Nowoczesne technologie w eksploracji kosmosu (cz.2)

CZASY OBECNE

Program Apollo nie by│ i nie jest jedynym programem dotycz▒cym zdobywania przestrzeni kosmicznej. Od czasu misji statk≤w Apollo minΩ│o kilkadziesi▒t lat, technika posz│a znacznie do przodu, badanie i odkrywanie przestrzeni kosmicznej r≤wnie┐.
Obecnie na orbicie oko│oziemskiej kr▒┐y kilkaset sztucznych satelit≤w komunikacyjnych, meteorologicznych - badaj▒cych zar≤wno zmiany pogody i przewiduj▒cych pogodΩ z naprawdΩ du┐▒ dok│adno╢ci▒, jak i badaj▒cych wp│yw dzia│a± przemys│owych cz│owieka na zmiany klimatu na Ziemi.

R≤wnie┐ na orbicie oko│oziemskiej dzia│a od kilkunastu lat stacja orbitalna Mir (obecnie uwa┐ana za kupΩ niebezpiecznego z│omu). W budowie jest miΩdzynarodowa stacja orbitalna Alfa a na etapie przygotowa± ca│a seria wypraw sond i pr≤bnik≤w na najbli┐sz▒ Ziemi planetΩ - Marsa. Stacja orbitalna Mir od lat prowadzi eksperymenty, od kt≤rych wynik≤w zale┐y p≤╝niejszy ewentualny sukces lotu cz│owieka na Marsa. Stacja Alfa r≤wnie┐ ma siΩ zajmowaµ prowadzeniem podobnych eksperyment≤w, tyle, ┐e za pomoc▒ najnowocze╢niejszych przyrz▒d≤w mierniczych.

W planowanej na 2001 rok misji kolejnej sondy na Marsa (Mars Surveyor Lander) - maj▒cej za zadanie l▒dowanie na powierzchni planety - planowane jest wykorzystanie kilku zupe│nie nowatorskich urz▒dze± s│u┐▒cych do odzyskiwania poszczeg≤lnych gaz≤w z do╢µ dla ludzi niezdrowej atmosfery (atmosfera Marsa sk│ada siΩ bowiem w 95% z CO2 i w 5% z N2 i Ar).

Generator tlenu OGS jest jednym z pierwszych urz▒dze± maj▒cych s│u┐yµ do wykorzystania konkretnych sk│adnik≤w atmosfery pozaziemskiej do cel≤w za│ogowych misji kosmicznych.
Zasada jego dzia│ania jest nastΩpuj▒ca:
Proces maj▒cy na celu odzysk tlenu z dwutlenku wΩgla w atmosferze marsja±skiej nosi nazwΩ elektroliza tlenu na substancjach sta│ych. Najprostszy uk│ad kom≤rek z│o┐ony jest z trzech warstw. G≤rna i dolna warstwa jest zbudowana z prawem strze┐onych materia│≤w, natomiast warstwa ╢rodkowa jest jakby kom≤rk▒ elektrochemiczn▒ zbudowan▒ z elektrolitu sta│ego (cyrkon stabilizowany itrem), kt≤ra dzia│a jak filtr dla tlenu poprzez przenoszenie jon≤w tlenu z katody na anodΩ. Najlepsze efekty tego procesu obserwuje siΩ w temperaturze 750░C. W tej temperaturze tlen dysocjuje z dwutlenku wΩgla, prowadzony jest przez warstwΩ elektrolitu (itr stabilizowany cyrkonem) i wychodzi poprzez g≤rn▒ lub doln▒ warstwΩ. Urz▒dzenie to nie sk│ada siΩ z tylko z jednego poziomu tr≤jwarstwowych kom≤rek. Tlen oddzielony od swojego gazu macierzystego (w tym wypadku dwutlenek wΩgla) transportowany jest systemem skomplikowanych kanalik≤w do miejsca przeznaczenia znajduj▒cego siΩ w uk│adzie. Miejscem tym mo┐e byµ zbiornik magazynuj▒cy tlen.
Poni┐szy schemat obrazuje zasadΩ dzia│ania generatora tlenu.

