"Нация, контролирующая магнетизм, контролирует вселенную."
Так провозгласил персонаж комиксов Дит Смит в 1960-х годах, когда он летел с Диком Трейси с Земли на Луну в космическом купе с магнитным приводом. Заявление Смита было несколько преувеличенным, но в нем была доля правды: вы можете сократить расходы на космические путешествия, используя удлинитель для подключения к магнитному полю планеты.
Ученые и инженеры Центра космических полетов им. Маршалла НАСА разрабатывают тестовую модель такого устройства, которое будет использовать магнитное поле Земли для повторного входа ступени ракеты в атмосферу за несколько дней, а не месяцев. Если это сработает, у Америки появится новый мощный инструмент для поддержания спутников в рабочем состоянии - даже для исследования Солнечной системы - без использования ракет.
Это может даже сократить расходы на эксплуатацию Международной космической станции на 2 миллиарда долларов в год.
Он не будет работать так же, как Space Coupe с управляемыми магнитами. Вместо этого ProSEDS будет использовать удлинитель длиной 20 км (12 миль), который подключается к магнитосфере и превращает шнур в электродвигатель, медленно поднимающий или опускающий орбиту спутника.
Концепции, лежащие в основе ProSEDS - малой движущейся одноразовой системы развертывания - заимствованы из привязанной спутниковой системы, запущенной на космическом челноке в 1995 и 1996 годах. Хотя трос порвался, когда достиг своей длины 19,6 км (12 миль). во время его полета в 1996 году ученые собрали большое количество данных о поведении троса за пять часов работы.
«Существует новая модель того, как вы собираете электрический ток в космосе», - сказал доктор. Ноби Стоун, ученый проекта Tethered Satellite System. Стоун и доктор Деннис Галлахер из Лаборатории космических наук НАСА им. Маршалла консультируют инженеров Маршалла по электродинамическим аспектам эксперимента ProSEDS.
Привязная спутниковая система использовала большой механизм развертывания, напоминающий палубную лебедку, в грузовом отсеке космического корабля "Шаттл". Лебедка размотала 20 км изолированного токопроводящего троса со сферическим спутником на конце. Когда Шаттл вращался вокруг Земли, электрический провод пересекал магнитное поле Земли, и движение создавало электрический ток. Электроны, из которых состоит ток, собирались спутником через трос и выводились из шаттла с помощью электронной пушки, которая сбрасывала заряд по мере его накопления.
Стоун и другие ученые обнаружили, что привязная система производит больший ток, чем ожидалось.
«Теоретические модели не были точными, - сказал Стоун, - и токи оказались выше, чем мы ожидали. В частности, модели требуют, чтобы напряжение для сбора тока было в 10 раз больше, чем наблюдаемое. Перед полетом модели предсказывали, что трос будет производить 0,5 ампер (0,5 А) в идеальных условиях. Вместо этого он производил более 1 ампер при далеко не идеальных условиях.
«Модели отличались в два или три раза, потому что они не учитывали эффекты орбитального движения через плазму (наэлектризованный газ) ионосферы», - сказал Стоун. В то время как движение проводника через магнитное поле имеет решающее значение (также как работает генератор на электростанции), движение через электроны в пространстве считалось незначительным эффектом. Шаттл движется со скоростью 7,7 км/с (17 500 миль в час), в то время как электроны движутся со скоростью 200 км/с (115 000 миль в час).
Оказывается, ток, переносимый этими электронами, хорошо соединяется с привязанной системой и «вносит значительный вклад» в генерируемую мощность.
Хуан Сан Мартин из Испании предсказал, что для работы привязанной системы не требуется большая сфера в конце линии. Движение спутника в космосе создает плазменный щит, который находится на расстоянии около 1 см (0,4 дюйма) от поверхности космического корабля. На TSS диаметром 1,8 м (6 футов) этот зазор в 1 см добавляет только около 2 процентов площади сбора. На проволоке площадь сбора увеличивается в 400 и более раз, так что 82-метровая проволока имеет такую же эффективную площадь сбора, как и 1,8-метровая сфера.
«Если этот новый трос с оголенным проводом будет работать, как рекламируется», - сказал Стоун. «это позволило бы нам собирать значительно больший ток для заданной длины троса». В результате более короткие тросы можно было использовать для движения или для выработки электроэнергии.
«Применения этого, потенциально, для производства энергии или тяги на Международной космической станции», объяснил Галлахер. Трос может обеспечить станцию дополнительным электричеством или помочь поддерживать ее высоту, чтобы она не вернулась в атмосферу Земли.
