průzkum vesmíru | Svět2000

Elektromagnetické vírové dělo pro komunikační a obranné systémy

24. 9. 2024 Iveta Mauci 3 min read 347 Zobrazení elektromagnetické vlny, koaxiální antény, narušení životního prostředí, obranné systémy, průzkum vesmíru, skyrmiony, vírové kruhy, víry

Fyzika Nové Technologie

Vzduchová děla produkují viditelné vírové prstence generováním rotačních rozdílů tlaku vzduchu, zatímco elektromagnetická děla vysílají elektromagnetické vírové pulsy pomocí koaxiálních rohových antén. Elektromagnetický systém také demonstruje vlastnosti vlastní odolnosti a topologii skyrmion, která nabízí jedinečný potenciál ve vysokokapacitní komunikaci, detekci cíle a kódování dat díky své komplexní dynamice vln a topologickým vlastnostem.

Vírové kruhy jsou záhadné a fascinující přírodní jevy. Vykazují úchvatné struktury a chování jak ve vzduchu, tak v elektromagnetických vlnách. Představte si vzduchové dělo, které dokáže vystřelovat prstence vírů a vytvářet tak dokonalý vzdušný vír. Tento jev není jen fyzikální podívanou, ale mistrovským dílem přírody.

Když vzduchové dělo vystřelí, okamžitý rozdíl tlaku způsobí, že vzduch vytvoří rotující prstencovou strukturu. Ta se plynule šíří vzduchem a předvádí jedinečný tvar a dynamiku víru. Aplikujeme-li stejný princip na elektromagnetické vlny, můžeme si představit „elektromagnetické vírové dělo“, které přímo emituje elektromagnetické vírové prstence. Díky vědeckému úsilí se tento koncept postupně stává realitou.

Docent Ren Wang z univerzity elektronických věd a technologií v Číně, odborný asistent Yijie Shen z Nanyangské technologické univerzity v Singapuru a jejich spolupracovníci z University of Southamptonu, navrhli novou metodu využívající koaxiální antény k přímému vyzařování elektromagnetického víru. Při svém výzkumu pozorovali charakteristiky pružného šíření a topologické struktury skyrmionů těchto virů.

Tito vědci shrnuli princip fungování svého elektromagnetického děla slovy: „Princip zahrnuje využití ultraširokopásmových, radiálně polarizovaných, kuželových koaxiálních rohových antén k vytvoření rotující struktury elektromagnetických vln.“

Když anténa vysílá, generuje okamžitý tlakový rozdíl, který tvoří tyto vírové prstence. Ty si udržují svůj tvar a energii na dlouhé vzdálenosti. Jedinečnost této metody spočívá v její schopnosti produkovat elektromagnetické pulsy se složitými topologickými prvky. Jako jsou skyrmiony, které během šíření vykazují pozoruhodnou odolnost a samoléčebné vlastnosti.

Potenciály, kde tuto technologii aplikovat, jsou rozsáhlé. Ve vysokokapacitních komunikačních systémech by tyto vírové pulsy mohly způsobit revoluci ve způsobu přenosu informací. Nabízejí totiž účinné a robustní metody kódování dat. Jedinečné spektrální a polarizační charakteristiky vírových prstenců jim umožňují přenášet více informací ve srovnání s tradičními vlnami. Což z nich dělá ideální kandidáty pro komunikační sítě nové generace.

Vzduchová děla a elektromagnetická děla

„Jejich schopnost zachovat strukturální integritu i v přítomnosti narušení životního prostředí je navíc staví jako cenné nástroje v dálkovém průzkumu Země a detekci cíle. Analýzou jedinečných vzorů těchto vírových pulzů můžeme vyvinout přesnější a spolehlivější metody pro detekci a lokalizaci objektů. Ať už v obranných systémech, nebo při průzkumu vesmíru,“ říkají vědci.

„Když uvažujeme o důsledcích našich zjištění, jsme obzvláště nadšeni z toho, jak by tento výzkum mohl vést k převratným pokrokům v metrologii a zpracování informací. Časoprostorová neoddělitelnost vírových pulzů poskytuje základ pro vývoj nových technik v komplexním kódování dat a možnosti vysoce přesných měření. Textury skyrmionu vložené do vírových prstenců navíc nabízejí zajímavé možnosti pro ukládání a zpracování topologických dat. Což potenciálně vede k efektivnějším způsobům správy a analýzy velkých datových sad.

„Tato práce nejen demonstruje neuvěřitelnou všestrannost elektromagnetických vírových prstenců, ale také připravuje půdu pro budoucí inovace v bezdrátové technologii. Vytváří příležitosti k předefinování našeho chápání elektromagnetických jevů,“ dodali vědci.

Zdroj: EurekAlert, AIP Publishing, Wikipedia Commons

Brr, tady je zima! Úsilí NASA o kryogenní kapaliny za hranicemi vesmíru

22. 1. 2024 Petr Kovanda 1 komentář 5 min read 1172 Zobrazení Cryogenic Fluid Management, hranice vesmíru, kryonyka, Mars, NASA, Ohio, pohonné hmoty, průzkum vesmíru, teastovací středisko

Budoucnost Technologie TOP 10 Vesmír

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.