Strona główna » energia elektryczna » Taniej na orbitę cz.2

Taniej na orbitę cz.2

Archiwum

Aby pozostać w kosmosie, czyli utrzymać się  na orbicie, potrzebna jest po prostu prędkość. Trzeba ją uzyskać i utrzymać. Przy prędkości 7 km/s, o której tu mówimy, opór, nawet minimalny, atmosfery jest w zupełności wystarczający do rozgrzania każdej powierzchni powyżej temperatur jakie mogą wytrzymać jakiekolwiek materiały konstrukcyjne. Stąd potrzeba osłon, które w atmosferze po prostu odparowywują, chroniąc resztę pojazdu. Ale to jest rozwiązanie jednorazowe, osłony się kończą, trzeba je wymienić, lub pojazd się rozpada. Dlatego tę prędkość można osiągnąć jedynie w próżni, lub wystarczającym jej przybliżeniu. Czyli na wysokości co najmniej 200 km nad powierzchnią Ziemi. Czyli oprócz prędkości potrzebujemy wysokości. Jak uzyskać jedno i drugie?

Zacznijmy od tego, czego się nie da

Na pewno nie możemy rozpędzić się na powierzchni do żadnej poważnej części wymaganej prędkości, bo jednak jakąś jej część możemy uzyskać. Dla większości drogi jesteśmy jednak ograniczeni napędem działającym bez kontaktu z lądem.

Teoretycznie możemy tą metodą uzyskać wysokość, teoretycznie dowolną, za pomocą czegoś w rodzaju windy. Czyli w swej istocie liny, zawieszonej w taki sposób, że środek ciężkości przypadałby na orbicie geostacjonarnej, czyli lina nie poruszałaby się względem powierzchni planety. „Drobny” problem polega na tym, że nie mamy żadnego materiału, z którego można by było taką linę spleść. Nawet najlżejsze i najwytrzymalsze włókna dziś obecne na etapie laboratoryjnym nie przybliżają się na rozsądną odległość do wymagań stosunku masy do wytrzymałości. I na tym możemy zakończyć. Nie mamy nawet na horyzoncie żadnego materiału z którego da się to zrobić.

Wracamy więc do lotu. Tu znów mamy dwa podejścia. Pierwszym jest opuszczenie gęstej atmosfery jak najszybciej i nabieranie prędkości tam, gdzie jest to wygodne. To jest podejście, jakiego się używa dziś, z zastosowaniem silników rakietowych.  Aby w ogóle unieść się nad ziemię i rozpocząć przyspieszanie, ciąg musi być większy niż masa pojazdu. Co oznacza w swej istocie konieczność spalenia olbrzymiej ilości paliwa w krótkim czasie. Z czym łącza się solidne wyzwania inżynierskie typu: jak wystarczająco szybko dostarczyć to paliwo. Pierwszy raz ten problem został w praktyczny sposób rozwiązany w 1944 i za pomocą tego rozwiązania niezwłocznie przystąpiono do wyburzania Londynu. Autor tej konstrukcji miał okazję w nieskrępowany sposób pracować jeszcze wiele lat i był ojcem wycieczek na Księżyc. W skrócie- jest to technologia opanowana od dziesięcioleci, choć wyzwania inżynierskie nadal są potężne, bo ilość paliwa i tlenu potrzebnego na uzyskanie stosownej prędkości nakazuje minimalizować pozostałą masę, aż do granic wytrzymałości materiałów. Czy jest inna opcja? Tak. Możliwy fizycznie i nawet wykonalny przy użyciu obecnej technologii jest silnik, który dostarczy wystarczającej ilości energii dla pionowego lotu z ładunkiem i osiągnięcie prędkości orbitalnej bez olbrzymiej masy utleniacza. Wystarczy, ze skorzysta się z energii rozpadu promieniotwórczego. Nie w obiegu parowym, jak w elektrowniach i łodziach podwodnych, tylko bezpośrednie użycie ciepła do rozprężania gazów. To jest na dziś technicznie możliwe oraz kompletnie szalone z każdego innego punktu widzenia.

