Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) недавно объявило, что новый экспериментальный ионный двигатель Magneto-Plasma Power (MPD) с литием успешно проработал в ключевых испытаниях и рассматривается как важный прорыв в технологии движения для будущих пилотируемых миссий на Марс.Первые астронавты на Марсе столкнутся с чрезвычайно суровыми условиями. Каждый дополнительный день в глубоком космосе будет приносить дополнительное воздействие смертоносных космических лучей. Длительная изоляция подорвет психическое здоровье, а микрогравитация продолжит ослаблять мышцы и кости. Из-за этого НАСА вкладывает много энергии в разработку новых двигательных установок, которые могут значительно сократить время полета, надеясь в ближайшем будущем сократить путешествие на Марс до нескольких месяцев.
В этом недавно представленном ионном двигателе MPD в качестве рабочей жидкости используется литий, его пиковая мощность составляет 120 киловатт, а тяговая мощность в 25 раз превышает мощность самого мощного электрического маршевого двигателя, который в настоящее время используется в миссиях НАСА. Это рассматривается как ключевой шаг на пути к более быстрым и эффективным полетам в дальний космос. Нынешний представитель — зонд «Психея», летящий к металлическому астероиду. Он использует солнечную батарею для привода ксенонового ионного двигателя. Он может постепенно разгоняться примерно до 200 000 километров в час в среде без сопротивления атмосферы, но чтобы подняться до такой скорости, требуется более двух с половиной лет.
При нынешних химических ракетных технологиях НАСА полет с Земли на Марс займет около семи месяцев. На первый взгляд, ионное движение, основанное на низкой тяге и устойчивом ускорении в течение длительных периодов времени, не кажется идеальным для сокращения времени полета, поскольку оно начинается медленно, и для достижения чрезвычайно высоких скоростей требуются месяцы. Однако НАСА пытается изменить это традиционное впечатление, изменив комбинацию источника энергии и метода движения.
В отличие от Mind, который использует солнечные батареи для привода ксенон-ионных двигателей, этот новый двигатель MPD рассматривается как часть ядерно-электрической двигательной установки, которая будет обеспечивать мощную электрическую энергию от ядерного реактора, позволяя космическому кораблю поддерживать уровни тяги, намного превышающие существующие электрические двигатели, в течение длительных периодов времени в глубоком космосе. НАСА полагает, что эта комбинация «ядерная энергия + MPD», как ожидается, значительно увеличит скорость при той же или меньшей массе топлива, тем самым сократив путешествие пилотируемой миссии на Марс.
Концепция двигательной установки MPD зародилась в 1960-х годах, но до сих пор не была коммерциализирована в космосе, а основным препятствием являются огромные требования к мощности, которые намного превышают энергетические возможности солнечных батарей. Это технологически дополняет недавно анонсированный НАСА проект ядерной двигательной установки «Космический реактор-1 Свобода»: этот проект планирует использовать традиционный ионный двигатель с ксеноновым рабочим телом в другой миссии, а MPD представляет собой следующий шаг на пути к более высокой мощности и более высокой тяге.
Традиционные ионные двигатели обычно полагаются на электростатические поля для ускорения одиночных заряженных частиц (в основном ионов ксенона) и их выброса из сопла для получения силы реакции. Двигатель MPD взаимодействует с сильным током и магнитным полем, ускоряя плазму электромагнитным путем. В этой модели специально используются пары металлического лития, которые ионизируются в литиевую плазму внутри двигателя, а затем выбрасываются для достижения тяги.
24 февраля этого года НАСА провело критическое испытание на зажигание этого двигателя MPD с использованием специальной вакуумной камеры, оснащенной системой водяного охлаждения, в Лаборатории электрического движения Лаборатории реактивного движения (JPL) в Южной Калифорнии. Во время испытаний инженеры запускали двигатель пять раз, наблюдая за его центральным вольфрамовым электродом, который ярко светился при температуре, превышающей 2800 градусов по Цельсию (около 5000 градусов по Фаренгейту). Данные показывают, что этот новый двигатель успешно достиг максимальной мощности в 120 киловатт в ходе испытаний, что более чем в 25 раз превышает мощность электрического двигателя, используемого «Психиком».
Администратор НАСА Джаред Айзекман заявил в своем заявлении, что агентство никогда не «упускало из виду Марс», параллельно продвигая несколько миссий. Он подчеркнул, что успех этого испытания означает «существенный шаг» на пути к отправке американских астронавтов на Марс. Кроме того, это первый случай, когда Соединенные Штаты позволили электрической силовой установке непрерывно работать на высоком уровне мощности в 120 киловатт. НАСА продолжит делать «стратегические инвестиции», чтобы заложить прочную технологическую основу для следующего большого скачка человечества.
НАСА полагает, что в будущих испытаниях этот двигатель MPD достигнет уровня мощности 1 МВт. По внутренним оценкам агентства, типичная пилотируемая миссия на Марс может потребовать общей мощности от 2 до 4 мегаватт, а это означает, что конечный космический корабль, вероятно, будет иметь несколько двигателей MPD, работающих параллельно. В этом процессе ключевыми задачами, которые должна решить команда инженеров, станут способы обеспечить долгосрочную надежную работу оборудования в условиях сверхвысоких температур и уменьшить эрозию электродов, типичную проблему технологии MPD.
В настоящее время, после двух лет проектирования и строительства, группа исследований и разработок удовлетворена результатами первого раунда испытаний и считает, что пересекла первый «большой порог» на пути к инженерному делу. Джеймс Полк, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, заявил, что испытания не только доказали, что двигатель может работать нормально, но также успешно достигли заданной целевой мощности и заложили надежную основу испытательной платформы для последующих крупномасштабных испытаний.
В более широкой перспективе преимущество технологии электродвижения заключается в ее чрезвычайно высокой эффективности использования топлива, которая может снизить расход топлива примерно на 90% по сравнению с традиционными химическими ракетами. Сочетание мощной двигательной установки MPD с ядерной энергией теоретически могло бы обеспечить дальним космическим аппаратам более высокую среднюю тягу и более короткое время полета без значительного увеличения общей массы. Это может стать одной из ключевых технологий для первого пилотируемого путешествия человечества на Марс, выиграв астронавтам драгоценное время для снижения рисков для здоровья, вызванных радиацией и длительной невесомостью.
НАСА еще не объявило график использования MPD в конкретных пилотируемых миссиях, но это мощное наземное испытание рассматривается как важная веха на пути «на шаг ближе к Марсу». В контексте того, что многие страны конкурируют за планирование пилотируемых планов на Марс, если эта новая технология сможет успешно выйти за пределы лаборатории и перейти к реальным миссиям, ожидается, что она изменит временные рамки исследования человеком глубокого космоса.