העולם היום נמצא באמצע המרוץ: הגעה של בני אדם למאדים, ואולי אף הקמה של מושבה שם. החברה שמובילה את המרוץ היום היא ספייס-אקס שהמייסד שלה, אילון מאסק, הכריז שהוא רוצה למות על מאדים [1]. לא מזמן החברה הוציאה הודעה דרמטית בקשר למבנה החללית שנועדה להגיע למאדים, שנקראת "ספינת כוכבים" (starship באנגלית) [2].
להודעה שני חלקים. בחלק הראשון מודיעה ספייס-אקס כי החללית תבנה מפלדה. פלדה היא לא חומר שאוהבים להשתמש בו בתעשיית האוויר והחלל, כיוון שלעומת תחליפים כגון אלומיניום, היא חלשה ביחס לצפיפות שלה. זה אומר שכדי להשיג את אותו חוזק מבנה, צריך להשתמש במסה גדולה יותר של פלדה [3]. נוטים להשתמש בפלדה ברכיבים מאוד מסויימים, כמו מחברים, מיכלי לחץ, ועוד כמה רכיבים שבהם החוזק משחק תפקיד מאוד חשוב (במטוסים, למשל, כני נשא פעמים רבות עשויים מפלדה). החומר הפופולרי ביותר בתעופה וחלל הוא אלומיניום, עם טיטניום וחומרים מרוכבים כחלופות נוספות. חומרים מרוכבים הם שילוב של כמה חומרים שונים שמאפשר לנצל יתרונות של כל אחד מהמרכיבים [4]. אכן, התכנון הראשוני של ספינת הכוכבים היה מבוסס על חומרים מרוכבים.
אך לא עוד. הסיבה לכך היא מעבר חום. חללית זקוקה להגנה מפני חום מאוד גבוה שמתפתח בזמן הכניסה לאטמוספירה. למעשה, זו אחת המגבלות הגדולות העומדות בפני שימוש חוזר בחלליות. אצל הרבה חלליות (כגון סויוז [5]) מגן החום הוא חד-פעמי ולהחליף אותו זה לא מעשי. בחלליות רב-שימושיות (כגון מעבורות החלל, או הדרגון [6]), צריך לבדוק את מגן החום בצורה מאוד מדוקדקת אחרי כל שימוש, ולהחליף את החלקים הפגומים שלו – תהליך שמצריך הרבה זמן וכסף.
אחד החסרונות של חומרים מרוכבים הוא העמידות הנמוכה שלהם לחום. מאסק אומר [7] שכדי לא לפגוע בחוזק שלהם, אי אפשר לעבוד איתם בטמפרטורה הגבוהה מ-150 מעלות צלזיוס. לפלדה טמפרטורת עבודה גבוהה בהרבה. בנוסף, פלדה עולה פי 60 פחות מחומרים מרוכבים.
החלק השני של ההודעה הוא אופן ההגנה של החללית ממעומס חום הגבוה שהיא חווה בחזרה לאטמוספירה. החום המתפתח בזמן כניסה לאטמוספירה הוא גבוה מדיי גם לפלדה, ולכן צריך או להגן עליה, או לקרר אותה. בדרך כלל מכסים אותה בשכבת הגנה פסיבית – כלומר, שכבה עבה של חומר מבודד שמגן על החלק הפנימי של החללית. ספייס-אקס הלכו על מערכת קירור אקטיבית, המחקה את מערכת הקירור העיקרית של גוף האדם – הטיל שלהם הולך להזיע.
החלק החיצוני של החללית, שיחשף לחום מאוד גבוה, הולך להיות בנוי מדופן כפולה המורכבת משני לוחות פלדה עם מרווח בינהם. במרווח יזרום נוזל (עדיין לא הוחלט איזה, כרגע חושבים על הדלק של החללית, או על מים). הלוח החיצוני הולך להיות בעל מספר רב של נקבוביות, שדרכן יעבור הנוזל, ויקרר את השכבה החיצונית של החללית על ידי אידוי. הנוזל שמתאדה נפלט לאטמוספירה.
שיטת הקירור הזאת מנוגדת לגמרי לתפיסה המקובלת בתעשיית החלל. למעשה, יש כאן מסה "מבוזבזת" – מרימים כמות כלשהי של נוזל כלשהו שאין לו שימוש בתור מטען, או לצורך הנעת החללית. זאת למרות שכשמשגרים חללית יש עלות גבוהה לכל ק"ג שמרימים. גישה זו גורמת לאנשים רבים לחוסר נוחות. קירור בהזעה לא נוסה מעולם במתקן פרקטי (אם כי כן יש מחקר בתחום, חלק ממנו אף נעשה בטכניון). יש לציין שזו לא פעם ראשונה שספייס-אקס שוברת את האורתודוקסיה של תעשיית החלל – גם השימוש החוזר שלהם בשלבים הראשונים של הטיל, כלומר הנחתה רכה שלהם, גורם ל"בזבוז" דלק, אבל הוכח כרעיון מוצלח.
האם הרעיון הזה יצליח? נראה בזמן קרוב. אבל גם אם לא, זה מרתק ומרגש לראות שתחום החלל, שלפני כמה שנים נראה כאילו הגיע למבוי סתום מבחינת חדשנות ופיתוח, מראה סימנים של חדשנות וחשיבה יצירתית. אולי באמת נגיע ככה למאדים.
מקורות והרחבות:
[1] ההצהרה של איילון מאסק על רצונו למות על מאדים
https://www.cnet.com/news/elon-musk-at-sxsw-id-like-to-die-on-mars-just-not-on-impact/
[2] על החללית המיועדת למאדים
https://www.wired.com/story/spacexs-starship-meant-for-mars-prepares-for-a-first-hop/
[3] תכונות של חומרים שונים
https://www.engineeringtoolbox.com/engineering-materials-properties-d_1225.html
[4] עוד על חומרים מרוכבים
https://lbscience.org/2017/03/02/%D7%9E%D7%94%D7%9D-%D7%97%D7%95%D7%9E%D7%A8%D7%99%D7%9D-%D7%9E%D7%A8%D7%95%D7%9B%D7%91%D7%99%D7%9D-%D7%95%D7%90%D7%99%D7%9A-%D7%94%D7%9D-%D7%A7%D7%A9%D7%95%D7%A8%D7%99%D7%9D-%D7%9C%D7%A2%D7%A4%D7%A8/
[5]מידע נוסף על הסויוז
http://spaceflight101.com/spacecraft/soyuz-tma-m/
[6] מידע נוסף על הדראגון
https://www.spacex.com/dragon
[7] אילון מאסק על בניית חלליות מפלדה
https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a25953663/elon-musk-spacex-bfr-stainless-steel/