Πηγή:
physics4u.gr

Ηλεκτρομαγνητικοί προωθητές για το διάστημα
Άρθρο, Νοέμβριος 2006

Ένας Ηλεκτρομαγνητικός Προωθητής (EML) είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί τον ηλεκτρομαγνητισμό, αντί για χημικά στοιχεία, για να πυροδοτήσει ένα πύραυλο – βλήμα και να τον βάλει σε τροχιά. Μπορεί να είναι υπό μορφή δύο παράλληλων ραγών ή με πολλές σπείρες σε μια ευθεία.

Η πραγματοποίηση της τεχνολογίας EML είναι προκλητική, αλλά είναι σχεδόν εδώ. Για να χρησιμοποιηθεί ένας Ηλεκτρομαγνητικός Προωθητής και να εκτοξευτεί ένα βλήμα σε μια ιδιαίτερα εκκεντρική τροχιά γύρω από τη Γη, θα πρέπει το βλήμα να αποκτήσει τη γνωστή ταχύτητα διαφυγής 11 km/s. Έτσι υπολογίζεται ότι πρέπει ο προωθητής να έχει μήκος ένα χιλιόμετρο και να προσδίδει μια επιτάχυνση κάπου 6.000 g. Η μεγαλύτερη πρόκληση για τους μηχανικούς, εντούτοις, μπορεί να μην είναι ο προωθητής, αλλά μάλλον η προστασία του βλήματος κατά την πτήση του μέσα στην ατμόσφαιρα.

Η ιστορία του Ηλεκτρομαγνητικό Προωθητή

Ο πρώτος που σκέφθηκε να κατασκευαστεί και να δοκιμαστεί ένας ηλεκτρομαγνητικός προωθητής ήταν ο Kristian Birkeland καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Όσλο το 1901. Και μάλιστα πήρε το πρώτο παγκόσμιο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ένα ηλεκτρομαγνητικό πυροβόλο όπλο και έτσι έφτιαξε μια επιχείρηση, την «Πυροβόλα Birkeland,» για την έρευνα και την παραγωγή τους. Το μεγαλύτερο πυροβόλο όπλο του, που κατασκευάστηκε το 1902, προωθούσε σιδερένια βλήματα των 10 κιλών. Το πυροβόλο ήταν μήκους 10 μέτρων με ένα διαμέτρημα 6,5 εκατοστών ενώ πέτυχε ταχύτητες 80 έως 100 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Οραματίστηκε πυροβόλα όπλα με βεληνεκές 100 έως 1000 χλμ. Εγκατέλειψε όμως τις προσπάθειές του λόγω της έλλειψης κεφαλαίων, αλλά γιατί δεν υπήρχε τότε καμία διαθέσιμη παλλόμενη πηγή ενέργειας για να ενεργοποιήσει τα πυροβόλα όπλα του. Αυτό θα συνέχιζε να συμβαίνει για τα επόμενα 70 χρόνια.

Οι επόμενες προσπάθειες καταβλήθηκαν από τον καθηγητή Edwin F. Northrup στο πανεπιστήμιο του Πρίνσετον κατά τη δεκαετία του ’30. Κατασκεύασε διάφορους ηλεκτρομαγνητικούς προωθητές στις αρχές της δεκαετίας του ’30 Οι προωθητές του ήταν γραμμικές τριφασικές επαγωγικές μηχανές (όπως τα περιστροφικά αντίστοιχά τους), ο ίδιος τύπος με τα πυροβόλα όπλα του Birkeland. Πρόβλεψε έναν ιδανικό ηλεκτρομαγνητικό προωθητή στον οποίο θα ενεργοποιούταν μόνο ένα μικρό μέρος του πυροβόλου σε οποιαδήποτε στιγμή, ενώ το ενεργοποιημένο μέρος θα συγχρονιζόταν με τη πέρασμα του βλήματος, ελαχιστοποιώντας κατά συνέπεια τις απώλειες της θερμότητας και βεβαίως θα ήταν αποδοτικότερο. Αυτή η ιδέα απαιτούσε γρήγορους διακόπτες υψηλής ισχύος, οι οποίοι δεν υπήρχαν εκείνη την περίοδο. Αλλά η ιδέα θα χρησιμοποιούταν αργότερα σε αρκετά σχέδια προωθητών (coilguns) της δεκαετίας του ’70. Αναγνώρισε, επίσης, το φαινόμενο του μαγνητικού μετεωρισμού στο βλήμα. Αυτή η μαγνητική δύναμη ήταν ικανή να κεντράρει το βλήμα μέσα στο πυροβόλο, οπότε δεν θα υπήρχε τριβή μεταξύ του βλήματος και του πυροβόλου. Αυτή το φαινόμενο θα χρησιμοποιούταν επίσης στη δεκαετία του ’70, με τροποποιήσεις, στα μαγνητικά αιωρούμενα τραίνα (maglev) υψηλής ταχύτητας.

Οι τροχιακοί προωθητές (RailGuns) διαφέρουν από τους άλλους επιταχυντές, στο ότι η επιτάχυνση μέσα στην τροχιά οφείλεται απλά στη μαγνητική προώθηση (τη μαγνητική δύναμη Lorentz).

