NASA розробляє нові способи зберігання палива для міжпланетних польотів

Сучасні космічні місії стикаються із проблемою зберігання палива в космічних апаратах. Використання кріогенного палива та постійна теплова дія Сонця на баки ставлять під загрозу успішні космічні польоти на далекі відстані. Наразі відсутня інфраструктура для дозаправки космічних апаратів. З урахуванням того, що паливо має зберігатися в кріогенному стані, а баки, де воно зберігається, піддаються тепловому впливу сонячної радіації, неможливо набрати достатню кількість палива для польоту на Марс. NASA працює над цією проблемою і нещодавно опублікувала детальний огляд деяких своїх досліджень.

У більшості місій використовується кріогенний водень і кисень як паливо. Однак баки, де воно зберігається, нагріваються через постійну дію сонячного випромінювання. Через відсутність атмосфери неможливо розсіяти це тепло, що може призвести до кипіння палива та втрати частини палива. Коли відбувається нагрівання, паливо починає кипіти, і інженери місій воліють викидати газоподібне паливо в космос, а не залишати його як потенційне середовище для більш швидкого нагрівання решти палива.

Отримане в результаті сублімації паливо може досягти половини необхідного для місії на Марс запасу палива лише за один рік. Внаслідок використання існуючих технологій зберігання палива в космосі робить польоти на Марс неможливими. Однак є альтернативні рішення, такі як системи з нульовим википанням (ZBO) або зі зниженим википанням (RBO). У цих системах використовуються «активні» процеси підтримки тиску в баках і запобігання великих втрат палива. «Активний» процес має активно контролюватись і зазвичай потребує певної кількості енергії. Зокрема, системи ZBO засновані на двох технологічних ідеях – струминному змішуванні палива та технології краплинного упорскування.

При струминному змішуванні частина палива підмішується назад в паровий простір для контролю фазових змін. Система крапельного упорскування використовує спеціальний тип розпилювача, щоб упорскувати краплі палива в зону пари та знижувати тиск. Однак виконання цих процесів в умовах мікрогравітації є труднощами, адже утворення крапель і змішування рідини в космосі не відбуваються, так само як на Землі. Тому NASA проводить експерименти на МКС, щоб повніше зрозуміти ці процеси.

У 2017 році було запущено експеримент ZBOT-1 на МКС, який оцінював поведінку струменів в умовах мікрогравітації. Однак досі після 30 тестів немає повного розуміння, як ці системи діють у мікрогравітації. Незважаючи на те, що їхня поведінка відрізняється від звичного на Землі, вони все ж таки підкоряються фізичним законам. Додаткові експерименти допоможуть дізнатися як краще використовувати системи ZBO.

Два інші експерименти спрямовані на глибше розуміння цього питання. Один із них, ZBOT-NC Experiment, має бути запущений на МКС у 2025 році. Він вивчатиме вплив мікрогравітації на гази, що «неконденсуються», які можна використовувати для контролю тиску всередині паливного бака. Дані спостережень також можна використовувати у комп’ютерних моделях, які використовуються для моделювання та аналізу руху рідини та газу (CFD). Це дозволить вченим краще зрозуміти, ніж модель відрізняється від реальності в умовах мікрогравітації.

Таким чином, NASA активно досліджує можливості розробки систем зберігання палива в космосі, які б дозволили здійснити польоти на Марс. Експерименти на МКС допоможуть уточнити технології, що використовуються для підтримки тиску та запобігання втратам палива в довгих космічних польотах.

Останній тест у серії буде присвячений зміні фази крапель. Цей найамбіційніший тест із трьох — ZBOT-DP, призначений для тестування технології, яка раніше не використовувалася в умовах мікрогравітації. Основну увагу буде приділено дослідженню взаємодії крапель із навколишнім середовищем, включаючи перегріті стінки резервуара, в умовах мікрогравітації. Це може призвести до розробки повністю функціональної крапельної системи та системи активного контролю, яка запобігатиме википанню палива.

Дати проведення тесту ZBOT-DP поки що не заплановані. Зважаючи на важливість цієї технології для місій, таких як «Артеміда» з екіпажем, запланована на найближчі роки, успішне завершення цих експериментів, розробка та випробування паливного бака, оснащеного системою ZBO, мають бути високо пріоритетними завданнями для NASA.