore za solarne rakete. Kalifornijski “Rocketdyne” radi na motorima i otvorima koji treba da prime visoke temperature koncentrovane solarne energije. “Rocketdyne” razrađuje vodonik kao gorivo, ali modifikacija na vodu ne bi predstavljala previše složen zahtev. Zanimljivi su i koncepti na naduvavanje kalifornijske privatne kompanije iz hladnoratovskog perioda “L’Garde”, koja ume da proizvede reflektore na naduvavanje prečnika 3 metra.
Prototip “Rocketdynovog” solarnog termalnog trastera. Korisit vodonično gorivo na temperaturi od 2.700 K, koje izlazi brzinom od 7.900 m/s i stvara potisak od 3,7 njutna. Izvor: NASA SP-509, "Space Resources - Energy, Power and Transport", 1992, p.162.
U literaturi se pominju dva načina za zagrevanje goriva: “indirektno” i “direktno”, ali svi ti metodi su još u fazama istraživanja. Transfer toplote je efikasniji kod direktnog koncepta, ali nosi brojne tehničke nedoumice.
Koga interesuje neko mesto na webu gde bi mogaop da prati razvoj parnih raketa neka proba na WWW.neofuel dr Anthonyja C. Zuppera.
1 Dragster „Neptune I“ vozio je trostruku svetski kopneni brzinski rekorder Art Arfons. Motor je konstruisao vojni raketni inženjer Robert Truax
2 Raketa je nazvana „Skycycle X-2“, a konstruisana je da bi 1974. preletela sa pilotom preko Snake River kanjona. Prototip je 2007. ponuđen za prodaju po ceni od $5 miliona.
3 Japanci danas koriste sintetički materijal „Kapton“ debljine svega 2 hiljadita dela milimetara! Ako se bude koristila molekularna tehnologija nanocevi, praviće se folije čiji će 1 m2 biti težak samo 0,1 gram.