Tlen odzyskiwany za pomoc▒ systemu OGS mo┐e zostaµ wykorzystany zar≤wno jako paliwo rakietowe dla przysz│ych misji za│ogowych i bezza│ogowych (mo┐na go zgromadziµ w potΩ┐nych zbiornikach i wykorzystywaµ w miarΩ potrzeb) oraz mo┐e s│u┐yµ do podtrzymywania ┐ycia ludzi lec▒cych na Marsa w przysz│o╢ci.

Innym urz▒dzeniem s│u┐▒cym do odzyskiwania gaz≤w ze skondensowanej marsja±skiej atmosfery jest MICAGG (Mars In-situ Carrier Gas Generator).

Jego zadaniem jest odzyskiwanie z atmosfery Marsa azotu i argonu. Gazy te po│▒czone w atmosferze czerwonej planety z dwutlenkiem wΩgla nie znajduj▒ na razie wiΩkszego zastosowania, ale ju┐ oddzielone od CO2 stanowi▒ wa┐ny czynnik podtrzymuj▒cy ┐ycie biologiczne przysz│ych misji za│ogowych, czynnik decyduj▒cy o dzia│aniu wielu nowoczesnych, precyzyjnych instrument≤w oraz s│u┐▒cy do rozmieszczania przyrz▒d≤w nadmuchiwanych, typu balony meteorologiczne, pojazdy sygnalizacyjne itp.

W misji Mars Surveyor Lander planowanej ju┐ na przysz│y rok zastosowanie znalaz│y r≤wnie┐ inne urz▒dzenia.
Przygotowano kilka mikrosensor≤w maj▒cych do╢µ szerokie zastosowanie.
Jedne z tych mikrosensor≤w s│u┐yµ maj▒ podczas wchodzenia statku kosmicznego lub sondy w atmosferΩ danej planety, podczas gdy inne maj▒ za zadanie badaµ atmosferΩ ju┐ po wyl▒dowaniu statku.

Solid Oxygen Amperometric Pressure Sensor, czyli sensor s│u┐▒cy do mierzenia zawarto╢ci tlenu w atmosferze marsja±skiej jest z urz▒dzeniem elektrochemicznym. Jako elektrolit wykorzystano tu cyrkon stabilizowany itrem. CzΩ╢ciowe ci╢nienie tlenu w strumieniu przep│ywaj▒cego gazu jest wprost proporcjonalne do ci╢nienia tlenu mierzonego przez sensor. Sensory te - ze wzglΩdu na spos≤b mierzenia - mo┐na podzieliµ na potencjometryczne i amperometryczne. W obydwu przypadkach zasada dzia│ania opiera siΩ na przep│ywie cz▒steczek tlenu przez struktury krystaliczne elektrolitu.

W fazie testowania praktycznego - wykorzystany ostatnio w ca│kiem realnej misji statku kosmicznego Deep Space 1 - jest silnik jonowy. Jest to zupe│nie nowatorski system napΩdu pojazdu kosmicznego, bardzo wydajny, bardzo ekonomiczny i niezwykle efektownie prezentuj▒cy siΩ - wystarczy tylko spojrzeµ na poni┐sze zdjΩcia:

Po raz pierwszy silnik jonowy przeznaczony do misji statku kosmicznego Deep Space 1 zastosowano w misji sondy kosmicznej zmierzaj▒cej do znajduj▒cego siΩ niedaleko Ziemi asteroidu oznaczonego symbolem 1992 KD. Pierwszy miesi▒c misji tej sondy mia│ na celu gruntowne przetestowanie w warunkach przestrzeni kosmicznej nowego rodzaju napΩdu. SondΩ wyposa┐ono w paliwo ksenonowe w ilo╢ci 81kg, co w przypadku zastosowania nowatorskiego silnika jonowego zapewnia│o 20 miesiΩcy pracy silnika przy po│owie jego mocy.
12-calowej ╢rednicy silnik jonowy wyrzuca z siebie dodatnio na│adowane jony ksenonu z prΩdko╢ci▒ oko│o 68 tys. mil na godzinΩ daj▒c napΩd rzΩdu 0,02 funta, w por≤wnaniu do 50-500 funtowych przestrzennych napΩd≤w opartych na reakcjach chemicznych. Jednak┐e silnik jonowy pracuj▒c przez wiele tysiΩcy godzin pozwala statkowi kosmicznemu lecieµ ze wzrastaj▒c▒ prΩdko╢ci▒. System napΩdu jonowego jest ponadto 10 razy bardziej ekonomiczny je╢li chodzi o paliwo i dlatego pozwoli w d│ugodystansowych i d│ugotrwa│ych misjach kosmicznych zastosowaµ mniejsze i ta±sze pojazdy.

Zupe│nie innym rodzajem i kierunkiem bada± zaawansowanych technologii kosmicznych s▒ biosfery. S▒ one pr≤b▒ rozwi▒zania problemu czy mo┐na w przestrzeni kosmicznej lub na innych planetach stworzyµ warunki odpowiednie do egzystencji cz│owieka, ro╢lin i zwierz▒t.
Aby jednak m≤c zapewniµ w kosmosie warunki bytowania podobne do ziemskich, nale┐y spe│niµ ca│y szereg warunk≤w. Nale┐y zatem
1. zapewniµ cyrkulacjΩ powietrza, w spos≤b naturalny b▒d╝ sztuczny,
2. zapewniµ cyrkulacjΩ wody,
3. zapewniµ cyrkulacjΩ materii organicznej,
4. stworzyµ takie warunki aby wszystkie procesy regeneracyjne wy┐ej wymienionych czynnik≤w odbywa│y siΩ na zasadzie naturalnej przemiany i reakcji biochemicznych,
5. zapewniµ o╢wietlenie, naturalne lub sztuczne odpowiadaj▒ce parametrami naturze,
6. zapewniµ odpowiednie pod│o┐e do rozwoju upraw.

Pr≤by stworzenia biosfer na Ziemi odnajdujemy ju┐ 30 lat temu, gdy Rosjanie zbudowali kompleks, kt≤ry mia│ stanowiµ podstawΩ pod budowΩ w niedalekiej przysz│o╢ci sta│ej bazy na KsiΩ┐ycu (do czego oczywi╢cie nigdy nie dosz│o - Rosjanie skupili siΩ na d│ugich lotach za│ogowych - chocia┐by stacja orbitalna Mir).
W latach 90-tych Amerykanie powr≤cili do projektu rosyjskiego, ale zmodyfikowali go. Schemat og≤lny biosfery stworzonej na pustyni w Arizonie w USA przedstawiony jest na rysunku poni┐ej. Amerykanie r≤wnie┐ nie doszli do satysfakcjonuj▒cych wniosk≤w. W takiej biosferze jak▒ stworzyli po kilkunastomiesiΩcznych eksperymentach wyginΩ│a wiΩksza czΩ╢µ zwierz▒t i ro╢lin - prze┐y│y tylko nieliczne gatunki. Spowodowane by│o to zbyt du┐ymi zmianami w zamkniΩtej atmosferze biosfery, kt≤re z kolei wywo│ane zosta│y hodowl▒ upraw wytwarzaj▒cych nadmierne ilo╢ci nawoz≤w a przez to i mikroorganizm≤w poch│aniaj▒cych tlen i wytwarzaj▒cych ogromne ilo╢ci dwutlenku wΩgla. B│Ωdem by│o tak┐e umo┐liwienie kontaktowania siΩ elektronicznego ludzi zamkniΩtych w biosferze ze ╢wiatem zewnΩtrznym - zaprzepaszczono w ten spos≤b wszelkie mo┐liwe badania psychologiczne ludzi ┐yj▒cych w ca│kowitym odizolowaniu od ┐ycia zewnΩtrznego. Jedynym sukcesem ameryka±skiej biosfery by│o dowiedzenie, ┐e pow│oka metalowa chroni▒ca ekosystem przed atmosfer▒ zewnΩtrzn▒ jest bardzo szczelna (ubytek gaz≤w w skali rocznej wyni≤s│ zaledwie oko│o 10%).