Ale jest alternatywa. Przynajmniej teoretycznie. Bądźmy subtelni, nie lećmy tak na rympał. Można wykorzystać siłę nośną i dostarczając znacznie mniej energii, powoli się rozpędzać. To pozwala na znacznie mniejszą moc silników. Jeśli do napędu tych silników będziemy potrzebowali coś spalać, to ilość potrzebnej energii będzie wystarczająco mała, aby tlenu bez trudu go dostarczyła otaczająca atmosfera, dokładnie tak samo jak samolotom.

W takim razie- co mamy realnie do dyspozycji?

Po pierwsze i najłatwiejsze- zwykły silnik odrzutowy. Rzecz, która jest oszczędna, niewątpliwie działa, dostępna od ręki i bezproblemowa. Zwykły silnik odrzutowy ma problem z działaniem przy prędkościach naddźwiękowych, ale jak wiadomo, lot z wyższymi prędkościami jest możliwy od dziesięcioleci.

Przy większych prędkościach dostępne silniki działają w taki sposób, że powietrze jest sprężane samą energią kinetyczną i trafia do komory spalania, gdzie jest dodawane paliwo. Ciąg powstaje dzięki rozprężeniu tychże gazów spalinowych. Dopalacz w wojskowych silnikach odrzutowych jest prawie dokładnie takim typem silnika.

Ramjet, bo tak się to nazywa, występuje w dwóch odmianach. W pierwszej prędkość przy której może nastąpić zapłon to ok Mach 0,5 i może działać do ok 2- 2,5. To jest konstrukcja znana i używana w samolotach.

Druga odmiana dla zapłonu wymaga prędkości ok. Mach 2, a maksymalną możliwą do uzyskania prędkością jest ok  Mach 6. Różnica, i to znaczna, polega na geometrii wlotów powietrza. Służą one nie tylko do sprężania powietrza, ale również do spowolnienia go do prędkości poddźwiękowej. Stąd jest konieczny inny kształt dla każdego zakresu prędkości.

Jest też drugi aspekt, czyli prędkość maksymalna. Przebieg spalania z poddźwiękowymi i naddźwiękowymi prędkościami jest zupełnie inny. Są to zupełnie inne problemy ze stabilnością płomienia i właściwie wszystkim, co sprawia też, że kształt komory spalania i całego silnika musi być zupełnie różny i całkowicie niekompatybilny.

Skracając historię: są możliwe i dostępne komercyjnie (aczkolwiek zwykle zastrzeżone dla wojska) silniki mogące rozpędzić pojazd od Mach 0 do 2,5  (przy odpowiedniej komplikacji konstrukcji trochę więcej) oraz od Mach 1,7-2 do 6.

Drobna dygresja- w opracowaniach można znaleźć tę górną granicę jako Mach 4, co nie do końca się zgadza. Inżynier z NASA, z którym konsultowałem tę wiedzę, który projektował i testował takie zabawki, twierdzi, że pewnego dnia testowany pojazd przez przypadek czy inny błąd softu rozpędzili do Mach 6 i nadal działał. Później się okazało, że działa regularnie, ale już lepiej zrobić się tego nie da. Temperatura komory spalania i prędkość  przepływu w tej komorze są ograniczeniami nie do przeskoczenia. Kolejnym ograniczeniem jest ilość powietrza niezbędnego do podtrzymania płomienia i to ogranicza maksymalny pułap. Wynosi on ok 32-35 km. Co nie byłoby w ogóle istotne, gdyby nie inna kwestia: gęstość powietrza wpływa na opór ośrodka, co narzuca wymagania wytrzymałości mechanicznej i termicznej. Mach 6 na tej wysokości to jeszcze nie jest problem zaawansowanych osłon termicznych, ale jest to problem i to poważny dla wytrzymałości całej konstrukcji.

