נאס"א מתמודדת עם אתגרים בניהול נוזלים קריוגניים החיוניים למשימות חלל, המחייבות טכנולוגיות חדשות לאחסון והעברה כדי לתמוך בחקר הירח והמאדים העתידיים. קרדיט: נאס"א
חידושים בניהול נוזלים קריוגניים על ידי נאס"א שואפים להבטיח את הצלחת חקר החלל האנושי הממושך, במיוחד עבור משימות ארטמיס ומעבר לכך.
הקמת פעולות מתמשכות בירח ו מַאְדִים מציגה שפע של הזדמנויות ואתגרים שנאס"א טרם נתקלה בה. רבות מהפעילויות הללו דורשות טכנולוגיות ותהליכים חדשים כדי להבטיח שהסוכנות ערוכה למשימות הארטמיס השאפתניות שלה ולאלה שמעבר לה.
אחד האתגרים הללו הוא עבודה עם נוזלים קריוגניים, כלומר נוזלים הקיימים במצב נוזלי בין מינוס 238 מעלות פרנהייט ו אפס מוחלט (מינוס 460 F). הנוזלים הללו – מימן נוזלי (הקשה ביותר לעבוד איתו), מתאן וחמצן – חיוניים להנעת חלליות ולמערכות תומכות חיים. הנוזלים עשויים להיות מיוצרים בעתיד גם על משטחי הירח והמאדים באמצעות ניצול משאבים במקום (ISRU).
חקר האדם בחלל העמוק מצריך אחסון כמויות גדולות של נוזלים קריוגניים למשך שבועות, חודשים או יותר, וכן העברה בין חלליות או מחסני דלק במסלול ועל פני השטח. כל היבט מאתגר, ועד היום, כמויות גדולות של נוזלים קריוגניים אוחסנו רק במשך שעות בחלל. מהנדסים העובדים בתיק ניהול הנוזלים הקריוגניים (CFM) של נאס"א – בהובלת משימות הדגמה טכנולוגיות במנהל משימת טכנולוגיית החלל ומנוהלים במרכז המחקר גלן של הסוכנות בקליבלנד ובמרכז טיסות החלל מרשל בהאנטסוויל, אלבמה – פותרים את הבעיות הללו לקראת העתיד משימות.
"זו משימה שלא נאס"א ולא השותפים שלנו ביצעו מעולם", אמרה לורן אמיין, סגנית מנהלת תיקי ה-CFM. "מושגי המשימה העתידיים שלנו מסתמכים על כמויות אדירות של נוזלים קריוגניים, ועלינו להבין כיצד להשתמש בהם ביעילות לאורך משך זמן ארוך, מה שדורש סדרה של טכנולוגיות חדשות החורגות בהרבה מהיכולות של היום."
תמונה משנת 2019 של טנק SHIIVER יושב בתוך תא הוואקום של מתקן ההנעה בחלל במתקן הניסוי ניל ארמסטרונג של נאס"א בסנדוסקי, אוהיו. המיכל היה חלק ממאמץ של ניהול נוזל קריוגני לבדיקת המיכל בטמפרטורות קיצוניות ולהבטיח שהטכנולוגיות החדשות ישמרו על חומרי ההנעה בפנים קרים ובמצב נוזלי. קרדיט: נאס"א
אתגרים קריוגניים
כדי שנוזל קריוגני יהיה שימושי, עליו להישאר במצב נוזלי וקפוא. עם זאת, הפיזיקה של מסע בחלל – תנועה פנימה והחוצה לאור השמש ושהייה ארוכה בכוח משיכה נמוך – הופכת את השמירה על הנוזלים האלה במצב נוזלי ולדעת כמה יש במיכל מסובכת.
מקורות החום בחלל – כמו השמש והפליטה של החללית – יוצרים סביבה חמה בתוך ומסביב למיכלי אגירה הגורמים לאידוי או ל"רתיחה". כאשר הנוזל מתאדה, הוא כבר לא יכול לתדלק ביעילות מנוע רקטי. זה גם מגביר את הסיכון לדליפה או, אפילו גרוע מכך, קרע במיכל.
לא בטוחים כמה גז נשאר במיכל זה לא הדרך שבה החוקרים שלנו רוצים לטוס למאדים. כוח הכבידה הנמוך הוא מאתגר מכיוון שהדלק רוצה לצוף – הידוע גם בשם "סלוש" – מה שמקשה מאוד על מדידה מדויקת של כמות הנוזל והעברתו.
