Foto: simisi1/Pixabay

Zavedení trvalého provozu na Měsíci a Marsu představuje řadu příležitostí a výzev, s nimiž se NASA musí teprve vypořádat. Mnohé z těchto činností vyžadují nové technologie a postupy, které zajistí, že agentura bude připravena na své ambiciózní mise Artemis i na ty další.

Jednou z těchto výzev je práce s kryogenními kapalinami, tedy kapalinami v kapalném stavu mezi minus 238 stupni Fahrenheita a absolutní nulou (minus 460 F). Tyto kapaliny – kapalný vodík (s nímž se pracuje nejobtížněji), metan a kyslík – jsou životně důležité pro pohon kosmických lodí a systémy podpory života. Tyto kapaliny mohou být v budoucnu získávány také na povrchu Měsíce a Marsu prostřednictvím využití zdrojů in situ (ISRU).

Lidský průzkum v hlubokém vesmíru vyžaduje skladování velkého množství kryogenních kapalin po dobu týdnů, měsíců nebo déle, stejně jako jejich přenos mezi kosmickými loděmi nebo palivovými sklady na oběžné dráze a na povrchu. Každý z těchto aspektů je náročný a doposud se podařilo skladovat velké množství kryogenních kapalin ve vesmíru pouze po dobu několika hodin. Inženýři pracující v portfoliu NASA pro řízení kryogenních kapalin (CFM) – vedeném v rámci Technology Demonstration Missions v rámci Space Technology Mission Directorate a řízeném v Glenn Research Center v Clevelandu a Marshall Space Flight Center v Huntsville v Alabamě – řeší tyto problémy před budoucími misemi.

„To je úkol, který NASA ani naši partneři nikdy předtím neudělali,“ řekla Lauren Ameenová, zástupkyně manažera portfolia CFM. „Naše budoucí koncepce misí počítají s obrovským množstvím kryogenních kapalin a my musíme přijít na to, jak je efektivně využívat po dlouhou dobu, což vyžaduje řadu nových technologií, které dalece přesahují dnešní možnosti.“

Kryogenní výzvy

Aby byla kryogenní kapalina použitelná, musí zůstat v chladném, kapalném stavu. Fyzika vesmírných cest – pohyb na slunečním světle a mimo něj a dlouhý pobyt v nízké gravitaci – však komplikuje udržování těchto kapalin v kapalném stavu a znalost jejich množství v nádrži.

Zdroje tepla ve vesmíru – například Slunce a výfukové plyny kosmické lodi – vytvářejí uvnitř a v okolí zásobníků horké prostředí, které způsobuje odpařování nebo „vyvařování“. Když se kapalina odpaří, nemůže již účinně pohánět raketový motor. Zvyšuje se také riziko úniku nebo, ještě hůře, prasknutí nádrže.

Nejistota, kolik paliva v nádrži zbývá, není způsob, jakým by naši průzkumníci chtěli letět na Mars. Nízká gravitace je náročná, protože palivo chce plavat – také známé jako „slosh“ – což velmi ztěžuje přesné měření množství kapaliny a její přenos.

„Předchozí mise využívající kryogenní pohonné hmoty byly ve vesmíru jen několik dní kvůli únikům při varu nebo ventilaci,“ poznamenal Ameen. „Tyto kosmické lodě používaly tah a další manévry, aby vyvinuly sílu k usazení nádrží s pohonnými látkami a umožnily přenos paliva. Během mise Artemis budou kosmické lodě pobývat v nízké gravitaci mnohem déle a poprvé budou muset ve vesmíru přenášet kapalný vodík, takže musíme zmírnit únik varu a najít inovativní způsoby přenosu a měření kryogenních pohonných látek.“

Nádrž SHIIVER z roku 2019, která se nachází ve vakuové komoře zařízení In-Space Propulsion Facility v testovacím středisku Neila Armstronga NASA v Sandusky v Ohiu. Nádrž byla součástí úsilí projektu Cryogenic Fluid Management, jehož cílem bylo otestovat nádrž při extrémních teplotách a zajistit, aby nové technologie udržely pohonné látky uvnitř chladné a v kapalném stavu.

Co dělá NASA?

Portfolio NASA v oblasti CFM zahrnuje 24 vývojových aktivit a investic, jejichž cílem je snížit odpar, zlepšit měření a zdokonalit techniky přenosu kapalin pro pohon ve vesmíru, přistávací moduly a ISRU. V blízké budoucnosti probíhají čtyři činnosti na zemi, na oběžné dráze blízké Zemi a brzy i na povrchu Měsíce.

Letové ukázky

V roce 2020 NASA zadala americkému průmyslu – Eta Space, Lockheed Martin, SpaceX a United Launch Alliance – čtyři zakázky zaměřené na CFM Tipping Point, které mají pomoci při vývoji a demonstraci technologií CFM ve vesmíru. Každá ze společností má v roce 2024 nebo 2025 zahájit příslušné demonstrace a provést několik testů s kapalným vodíkem, aby ověřila technologie a procesy.

Radiofrekvenční hmotnostní měřič

Pro zlepšení měření vyvinula NASA radiofrekvenční měřiče hmotnosti (RFMG), které umožňují přesnější měření kapalin v podmínkách nízké gravitace nebo nízkého tahu. Inženýři to dělají tak, že měří elektromagnetické spektrum neboli rádiové vlny v nádrži kosmické lodi po celou dobu mise a porovnávají je se simulacemi kapaliny, aby přesně změřili zbývající palivo.

Systém RFMG se osvědčil při pozemních testech, suborbitálním parabolickém letu a na Mezinárodní vesmírné stanici a brzy bude testován na Měsíci během nadcházejícího letu Commercial Lunar Payload Services se společností Intuitive Machines. Po předvedení v měsíčním prostředí bude NASA pokračovat ve vývoji a rozšiřování technologie, aby umožnila zdokonalení provozu kosmických lodí a přistávacích modulů.

Kryochladiče

Kryochladiče fungují jako tepelné výměníky pro velké nádrže pohonných hmot, které v kombinaci s inovativními izolačními systémy nádrží zmírňují jejich vyvření. S průmyslovými partnery, jako je Creare, začala NASA testovat velkokapacitní systémy kryochladičů, které čerpají „pracovní“ kapalinu přes síť trubek instalovaných na nádrži, aby ji udržely chladnou. NASA plánuje zvětšit velikost nádrže a její schopnosti, aby splňovala požadavky mise, a to ještě před provedením budoucích letových demonstrací.

Cryo náplň

NASA rovněž vyvíjí systém zkapalňování, který by na povrchu Měsíce nebo Marsu přeměnil plynný kyslík na kyslík kapalný a umožnil tak doplňování paliva do přistávacích modulů pomocí pohonných hmot vyrobených na místě. Tento přístup využívá různé metody k ochlazení kyslíku na kritickou teplotu (nejméně minus 297 stupňů Fahrenheita), při níž zkondenzuje a změní se z plynu na kapalinu. Počáteční vývoj a testy NASA prokázaly, že to lze provést efektivně, a tým pokračuje v rozšiřování technologie na příslušné velikosti a množství nádrží pro budoucí provoz.

Úsilí NASA o vývoj a testování systémů CFM, které jsou energeticky, hmotnostně a nákladově efektivní, je v konečném důsledku rozhodující pro úspěch ambiciózních misí agentury na Měsíc, Mars a další.