NASA испытало своего рода суперхолодильник, который может стать ключом к любой будущей пилотируемой миссии на Марс. Без нового криогенного охладителя марсианский корабль приземлился бы на Красной планете с пустыми топливными баками, что испортило бы всем день.
Идея серьёзно подготовить экспедицию для отправки астронавтов на Марс обсуждается уже более 70 лет и сегодня воспринимается весьма серьёзно в определённых кругах. Однако, как говорится, дьявол кроется в деталях.
Одно дело — разработать аппарат для полёта на Марс, его двигатели, системы жизнеобеспечения, датчики, навигационные приборы и так далее, но в основе всего лежат точные цифры: откуда взять энергию для его перемещения с Земли на Марс и обратно. Если речь идёт о химических ракетах, то вопрос сводится к типу топлива, используемого для обеспечения тяги.
Крио-резервуар устанавливается для тестирования. НАСА/Кэти Хенкель
Для большинства миссий в дальний космос тяга не представляет особой проблемы на старте. Значительные изменения скорости обеспечиваются ускорителями, которые подняли зонд над Землей, а после этого всё сводится к простой баллистике. Для коррекции курса и других небольших изменений траектории подойдут небольшие двигатели, работающие на относительно стабильном жидком и газовом топливе. Даже ионные двигатели, которые стали чаще использоваться в последние годы, используют топливо, например, ксенон, не требующее особого ухода.
Суть в том, что роботизированные зонды весят сравнительно мало и могут достичь цели за годы, а то и за десятилетия, поэтому тяга и скорость не играют решающей роли. Однако, когда речь идёт о людях, продолжительность миссии должна быть максимально короткой, а масса корабля — достаточной для сохранения жизни и здоровья экипажа.
Это означает использование максимально эффективного топлива, а это означает большие баки, заполненные жидким водородом, кислородом или метаном. Проблема в том, что все они являются криогенными жидкостями: жидкий водород кипит при температуре -252,9 °C (-423,2 °F), жидкий кислород — при -183 °C (-297,4 °F) и -161,6 °C (-258,9 °F). Это также означает, что даже в условиях ледяного холода космоса это криотопливо не желает оставаться на месте. Оно стремится кипеть и кипит внутри своих баков, которые необходимо вентилировать, чтобы выпустить газы и предотвратить взрыв.
Криорезервуар установлен в вакуумной камере установкиNASA/Kathy Henkel
Это может быть приемлемо для ракеты, находящейся на стартовой площадке, или миссий продолжительностью менее недели, но для марсианской миссии, длящейся более двух лет, это настоящая проблема. Если подсчитать, результаты окажутся более чем удручающими. Если у марсианского корабля будет большой, слегка изолированный бак, вмещающий 38 тонн жидкого водорода, то, по оценкам, пассивное испарение будет стоить около 16 тонн в год.
Другими словами, в ходе миссии на Марс экипаж прибудет в пункт назначения, не имея топлива для возвращения домой.
Толстая изоляция может снизить потери, хотя они всё равно останутся неприемлемо высокими. В связи с этим НАСА работает над проектом «Портфель управления криогенными жидкостями», в рамках которого разрабатывается современная система изоляции и активного охлаждения, обеспечивающая нулевое испарение в течение месяцев и даже лет, а также усовершенствованные системы для работы с криогенным топливом без потерь.
Новая система активно охлаждает криогенное топливо. НАСА/Кэти Хенкель
В Центре космических полётов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, инженеры установили на испытательном стенде так называемую двухступенчатую систему охлаждения для трёхмесячных испытаний. Система охлаждения, также известная как «труба на баке», состоит из двух охлаждающих контуров, заключённых в толстую металлизированную изоляцию, и теплового экрана.
В первичном контуре охлаждения трубки, заполненные жидким гелием, охлаждённым до -253 °C (-424 °F), окутывают криогенный топливный бак, обеспечивая его непосредственное охлаждение и охлаждение его содержимого. Поверх него расположены слои изоляции, а второй контур, заполненный чуть более тёплым гелием с температурой -183 °C (-298 °F), расположен за теплозащитным экраном, покрывающим всю конструкцию. Этот контур улавливает и отводит всё поступающее тепло, прежде чем оно проникнет дальше.
В результате получилась система, способная поддерживать топливо в переохлаждённом состоянии неограниченно долго, пока хватает энергии для работы криохолодильного оборудования. Это не только избавит от неловкой ситуации, связанной с прибытием на Марс без полёта домой, но и позволит обходиться без ненужных излишков топлива и планировать более длительные миссии.
«Для успешных длительных миссий в дальний космос, таких как Луна и Марс, необходимо внедрять технологии, снижающие потери топлива», — заявила Кэти Хенкель, исполняющая обязанности руководителя проекта NASA по управлению криогенными жидкостями. «Двухступенчатое охлаждение предотвращает потери топлива и позволяет успешно осуществлять его долгосрочное хранение как при транспортировке, так и на поверхности планеты».