Σαν μια παραλλαγή στην προσέγγιση του Ιούλιου Βερν, ο Northrup πρότεινε έναν ηλεκτρομαγνητικό προωθητή πάνω στη Γη για να στείλει μια διαστημική κάψουλα με δύο ανθρώπους σε ένα ταξίδι γύρω από το φεγγάρι. Στο βιβλίο του αυτό επρόκειτο να πραγματοποιηθεί στις αρχές της δεκαετίας του ’60 και με τη Ρωσία να φτάνει πρώτη στο φεγγάρι.

Κατά τη διάρκεια του Β! παγκόσμιου πολέμου, καταβλήθηκαν διάφορες προσπάθειες για την χρήση της ηλεκτρομαγνητικής τεχνολογίας στις εκτοξεύσεις. Στη Γερμανία το 1943, δοκιμάστηκε ανεπιτυχώς ένας ηλεκτρικός καταπέλτης για την προώθηση στο διάστημα πυραύλων V-2. Στην Ιαπωνία, μελετήθηκαν ηλεκτρομαγνητικοί προωθητές για να χρησιμοποιηθούν ως αντιαεροπορικά πυροβόλα όπλα, αλλά δεν κατασκευάστηκαν ποτέ. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η ηλεκτρική εταιρία Westinghouse έφτιαξε έναν καταπέλτη (γνωστό ως Electropult) για το ναυτικό με σκοπό να εκτοξεύει τα αεροπλάνα. Ο καταπέλτης αυτός δεν ολοκληρώθηκε μέχρι το τέλος του πολέμου, αλλά προώθησε επιτυχώς αεροπλάνα όπως τα B-25. Αυτός ο καταπέλτης έχασε τη μάχη από τον καταπέλτη ατμού – που αναπτυσσόταν εκείνη την περίοδο για τα αεροπλάνα πάνω στα αεροπλανοφόρα. Προς το τέλος της δεκαετίας του ’40, οι ηλεκτρομαγνητικοί προωθητές ήταν ακόμα στα σπάργανα και χρησιμοποιούσαν ακόμα το ανεπαρκές το σχήμα τη; γραμμικής επαγωγικής μηχανής, αντί της αποδοτικότερης γραμμικής σύγχρονης μηχανής, που θα χρησιμοποιούταν στη δεκαετία του ’80.

Επιταχυντής βλημάτων με πηνίο

Στα 20 επόμενα χρόνια, η τεχνολογία των Η/Μ προωθητών έμεινε στο ράφι εκτός από μερικές προσπάθειες για την κατασκευή τροχιακών προωθητών (RailGuns) και ενός μικρού επιταχυντή με σωληνοειδές (coilgun) που κατασκευάστηκαν στο ερευνητικό κέντρο Langley της NASA το 1961, από τους Thom και Norwood.

Το σωληνοειδές ήταν μια γραμμική σύγχρονη μηχανή (αντίθετα από όλους τους προηγούμενους ηλεκτρομαγνητικούς προωθητές). Προτάθηκε για χρήση σαν σεληνιακός προωθητής πάνω σε μια μεγάλη βάση στο φεγγάρι. Η εργασία των Thom και Norwood ήταν άγνωστη μέχρι που ανακινήθηκε η ιδέα αυτή των οδηγών προς το τέλος της δεκαετίας του ’70.

Προς το τέλος της δεκαετίας του ’60 και τις αρχές της δεκαετίας του ’70, η τεχνολογία των ηλεκτρομαγνητικών προωθητών αναπτύχθηκε για υψηλής ταχύτητας μεταφορικών μέσων (μαγνητικά τραίνα), στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ιαπωνία, και τη Γερμανία.

Το πρώτο απωθητικό σύγχρονο σύστημα μεγάλων μεταφορών (γνωστό ως Μαγνητοπλάνο) αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε σε κλίμακα 1/25 στις αρχές της δεκαετίας του ’70. Αυτή η ιδέα έχει υιοθετηθεί και από τη γερμανική και την ιαπωνική ομάδα maglev, η οποία συνεχίζει τις προσπάθειές τους. Ένα ιαπωνικό σύστημα maglev στην Ιαπωνία που κινείται πάνω σε ένα ‘μαξιλάρι’ αέρα, έχει φθάσει σε δοκιμαστικές ταχύτητες 520 χιλιομέτρων την ώρα.

Σκέψεις για το διάστημα

Μετά την τραγωδία του Challenger ο John MacFarlane έγραψε ένα άρθρο για τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί ο ηλεκτρομαγνητισμός για να προωθεί τα διαστημικά σκάφη σε τροχιά. Οι συνηθισμένοι πύραυλοι, κατά το MacFarlane, είναι παλιάς τεχνολογίας και γι αυτό ο ίδιος προτείνει να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρομαγνητικοί προωθητές για να πάμε στο διάστημα. Μια ιδέα που προτάθηκε για πρώτη φορά πριν 50 χρόνια από τον καθηγητή Edwin Northrop του πανεπιστημίου του Πρίνσετον.

