Angéla, Petronella
10 °C
14 °C
Index - In English In English Eng

A robbanó rakéta lehet az űrutazás jövője

2020.05.17. 22:21

Az űrutazás újra a hétköznapi élet központjába került. Vállalatok újabb és újabb terveket szőnek az űrturizmusról, az USA hosszú évek után újra amerikai földről, amerikai embert küldene a világűrbe, a SpaceX küldetései sikeresek, a tesztjeik pedig kifejezetten ígéretesek.

  • Hogy működik az új hajtómű?
  • Miért jobb, mint a mostani hajtóművek?
  • Hogy tudjuk vizsgálni a működését?

Természetesen amióta az ember először az űrben járt, folyamatosan fejlődik a űrutazás technológiája, ma már sokkal-sokkal biztonságosabb, kényelmesebb és pontosabb, mint 60 évvel ezelőtt volt. Az egyik nagy baj, hogy még mindig borzasztó drága, de a Közép-Floridai Egyetem Meghajtás- és Energetikai Kutatólaborja és az amerikai légierő kutatói közel állnak egy régen megálmodott technológia megvalósításához, ami jelentősen hatékonyabbá és olcsóbbá tenné a rakétákat.

A kutatólabor igazgatója, Kareem Ahmed évek óta azon dolgozik, hogy megzabolázza egy a robbanás energiáját, és így kifejlesszen egy hajtóművet, ami irányított robbanásokkal juttatná a jövő űrhajósait és rakományát az űrbe. Ez a Rotating Detonation Engine (RDE), azaz forgó robbanóhajtómű.

Az RDE hasonlóan működik, mint egy hagyományos hajtómű:

üzemanyag + oxigén + nyomás + hő = robbanás = hajtóerő.

Az üzemanyagot és az oxidálószert begyújtják, és ahogy gyorsan tágulnak, kijönnek egy cső végén, ami az ellenkező irányba tolja a rakétát.

Ezt a SpaceX rakétáin például úgy oldják meg, hogy az üzemanyagot és az oxidálót túlnyomásos állapotban tárolják, és az égéstérbe nagy turbószivattyúkkal juttatják őket. Ez a technológia rengeteg helyet foglal, ezért lehet forradalmi megoldás az RDE, mert ebben a típusban nincs szükség külön berendezésre, hogy nyomást generáljanak, elég egy robbanás.

Ahmedék hajtóművükben hidrogént és oxigént használnak. Miután ezeket bejuttatják az égéstérbe, egy apró csövön át utánuk küldenek egy lökéshullámot, ami beindítja a detonációt. Ahogy a hullám végighalad a kamrán, egyre több hidrogénnel és oxigénnel találkozik, amiket a hajtómű elején fecskendeznek be. Ahogy a robbanás eléri a friss üzemanyagot (hidrogén) és oxidálót (oxigén), a gázok hőmérséklete és a nyomás gyorsan megemelkedik, így lángra kapnak, ami a kilő a hajtómű végén.

pressure-gain
Fotó: Nagoya University

Az RDE működéséhez azonban nem elég egy robbanás, folyamatos detonációra van szükség. A hajtóanyag egy külön erre a célra fejlesztett, apró lyukakkal teli befecskendező lemezen át jut a hajtóműbe, ami segíti a robbanás lökéshullámát, hogy forogjon a hengerben. A friss hajtóanyag folyamatosan táplálja a hullámot, míg el nem fogy az üzemanyag. Ahmedék május elején adták ki a tanulmányukat az első, hidrogént és oxigént használó hajtóművük tesztjéről.

A hajtóműben keletkező hullámok számát az határozza meg, hogy mennyi üzemanyag kerül a rendszerbe. Ahmedéké öt hullámos volt, de van olyan prototípus, amiben nyolc hullám volt. Még nem tudni, hogy a hullámok száma hogyan befolyásolja a hajtómű működését, ezért a kutatók kontrasztanyagot adtak a hajtóanyaghoz, majd egy 200 ezer FPS-es (képkocka/másodperces) kamerával készítettek felvételt a működő hajtóműről.

Ha az RDE beválik, akár 30 százalékkal könnyebb lehet a mai hajtóműveknél, és sokkal üzemanyag-hatékonyabb, arról nem is beszélve, hogy egy rakás eszközt el lehetne hagyni, így kevésbé lenne összetett, mint a napjainkban használt hajtóművek. Ami egyben kevesebb hibalehetőséget és alacsonyabb költséget jelent.

Ehhez azonban az kell, hogy biztonságosan működjenek, de amíg nem tudjuk jobban megérteni, hogy mi is történik a hajtóművön belül, addig ezt nehéz lesz elérni. A baj az, hogy a reakció meglehetősen gyors (az indító lökéshullám 6500 km/h-val tesz meg egy centimétert), így extrém nehéz vizsgálni.

Szuperszámítógép vs. matek

Ha szemmel nem lehet, marad a modern technika. A kutatók számítógépes folyadékdinamika segítségével részletes szimulációt tudnak készíteni a robbanás folyamatáról – ugyanezt használják repülők és tengeralattjárók tervezésénél is. Ez a szimuláció azonban egy szuperszámítógép minden áramkörét igénybe veszi. A védelmi minisztérium legjobb szuperszámítógépének három-négy hétre van szüksége egy ilyen szimuláció lefuttatására.

James Koch, a Washingtoni Egyetem alkalmazott matematikával foglalkozó kutatója a szuperszámítógépek helyett inkább a matematika egyik speciális ágához nyúlt (nonlinear waves and pattern dynamics), ami a matematika segítségével lemodellezi, hogyan alakulnak ki bizonyos minták. Koch-ék beröffentettek egy kisebb méretű RDE-t a laborjukban, és rájöttek, hogy nem kell szuperszámítógép a működésének lemodellezéséhez, elég a matek.

A laptopomon akár fél perc alatt lefuttathatok egy szimulációt, ami a hasonló eredményt dob ki, mint a minisztérium gépe 3 hét alatt

– mondta Koch.

A kutató szerint a technikája nagy hullámokat kavar majd a tudományos világban, de nem valósínű, hogy egyhamar leváltja a szuperszámítógépeket. Koch modelljét egyelőre nem is nagyon lehet módosítani (például, hogy hány lyukon fecskendezik be az üzemanyagot, hogy egész pontosan mit is fecskendeznek be, vagy mekkora a hajtómű átmérője). Még évek munkája kell egy állítgatható modellhez.

A légierő az első RDE-s repülést 2025-re tervezi, de az USA védelmi minisztériuma erőműként is bevetné a technológiát, a GE pedig a sugárhajtóművek területén vizsgálódik. Ahmed szerint szinte biztosan a rakétáknál vetik majd be először, hiszen jelentős súlycsökkentéssel járna.