A jeśli oczekujemy oszczędnego rozpędzenia się do tej prędkości, potrzebujemy dwóch silników. Zarówno klasycznego odrzutowego z dopalaczem, jak też ramjeta optymalizowanego do większych prędkości. A to już zwiększa naszą powierzchnię czołową, z której część musi pozostać tylko obciążeniem w każdej fazie lotu. I jeśli mówimy o locie w relatywnie gęstym powietrzu, to mamy problem. Problem polega na tym, że konstrukcja musi być bardzo wytrzymała. Na tyle, że już nie za wiele zostaje na resztę pojazdu i ładunek. Za to mówimy o technologii, gdzie wystarczy wysłać maila i odebrać paczkę z silnikami. No, prawie…

Ale to dopiero Mach 6, 1/4 drogi!

W dalszej części jedynym dostępnym dziś napędem (poza rakietowym, oczywiście) jest ramjet o naddźwiękowym przepływie i spalaniu. Płomień z przepływem naddźwiękowym zachowuje się zupełnie inaczej i kształt wlotów powietrza, komory spalania i dysz musi być kompletnie inny. Na tyle różny, że po prostu musi to być odrębny silnik, żadne przestawianie elementów, zmienny kształt, itp. nie są wykonalne. Tak, wiem, ze popularyzacja nauki i S-F może twierdzić co innego. Ale odpowiem tak: odrobiłem pracę domową, naprawdę wiem o czym piszę i tak jest. Wiedza ta będzie zawarta w książce, którą pisze mój znajomy, jak zostanie wydana mam nadzieję ją podlinkować.

ScRamjet (czyli Supersonic Ramjet) też potrzebuje minimalnej prędkości do stosownego sprężenia powietrza i zapłonu i jest to ok. Mach 5 Jak widać bardzo ładnie się uzupełnia. Silnik może pracować do Mach 8, 10, a może 15. Nie do końca wiadomo, bo tu już mówimy o kompletnie eksperymentalnej technologii. W ostatnich latach udało się odbyć kilka kilkusekundowych lotów, ale wszystko jest jeszcze kawałek od komercjalizacji.

Zakładając optymistycznie, że i Scramjet  będzie możliwy do wdrożenia, mamy kolejny silnik i kolejny poziom problemów w konstrukcji pojazdu. Z tymi samymi problemami, czyli zwiększeniem powierzchni czołowej i koniecznością wystarczającej gęstości powietrza do działania.

Teraz czas pomyśleć nad alternatywą dla tego wszystkiego

A co by było, gdybyśmy zamiast tego użyli silnika elektrycznego, który pominąłby przynajmniej dwa z tych trzech etapów?

Tak, jasne, w tym celu potrzeba baterii, albo innego źródła energii. I baterie oczywiście mają o rząd wielkości mniejszą zawartość energii niż paliwo płynne. A nawet niż paliwo + utleniacz. Co prowadzi do prostego pytania- jak w ogóle może to być lepsze rozwiązanie?? Albo dokładniej- jeśli zrobienia pojazdu napędzanego paliwami jest tak trudne, to jakim cudem przy napędzie elektrycznym w ogóle coś takiego może polecieć?

Otóż może. W całkiem prosty sposób. Zauważmy, że przy elektrycznym napędzie pojazdu latającego nie mamy problemu z ilością tlenu potrzebną do spalania, ani drugiego czyli ze stopniem sprężania i uzyskaniem po sprężeniu temperatury wystarczającej do zapłonu paliwa. Powietrze służy jedynie jako masa reakcyjna, czyli w skrócie- ilekolwiek byśmy go nie mieli, wystarczy, że je trochę popchniemy i wyrzucimy z większą prędkością z tyłu pojazdu. Oczywiście, gęstość ma wpływ, bo tej masy reakcyjnej po prostu ubywa, potrzeba więcej martwego działania turbin dla przekazania tej samej ilości energii. Ale mimo wszystko to pozwala na poruszanie się w powietrzu o nieporównywalnie mniejszej gęstości. Co oznacza drastycznie zmniejszone opory, co oznacza dużo mniej energii potrzebnej na pokonanie tychże oporów ośrodka oraz znacznie mniejsze wymogi co do wytrzymałości konstrukcji.