Привязь создаст небольшое усилие. Сила на шаттле составляла 0,4 ньютона (0,1 фунта). Но применяется постоянно, в течение нескольких часов или дней, это имеет значение. Лес Джонсон из Управления передовых систем и технологий Marshall прогнозирует, что 10-километровая тросовая система мощностью 10 киловатт может поднять спутник массой 1000 кг (2200 фунтов) на расстояние от 400 до 540 км за один день, в зависимости от орбита и другие условия.
Джонсон и другие сотрудники Управления передовых систем и технологий разрабатывают концепцию ProSEDS для проверки этой инновационной идеи.
«Главное, что мы пытаемся сделать, - это продемонстрировать движущую силу электродинамического троса», - сказал Джонсон. «Мы рассматриваем это как предшественник множества различных подходов, которые мы изучали».
ProSEDS намного меньше, чем привязанная спутниковая система Shuttle. При работе на будущих спутниках трос, который будет больше похож на зубную нить, чем на высокотехнологичную веревку TSS, будет разматываться с бобины в банке. Банка высвобождается со спутника, и разница в гравитации Земли - даже при разнице в высоте в несколько футов - тянет банку вниз. В конце концов, трос разматывается на расстоянии 25 км. Около 5 км (3 мили) троса рядом с космическим кораблем будут оголены; остальная часть не проводит ток и обеспечивает достаточное расстояние на тросе, чтобы он оставался натянутым.
В демонстрационном полете ProSEDS спутник будет второй ступенью ракеты Delta. ProSEDS будет использоваться в качестве дополнительной полезной нагрузки для запуска более крупного спутника (назначение находится в поиске). Бобина троса останется на ракете, а груз будет разматываться вверх по тросу. После того, как спутник выведен на орбиту, вторая ступень обычно медленно возвращается с 400 км (240 миль) на Землю за счет атмосферного сопротивления. Через 120 дней он снова входит и сгорает.
Джонсон, Стоун и Галлахер хотят сделать это примерно за 15 дней. Их план состоит в том, чтобы трос увеличивал сопротивление, действуя как электрический генератор для питания батарей телеметрического пакета ProSEDS. Этот пакет, оснащенный датчиками, которые Стоун разработает на основе конструкций, проверенных на космических челноках и спутниках, позволит точно измерить, насколько хорошо работает концепция троса с неизолированным проводом). Помимо прочего, команда ProSEDS хочет изучить поведение троса, чтобы увидеть, не приведет ли разница между днем и ночью к тому, чтобы трос вышел из-под контроля, как маятник.
Работающий наоборот, трос, питаемый солнечными батареями, такими как на Международной космической станции, поднимал орбиту спутника и не позволял ему вернуться.
«Мы не такие быстрые, как химические ракеты, но у нас есть эффективность электрического двигателя», - сказал Джонсон. Электрические двигатели обеспечивают большую тягу на фунт топлива, чем химические двигатели. Поскольку тяговый трос не расходует топливо, его эффективность будет измеряться его стоимостью по сравнению с ракетами. А это может составлять всего 8 процентов от стоимости химических ракет.
Движущий трос будет весить около 90 кг (200 фунтов).). В свою очередь, это избавило бы от необходимости возить на станцию до 4 000 кг (8 800 фунтов) химического топлива. Атмосферное сопротивление на станции составит от 0,3 до 1,1 ньютона (в зависимости от времени года), а трос может дать тягу от 0,5 до 0,8 ньютона.
Многоразовый космический буксир, называемый верхней ступенью электродинамического троса, может быть построен с использованием движущегося троса для перетаскивания спутников с ракеты-носителя с низкой орбиты на более высокие орбиты. Небо не совсем предел для движущихся тросов. Для этого метода требуется ионосфера, область наэлектризованного газа, которая действует как часть электрической цепи. Вокруг Земли она сужается примерно на 1 500 км (900 миль).
Солнечная плазма и магнитное поле Солнца слишком слабы для межпланетных путешествий. На большинстве планет нет подходящих условий для работы тросовых двигателей. Даже Юпитер с его интенсивным магнитным полем не имеет правильного гравитационного градиента, чтобы держать натянутой привязь, помогающую перемещать спутник при исследовании его спутников.
Тем не менее, условия прямо около самих лун. Это устранило бы проблему хранения химического топлива при нужных температурах, чтобы оно работало в глубоком космосе, или нести сложные электрические двигатели. По запросу Лаборатории реактивного движения отдел разработки программ MSFC изучает двигательный трос, чтобы помочь исследовать ледяную Европу, а Галлахер изучил научные данные, чтобы определить, какие луны Юпитера будут лучшими кандидатами для такой миссии.
«Ио наиболее интересен, потому что он электрически связан» через свои вулканы, которые извергают диоксид серы в космос, сказал Галлахер..
Все это через несколько лет. Демонстрация ProSEDS была одобрена и разрабатывается для запуска, возможно, в 1999 или 2000 году.