Urz▒dzenie s│u┐▒ce do badania interakcji plazmy. Urz▒dzenie to, zwane w skr≤cie PIF (Plasma Interaction Facility) s│u┐y do prowadzenia eksperyment≤w w dziedzinie efekt≤w ╢rodowiska panuj▒cego w przestrzeni kosmicznej, pozwala na prowadzenie eksperyment≤w na ogniwach s│onecznych, s│onecznych matrycach i materia│ach pomocniczych wspomagaj▒c zar≤wno prace teoretyczne jak i obecnie prowadzone eksperymenty w przestrzeni kosmicznej. PIF sk│ada siΩ z nastΩpuj▒cych element≤w:
- trzech kom≤r plazmowych o r≤┐nych wymiarach;
- dw≤ch garnk≤w Bella;
- ╝r≤de│ plazmy (katoda standardowa i katoda wydr▒┐ona);
- urz▒dzenia do diagnozowania plazmy;
- kamery nie wymagaj▒cej du┐ego na╢wietlania;
- spektrometru;
- zimnych ╢cian (dla test≤w termicznych, pr≤┐niowych);
- element≤w napΩdowych;
- oraz z urz▒dzenia wytwarzaj▒cego pr≤┐niΩ o wymiarach 15m ╢rednicy i 60m d│ugo╢ci.

PIF by│o lub obecnie jest wykorzystywane do prowadzenia nastΩpuj▒cych eksperyment≤w:
- testowanie ╝r≤d│a plazmy w postaci katody wydr▒┐onej;
- badanie plazmy na statkach kosmicznych i testy w przestrzeni;
- testowanie ogniw │uku s│onecznego;
- nienormalnie wysoki pob≤r pr▒du w pr≤bkach o wysokim napiΩciu;
- testy pojemno╢ci i wsp≤│czynnika anodowania │uku glinowego;
- pob≤r pr▒du przez urz▒dzenia radiacyjne;
- testy Lewisa dotycz▒ce bada± termicznych i pr≤┐niowych przestrzeni kosmicznej;
- jako pomoc w konstruowaniu satelity obserwuj▒cego ZiemiΩ (EOS-AM) i w konstruowaniu miΩdzynarodowej stacji orbitalnej Alpha.

Planuje siΩ w najbli┐szej przysz│o╢ci wykorzystaµ to urz▒dzenie do prowadzenia nastΩpuj▒cych eksperyment≤w:
- testowanie przydatno╢ci plazmowych ogniw s│onecznych;
- testowanie kompatybilno╢ci pokryw i izolacji plazmowych;
- testowanie termiczno - pr≤┐niowe;
- testowanie efekt≤w plazmowego i tlenu atomowego;
- testy efekt≤w na│adowania biegunowego.
Jest to zatem kolejny przyk│ad na zastosowanie urz▒dze± zbudowanych na Ziemi do prowadzenia eksperyment≤w maj▒cych pom≤c cz│owiekowi w podboju przestrzeni kosmicznej. Eksperymenty ju┐ prowadzone, lub dopiero planowane za pomoc▒ PIF maj▒ generalnie za zadanie dopom≤c w opracowaniu modelu odpowiednio szybkiego, energooszczΩdnego systemu napΩdu silnik≤w pojazd≤w kosmicznych, opartego na energii s│onecznej.

To tylko kilka z bardzo du┐ej liczby urz▒dze± i dziedzin technologii obecnie rozwijanych i opracowywanych dla potrzeb podboju kosmicznego.
Od powodzenia miΩdzy innymi tych eksperyment≤w zale┐▒ najbli┐sze plany i najbli┐sze loty sond i statk≤w kosmicznych konstruowanych chocia┐by przez ameryka±sk▒ NASA.

Clifford