Silniki elektryczne są przy okazji mniejsze, ale przede wszystkim znacznie lepiej skalowane. Znaczy, mogą być prawie dowolnie duże lub małe. Z czego lepsze jest to drugie, bo odpowiednia liczba odpowiednio łatwych w sterowaniu silników pozwala zastąpić i wyeliminować stery. A to już jest poważna sprawa, bo znów zmniejsza opory powietrza. Do jakiego stopnia można te potrzeby energetyczne zmniejszyć i ile energii taki pojazd naprawdę potrzebuje? Nie wiem. Ale w każdym przypadku wzniesienie się wyżej zmniejsza opór. Jeśli uda się w takich warunkach zapewnić siłę nośną i działanie napędu, to kto wie, może, przy bardzo lekkiej konstrukcji pojazdu i dużej sile nośnej wystarczyłyby panele fotowoltaiczne na powierzchni? Na pewno dla samego zasilania bateryjnego i rozpędzenia się od zera do Mach 6 potrzebne by były baterie o gęstości energii co najmniej 500 Wh/kg i to możliwie nie korzystające z tlenu atmosferycznego. Na dziś nic takiego nie jest dostępne, choć możliwe, że baterie siarkowo-litowe osiągnęłyby takie parametry i tu możemy spodziewać się przełomu w każdej chwili. Lub nigdy, oczywiście.

Ale co do możliwości lotu z zasilaniem w istotnej części z fotowoltaiki, to powiem, że niestety nie mam większego pojęcia o aerodynamice ponaddźwiękowej i, jak na razie, nie znam nikogo kto by potrafił udzielić mi kompetentnych konsultacji, więc pytanie pozostanie bez odpowiedzi.

Dalszą częścią lotu zajmiemy się w następnym odcinku

Reklamy

6 komentarzy

  1. @darek
    Niee, to jest prosta sprawa. Co do małych samolotów używanych do nauki- dziwię się, że jeszcze ktoś kupuje spalinowe. To jest rynek na którym elektryczne mają olbrzymią przewagę. Tak samo samoloty regionalne. W tych rzeczach wystarczy wstawić dzisiejsze śmigła, dzisiejsze silniki i dzisiejsze baterie. Nie trzeba żadnej rewolucji. Ale dla naddźwiękowych już potrzeba. Nowego napędu, dobrych silników, a dla samego lotu na bateriach- dużo lepszych niż dzisiejsze. Ale kluczem jest to, ile można wydusić redukcji oporu przy naddźwiękowej aerodynamice. Tego nie wiem i nawet nie wiem gdzie pytać. I na pewno nie w prostej publicystyce naganiającej na półprzestarzałe dziadostwa Siemensa.

  2. Magic pisze:

    Geometrii komory spalania nie da się zmieniać. A gdyby zamiast ze stali czy ceramiki użyć plazmy uwięzionej w polu elektromagnetycznym? Ubytki na bieżąco uzupełniać produktami spalania. Czy ktoś coś takiego już próbował?

  3. Ja nie wiem. Tak kompletnie nie wiem, że nawet nie wiem od czego sprawdzanie czy ma to sens.
    Ale co najmniej do utrzymania takiej komory spalania potrzeba energii, i to niemało. A wytworzenie jej na pokładzie samolotu jest następnym poważnym problemem.

  4. nikt pisze:

    A do rozpędzenia i wyniesienia na odpowiednią wysokość takiego obiektu może użyć samolot-nośnik? Technologia już jest, zawsze zyskuje się te 20-25 km wyniesienia.

  5. 20-25 km i 0,9 Mach to jest nic. A dokładniej 4% prędkości lub 1/1800 wysokości. Można przeliczyć równaniem Ciołkowskiego ile dokładnie masy paliwa zaoszczędzimy, ale jak stawiamy na drugiej szali limit tego co samolot może unieść to gra jest niewarta świeczki.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: