Elektromagnetiline katapult

Kuupealse kontseptsiooni joonistus

Elektromagnetiline katapult on idee kosmoselennu läbiviimiseks ilma kütuseta. Elektromagnetiline katapult kasutab lineaarset mootorit, et kiirendada ja katapulteerida objekti suurel kiirusel. Kõik olemasolevad kontseptsioonid elektromagnetilisest katapuldist kasutavad juhtmete pooli, mis on elektriliselt laetud, et tekitada elektromagneteid. Elektromagnetide järjestikune käivitamine kiirendab objekti mööda rada edasi. Kui objekt on kiirendatud rajast välja, siis ta jätkab liikumist impulsi tõttu.^[1]

Kuigi iga seade, mis laseb ballistilise nimikoormuse on tehniliselt elektromagnetiline katapult. Selles kontekstis on elektromagnetiline katapult solenoidkahur, mis magnetiliselt kiirendab objekti, mis sisaldab magneetuvat hoidjat. Kui nimikoormus on kiirendatud, need kaks eralduvad ja hoidjat aeglustatakse selleks, et seda saaks hiljem taaskasutada järgmiseks lasuks.^[1]

Elektromagnetiline katapult on enamasti solenoidkahur, mis magnetiliselt kiirendab objekti, mis sisaldab magnetilist hoidjat ja kasulikku koormust. Kosmoseaparaate saab välja saata kolmel viisil:
1) suur Maa-pealne elektromagnetiline katapult, mis laseks kosmoseaparaadi Maast eemale;
2) väike elektromagnetiline katapult, mis on paigaldatud kosmosesüstikule, mis laseks kosmosesse väikseid tükke, et süstik saaks liikuda kosmoses;
3) suurem baas Kuul või mingil teisel taevakehal. ^[2]

Fikseeritud elektromagnetiline katapult

Elektromagnetilisel katapuldil ei tohi olla mingit füüsilist kontakti liikuvate osade vahel, sest objekti liigutatakse dünaamilise magnetlevitatsiooni abil. Selline kasutusviis tagab mahuka korduskasutuse. Teoreetilist on võimalik elektromagnetilise katapuldiga lasta miljoneid kordi. Piirkulud on üldiselt madalad, aga masina ehitamine sõltub jõudlusest, eriti massist, kiirendusest ja mürsu kiirusest. Gerard O'Neill ehitas enda esimese elektromagnetilise katapuldi aastatel 1976–1977 eelarvega 2000 dollarit. Katapult oli väiksem mudel ning mõeldud lühemate distantsidele laskmiseks. Selline mudel lasi mürsu kiirusega 40 m/s ja kiirendusega 33 g. Tema järgmine mudel oli suurema kiirendusega pärast seda, kui teda rahastati. Mõned aastad hiljem pakkus välja Texase Ülikool, et elektromagnetiline katapult, mis laseb 10 kilogrammise mürsu kiirusega 6000 m/s, maksaks 47 miljonit dollarit.^[3][4][5]

Raskemad objektid liiguvad proportsionaalselt aeglasemini. Kergemad objektid võidakse lasta kiirusega 20 km/s või isegi rohkem. Kiirusi limiteerib enamasti energia kulu ning kuivõrd kiiresti on energiat võimalik kasutada. Ühe kilomeetrine elektromagnetiline katapult saab kiirendada 20 kg sõidukit kiiruseni 10,5 km/s muundamise kasuteguriga 80% ja keskmise kiirendusega 5,600 g.^[6]

Maa-pealsed kontseptsioonid, näiteks StarTrami idee, vajaks suuri investeeringuid. Maa tugev gravitatsioon ja tihe atmosfäär teevad sellise elektromagnetilise katapuldi rajamise raskeks. Seega paljud arvavad, et pigem tuleks katapult ehitada Kuule, kus gravitatsioon on väiksem ja puudub atmosfäär.^[7]

Parimates elektromagnetilise katapuldi tehnilistes lahendustes kasutatakse ülijuhtivaid poole, et saavutada mõistlik energeetiline efektiivsus (tihti 50–90% või enamgi, olenevalt tehnilisest lahendusest). Mõnes lahenduses kasutatakse ülijuhtivat "ämbrit" või alumiiniumpooli kasuliku koormusena.^[8]

Mõnes tehnilises lahenduses hoitakse kasulikku koormust "ämbris" ning siis vabastatakse, et "ämbrit" saaks aeglustada ja taaskasutada.

Maa-pealne elektromagnetiline katapult

Elektromagnetilised katapuldid võivad olla igas pikkuses, taskukohased ja üldiselt sujuva kiirendusega. Samuti on võimalik, et kiirendusrada on piisavalt pikk, et objekti saab kiirendada, ilma liiga suure ülekoormusega reisijatele. Seda saab ehitada ühe pika rajana kosmoselennuks, mis on raja lõpust kõrgendatud. Sellepärast on üks lihtne meetod ehitada kiirendusradasid kõrge mäe peale. Mida kõrgem on rada, seda vähem peab kokkupuutuma õhutakistusega atmosfääris.

Elektromagnetiline katapult Maa peal oleks võimalik ka teisiti kasutada. Elektromagnetiline katapult kiirendaks nimikoormust kõrgele kiirusele, mis ei oleks piisav orbiidini jõudmiseks. Seejärel vabastatakse nimikoormus, mis lõpetaks oma teekonna rakettide abiga. Selline viis vähendaks oluliselt vajaliku kiiruse hulka, mida oleks vaja rakettidel orbiidini jõudmisel. Alla kümnendiku orbitaalsest kiirusest oleks väiksest raketi trasterist oleks piisav, et kõrgendada apsiidi, kui tehnilises lahenduses on eelistatud selle minimeerimist. Hübriid elektromagnetilise katapuldi disainid valikuliselt vähendavad nõudmisi elektromagnetilise katapuldile omades suuremat kogust delta-v raketti põlemise tõttu.^[7] Maa peal saavad elektromagnetilise katapuldi disainid kasutada hästi katsetatud maglev-i komponente.

Selleks et lasta mehitud kosmoseaparaati kosmosesse, peab elektromagnetilise katapuldi rada olema sadu kilomeetreit pikk, et objektil oleks piisavalt suur kiirus madalale orbiidile jõudmiseks. Piisavaks pikkuseks, kui kiirendada peaaegu konstantsel maksimum lubatud ülekoormusel inimestele, on proportsionaalne kiirus ruuduga. Näiteks pool vajalikust kiirusest saaks vastata veerandile tunneli pikkusele. Konarlikele objektidele piisab palju suurem kiirendus, mis lubaks lühemat rada. Veel üks kontseptsioon on suur rõngakujuline disain, kus kosmoseaparaat sõidaks ringi mitu korda. Selliselt kogus aparaat kiirust ning enne rajalt välja laskmist liiguks sirgele rajale, mis on suunatud taeva poole.^[9]

Elektromagnet katapulte võidakse kasutada tuumasaaste eemaldamiseks. Kosmosesse lastakse mürsk, mis lendab ära suurema kiirusega kui paokiirus. Atmosfäärist läbimine tervelt on võimalik, siis kui mürsk on korralikult kaitstud kuumuse eest.^[6][10]

Kosmoseaparaadipealne elektromagnetiline katapult

Kosmoseaparaat võiks kanda elektromagnetilist katapulti, kui primaarset mootorit. Kosmoseaparaat saab kasutada elektromagnetilist katapulti, et kiirendada koormat kosmosesse ja ennast kiirendada vastassuunas. Absoluutset teoreetilist piiri ei ole teada suuruse või kiirenduse kohta, kuid praktilised inseneri piirangud kehtivad näiteks massivõimsuse, jäätmete soojuse hajumise ja energia tarbimise kohta.

Elektrireaktiivajami meetodid, nagu elektromagnetilised katapuldid, on süsteemid, kus energia ei tule kütusest. Kindel elektrilise põtkuri impulss saab ulatuda kuni hetkeni, kus elektromagnetilised katapuldid sulanduvad osakeste kiirendiks koos fraktsioneeriva valguse kiiruse väljalaske kiirusega väikesteks osakesteks. Proovides kasutada äärmuslikku väljalaskekiirust, et kiirendada palju aeglasemat kosmoseaparaati, võib olla suboptimaalselt madal tõukejõud, kui energia, mis on saadaval kosmoseaparaadi reaktorist või energiaallikas on limiteeritud.^[11]

Elektromagnetilised katapuldid relvadena

Väikseid elektromagnetilisi mürsulaskjaid arendab aktiivselt USA merevägi, selleks et kasutada neid Maa-pealse või laevapealse relvana.^[12] Piisavalt kiiret lineaarset mootorit saaks põhimõtteliselt kasutada kontinentidevahelise suurtükikahurina või kui see asetseb Kuu peal või orbiidil, saaks kahurit kasutada, et rünnata mingit kindlat kohta Maa peal.^[13][14]

Praktilised katsed

Ühe esimese "elektripüssi" kontseptsiooni mõtles välja Princetoni füüsik Edwin Fitch Northrup. Dr Northrup ehitas prototüübi pooli püssidest, mis töötavad kHz sagedusega kolme faasi elektrigeneraatoritega. Raamatus kirjeldatakse väljamõeldud olukorda, kus tehakse kuu ümber reis kahte inimest mahutava masinaga, mis on algatatud Northrupi elektrilise püssiga.^[15]

Viited

1. Kolm, H.; et al. (1980). "Electromagnetic Guns, Launchers, and Reaction Engines". MIT. {{cite journal}}: ; et al.-i üleliigne kasutus kohas: |author= (juhend)
2. Kolm, H.; et al. (1980). "Mass Driver Up-To-Date". MIT. Originaali arhiivikoopia seisuga 1. detsember 2017. Vaadatud 9. jaanuaril 2015. {{cite journal}}: ; et al.-i üleliigne kasutus kohas: |author= (juhend)
3. IEEE Transactions on Magnetics, Vol Mag-18, No. 1 9. jaanuar 2015
4. L5 News, Volume 2, Number 6 9. jaanuar 2015
5. Electromagnetic Launchers for Space Applications 9. jaanuar 2015
6. "L5 news, Sept 1980: Mass Driver Update". Originaali arhiivikoopia seisuga 1. detsember 2017. Vaadatud 9. jaanuaril 2015.
7. "StarTram2010: Maglev Launch: Ultra Low Cost Ultra High Volume Access to Space for Cargo and Humans".
8. "Electromagnetic Launchers".
9. The Space Monitor – Magnetic Launch System
10. "Ablation and deceleration of mass-driver launched projectiles for space disposal of nuclear wastes".
11. "Physics of Rocket Systems with Separated Energy and Propellant".
12. "U.S. Navy". Originaali arhiivikoopia seisuga 8. november 2017. Vaadatud 9. jaanuaril 2015.
13. Applications of coilgun electromagnetic propulsion technology 9.jaanuar 2015
14. Affordable Spacecraft: Design and Launch Alternatives, Chapter 5, Page 36 9.jaanuar 2015
15. Pseudoman, Akkad (1937). Zero to Eighty. Princeton, New Jersey: Princeton University Press.