Η ιδέα πίσω από μια ηλεκτρομαγνητική εκτόξευση είναι ότι το διαστημικό σκάφος (στη θέση του βλήματος), τυλιγμένο σε μεταλλικές σπείρες θα γλιστρούσε μέσα σε μια μεγάλη κάνη του επιταχυντή. Η κάνη του επιταχυντή θα είναι επίσης τυλιγμένη με μεταλλικές σπείρες. Τα τελευταία ενεργοποιούνται ηλεκτρικά, ενώ το ηλεκτρικό ρεύμα θα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Το βλήμα επιταχύνεται στην μεγάλη κάνη επειδή η κατεύθυνση του ρεύματος στις σπείρες μπορεί να αντιστραφεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι σπείρες ακριβώς μπροστά από το βλήμα να το ελκύουν προς τα εμπρός, και αυτά που θα είναι αμέσως πίσω από το βλήμα να το απωθούν.

Επιστήμονες σαν τους Henry Kolm και Peter Mangeau του ΜΙΤ θεωρούν ότι θα ήταν δυνατό να επιταχυνθεί ένα βλήμα ενός τόνου με μια ταχύτητα 12,3 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο σε 1,5 δευτερόλεπτο μόνο. Αλλά αυτό θα επιτυγχανόταν μέσα σε μια κάνη μήκους σχεδόν οκτώ χιλιομέτρων. Η ενέργεια που απαιτείται για να εκτοξευτεί το βλήμα θα ήταν 76 δισεκατομμύρια τζάουλ ή, 50 δισεκατομμύρια Watt.

Το κόστος αυτής της πρότασης, όπως αναλύθηκε από τους πιο πάνω επιστήμονες, είναι πολύ ανταγωνιστικό με τους συμβατικούς πυραύλους και έτσι θα μπορούσε να στείλει ωφέλιμα φορτία στο διάστημα με λιγότερα έξοδα.

Ένα από τα χαρακτηριστικά του απίστευτα σύντομου χρόνου επιτάχυνσης και εκτόξευσης (1,5 δευτερόλεπτα επιτάχυνσης ενώ θα έφευγε από την ατμόσφαιρα σε λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο αργότερα) είναι η τεράστια δύναμη στην οποία θα εκτεθεί κάθε αστροναύτης. Αυτή υπολογίζεται να είναι τουλάχιστον χίλιες φορές τη δύναμη της βαρύτητας g. Κι αυτή την περίοδο, το όριο της ανθρώπινης αντοχής είναι μια δύναμη δεκαπέντε φορές της γήινης βαρύτητας g.

Αλλά εδώ και 30 χρόνια γίνονται πειράματα για το πώς να προστατευτούν οι άνθρωποι από την εξαιρετικά γρήγορη επιτάχυνση. Αυτά τα πειράματα άρχισαν το 1958 όταν ένας Ιταλός εξέθεσε έγκυους αρουραίους σε επιτάχυνση 10.000 φορές της βαρύτητας g. Οι αρουραίοι φυσικά πέθαναν, αλλά τα αγέννητα έμβρυά τους επέζησαν. Οι ενήλικοι πέθαναν επειδή η υπερβολική δύναμη βαρύτητας κατέστρεψε τους πνεύμονές τους. Τα έμβρυα προστατεύτηκαν προφανώς επειδή οι πνεύμονές τους ήταν γεμάτοι με υγρό, δηλαδή το αμνιακό υγρό. Τα επόμενα πειράματα με ζώα, ακόμη και με ανθρώπινους εθελοντές, έχουν δείξει ότι οι πνεύμονες μπορούν να γεμίσουν με υγρό (όχι οποιοδήποτε υγρό αλλά ένα αλατούχο διάλυμα 0,9% που μιμείται πολύ τις ιδιότητες των ρευστών του σώματος) χωρίς να εμφανιστεί κάποια αρρώστια.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο πραγματικός χρόνος εκτόξευσης θα ήταν εξαιρετικά σύντομος, μερικά μόνο δευτερόλεπτα, αυτή είναι και η λύση στο πρόβλημα της τρομερής επιτάχυνσης. Πριν από την εκτόξευση, ο κοσμοναύτης θα ανάπνεε καθαρό οξυγόνο για αρκετά λεπτά. Αυτό θα γέμιζε τους ιστούς με οξυγόνο, το οποίο θα μείωνε την ανάγκη για αναπνοή, επειδή η αναπνοή υποκινείται από την παρουσία του διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο θα έτεινε να αποβληθεί.

Κατόπιν, αμέσως πριν από την εκτόξευση, σωληνάκια θα έστελναν αλατούχο διάλυμα 0,9% στους πνεύμονες του κοσμοναύτη, ακριβώς στη θερμοκρασία του σώματος. Ο κοσμοναύτης μετά από την επιτάχυνση θα έβγαζε το υγρό. Στην πραγματικότητα, θα προστατευόταν από μια τεχνητή μήτρα, σαν τους πνεύμονες των εμβρύων.

Από ό,τι γνωρίζω, αυτή η μέθοδος δεν έχει εφαρμοστεί ακόμα για προώθηση στο διάστημα.

Advertisements