"משימות קודמות שהשתמשו בחומרי הנעה קריוגניים היו בחלל רק כמה ימים בגלל הפסדי רתיחה או אוורור", ציין אמיין. "החלליות הללו השתמשו בתמרוני דחף ותמרונים אחרים כדי להפעיל כוח כדי ליישב את מיכלי ההנעה ולאפשר העברת דלק. במהלך ארטמיס, חלליות ישהו בכוח הכבידה הנמוך זמן רב יותר ויצטרכו להעביר מימן נוזלי בחלל בפעם הראשונה, ולכן עלינו להפחית את הרתיחה ולמצוא דרכים חדשניות להעביר ולמדוד חומרי הנעה קריוגניים".
אז מה נאס"א עושה?
תיק ה-CFM של נאס"א כולל 24 פעילויות פיתוח והשקעות להפחתת הרתיחה, שיפור המדידה וקידום טכניקות העברת נוזלים להנעה בחלל, נחתות ו-ISRU. ישנם ארבעה מאמצים בטווח הקרוב המתרחשים על הקרקע, במסלול קרוב לכדור הארץ, ובקרוב על פני הירח.
הדגמות טיסה
בשנת 2020, נאס"א העניקה ארבעה חוזי Tipping Point ממוקדי CFM לתעשייה האמריקאית – Eta Space, לוקהיד מרטין, SpaceX, ו-United Launch Alliance – לסייע בפיתוח והדגמה של טכנולוגיות CFM בחלל. כל חברה אמורה להשיק את ההדגמה שלה ב-2024 או ב-2025, תוך ביצוע בדיקות מרובות באמצעות מימן נוזלי כדי לאמת טכנולוגיות ותהליכים.
מד מסה בתדר רדיו
כדי לשפר את המדידה, נאס"א פיתחה מדידת מסה בתדר רדיו (RFMG) כדי לאפשר מדידת נוזלים מדויקת יותר בתנאי כבידה נמוכה או דחף נמוך. מהנדסים עושים זאת על ידי מדידת הספקטרום האלקטרומגנטי, או גלי הרדיו, בתוך הטנק של חללית לאורך המשימה, ומשווים אותם להדמיות נוזלים כדי לאמוד במדויק את הדלק שנותר.
ה-RFMG הוכח בניסויים קרקעיים, טיסה פרבולית תת-מסלולית, ועל תחנת חלל בינלאומית, והוא ייבדק בקרוב על הירח במהלך טיסת שירותי מטען ירחי מסחרית הקרובה עם מכונות אינטואיטיביות. לאחר הדגמה בסביבת הירח, נאס"א תמשיך לפתח ולהרחיב את הטכנולוגיה כדי לאפשר פעולות משופרות של חלליות ונחתות.
קריאוקולרים
קריאוקולרים פועלים כמו מחליפי חום עבור מיכלי הנעה גדולים כדי להפחית את הרתיחה בשילוב עם מערכות בידוד טנקים חדשניות. עם שותפים בתעשייה, כמו Creare, החלה נאס"א בבדיקת מערכות קריו-קירור בעלות קיבולת גבוהה השואבות את הנוזל ה"עובד" דרך רשת של צינורות המותקנות על המיכל כדי לשמור עליו קריר. נאס"א מתכננת להגדיל את גודל הטנק ואת היכולות כדי לעמוד בדרישות המשימה לפני עריכת הדגמות טיסה עתידיות.
CryoFill
נאס"א גם מפתחת מערכת נזילות כדי להפוך חמצן גזי לחמצן נוזלי על פני הירח או מאדים כדי לתדלק נחתות באמצעות חומר הנעה המיוצר במקום. גישה זו משתמשת בשיטות שונות כדי לקרר חמצן לטמפרטורה קריטית (לפחות מינוס 297 מעלות פרנהייט), שם הוא מתעבה, והופך מגז לנוזל. פיתוח ובדיקות ראשוניות הוכיחו ש-NASA יכולה לעשות זאת ביעילות, והצוות ממשיך להתאים את הטכנולוגיה לגדלים וכמויות רלוונטיות של טנקים עבור פעולות עתידיות.
בסופו של דבר, מאמצי נאס"א לפתח ולבדוק מערכות CFM שהן צריכות אנרגיה, מסה וחסכוניות הן קריטיות להצלחת המשימות השאפתניות של הסוכנות לירח, למאדים ומעבר לה.
