Uspostavljanje trajnih operacija na Mesecu i Marsu predstavlja mnoštvo mogućnosti i izazova sa kojima NASA tek treba da se suoči. Mnoge od ovih aktivnosti zahtevaju nove tehnologije i procese kako bi se osiguralo da je agencija spremna za svoje ambiciozne misije Artemis i one izvan njih.
Jedan od tih izazova je rad sa kriogenim tečnostima, što znači da tečnosti postoje u tečnom stanju između –150°C i apsolutne nule (-273°C). Ove tečnosti — tečni vodonik (sa kojima je najteže raditi), metan i kiseonik — su od vitalnog značaja za pogon svemirskih letelica i sisteme za održavanje života. Tečnosti bi se takođe mogle proizvoditi u budućnosti na površini Meseca i Marsa putem korišćenja resursa na licu mesta (ISRU).
Ljudsko istraživanje u dubokom svemiru zahteva skladištenje velikih količina kriogenih tečnosti nedeljama, mesecima ili duže, kao i prebacivanje između svemirskih letelica ili skladišta goriva u orbiti i na površini. Svaki aspekt je izazovan, a do danas su velike količine kriogenih tečnosti čuvane samo satima u svemiru. Inženjeri koji rade u NASA-inom portfelju za upravljanje kriogenim fluidima (CFM)—predvođeni misijama za demonstraciju tehnologije u okviru Direkcije za misiju svemirske tehnologije i kojima upravlja agencijski istraživački centar Glen u Klivlendu i Maršal centar za svemirske letove u Hantsvilu, Alabama—rešavaju ta pitanja ispred budućnosti misije.
„Ovo je zadatak koji ni NASA, ni naši partneri, nikada ranije nisu uradili“, rekla je Loren Amin, zamenica menadžera CFM portfelja. „Naši koncepti buduće misije oslanjaju se na ogromne količine kriogenih tečnosti, i moramo da shvatimo kako da ih efikasno koristimo tokom dugog trajanja, što zahteva niz novih tehnologija koje daleko prevazilaze današnje mogućnosti.
Da bi kriogena tečnost bila upotrebljiva, ona mora ostati u hladnom, tečnom stanju. Međutim, fizika svemirskog putovanja – ulazak i izlazak iz sunčeve svetlosti i dug boravak u niskoj gravitaciji – čine održavanje tih tečnosti u tečnom stanju i saznanje koliko ih ima u rezervoaru komplikovanim.
Izvori toplote u svemiru — poput sunca i izduvnih gasova svemirske letelice — stvaraju vruće okruženje unutar i oko rezervoara za skladištenje, što izaziva isparavanje ili „isparivanje“. Kada tečnost ispari, više ne može efikasno da gorivo za raketni motor. Takođe povećava rizik od curenja ili, još gore, pucanja rezervoara.
Nesigurnost koliko je gasa ostalo u rezervoaru nije način na koji naši istraživači žele da odlete na Mars. Niska gravitacija je izazovna jer gorivo želi da pluta okolo — poznato i kao „slosh“ — što otežava precizno merenje količine tečnosti i njeno prenošenje.
„Prethodne misije koje su koristile kriogena goriva bile su u svemiru samo nekoliko dana zbog isparenja ili gubitaka ventilacije“, primetio je Amin. „Te svemirske letelice su koristile potisak i druge manevre da bi primenile silu da sleže rezervoare sa gorivom i omogućile prenos goriva. Tokom Artemide, svemirske letelice će boraviti u niskoj gravitaciji mnogo duže i trebaće da prenesu tečni vodonik u svemir po prvi put, tako da moramo da ublažimo propadanje. i pronađu inovativne načine za prenos i merenje kriogenih pogonskih goriva.“
NASA-in CFM portfolio obuhvata 24 razvojne aktivnosti i investicije za smanjenje propadanja, poboljšanje merenja i unapređivanje tehnika prenosa tečnosti za pogon u svemiru, lendere i ISRU. Postoje četiri kratkoročna pokušaja koji se odvijaju na zemlji, u orbiti blizu Zemlje, a uskoro i na površini Meseca.
Godine 2020. NASA je američkoj industriji dodelila četiri ugovora Tipping Point fokusirana na CFM — Eta Space, Lockheed Martin, SpaceKs i United Launch Alliance — za pomoć u razvoju i demonstraciji CFM tehnologija u svemiru. Planirano je da svaka kompanija pokrene svoju demonstraciju 2024. ili 2025., izvodeći više testova koristeći tečni vodonik za validaciju tehnologija i procesa.
Da bi poboljšala merenje, NASA je razvila radiofrekventne merilnike mase (RFMG) kako bi omogućila preciznije merenje tečnosti u uslovima niske gravitacije ili malog potiska. Inženjeri to rade merenjem elektromagnetnog spektra, ili radio talasa, unutar rezervoara svemirske letelice tokom misije, upoređujući ih sa simulacijama fluida kako bi precizno procenili preostalo gorivo.
RFMG je dokazan u zemaljskim testovima, suborbitalnom paraboličnom letu i na Međunarodnoj svemirskoj stanici, a uskoro će biti testiran i na Mesecu tokom predstojećeg leta komercijalnih lunarnih usluga sa intuitivnim mašinama. Jednom kada bude demonstrirana u lunarnom okruženju, NASA će nastaviti da razvija i povećava tehnologiju kako bi omogućila poboljšane operacije svemirskih letelica i lendera.
Kriohladnjaci deluju kao izmenjivači toplote za velike rezervoare za gorivo kako bi ublažili isparavanje kada se kombinuju sa inovativnim sistemima za izolaciju rezervoara. Sa industrijskim partnerima, kao što je Creare, NASA je počela da testira sisteme kriohladnjaka visokog kapaciteta koji pumpaju „radni“ fluid kroz mrežu cevi instaliranih na rezervoaru kako bi se ohladio. NASA planira da poveća veličinu rezervoara i mogućnosti kako bi ispunila zahteve misije pre nego što sprovede buduće demonstracije leta.
NASA takođe razvija sistem za tečenje da bi se gasoviti kiseonik pretvorio u tečni kiseonik na površini Meseca ili Marsa za dopunu goriva za sletanje koristeći pogonsko gorivo proizvedeno na licu mesta. Ovaj pristup koristi različite metode za hlađenje kiseonika do kritične temperature (najmanje –183°C), gde se kondenzuje, pretvarajući se iz gasa u tečnost. Početni razvoj i testiranje su dokazali da NASA to može efikasno da uradi, a tim nastavlja da povećava tehnologiju na relevantne veličine i količine rezervoara za buduće operacije.
Na kraju krajeva, napori NASA-e da razvije i testira CFM sisteme koji su energetski, masovni i isplativi su ključni za uspeh ambicioznih misija agencije na Mesec, Mars i dalje.
