Современные космические миссии сталкиваются с проблемой хранения топлива в космических аппаратах. Использование криогенного топлива и постоянное тепловое воздействие Солнца на баки ставят под угрозу успешные космические полёты на дальние расстояния. В настоящее время отсутствует инфраструктура для дозаправки космических аппаратов. С учётом того, что топливо должно храниться в криогенном состоянии, а баки, где оно хранится, подвержены тепловому воздействию солнечной радиации, невозможно набрать достаточное количество топлива для полёта на Марс. NASA работает над этой проблемой и недавно опубликовала детальный обзор некоторых своих исследований.
В большинстве миссий используется криогенный водород и кислород в качестве топлива. Однако баки, где оно хранится, нагреваются из-за постоянного воздействия солнечного излучения. Из-за отсутствия атмосферы невозможно рассеять это тепло, что может привести к кипению топлива и потере части топлива. Когда происходит нагрев, топливо начинает кипеть, и инженеры миссий предпочитают выбрасывать газообразное топливо в космос, а не оставлять его в качестве потенциальной среды для более быстрого нагрева остального топлива.
Полученное в результате сублимации топливо может достичь половины необходимого для миссии на Марс запаса топлива всего за один год. В результате использование существующих технологий хранения топлива в космосе делает полёты на Марс невозможными. Однако есть альтернативные решения, такие как системы с нулевым выкипанием (ZBO) или с пониженным выкипанием (RBO). В этих системах используются «активные» процессы для поддержания давления в баках и предотвращения больших потерь топлива. «Активный» процесс должен активно контролироваться и обычно требует определённого количества энергии. В частности, системы ZBO основаны на двух технологических идеях — струйном смешивании топлива и технологии капельного впрыска.
При струйном смешивании часть топлива подмешивается обратно в паровое пространство для контроля фазовых изменений. Система капельного впрыска использует специальный тип распылителя, чтобы впрыскивать капли топлива в зону пара и снижать давление. Однако выполнение этих процессов в условиях микрогравитации представляет свои трудности, ведь образование капель и смешивание жидкости в космосе не происходят так же, как на Земле. Поэтому NASA проводит эксперименты на МКС, чтобы более полно понять эти процессы.
В 2017 году был запущен эксперимент ZBOT-1 на МКС, который оценивал поведение струй в условиях микрогравитации. Однако до сих пор, даже после 30 тестов, нет полного понимания, как эти системы действуют в микрогравитации. Несмотря на то что их поведение отличается от привычного на Земле, они всё же подчиняются физическим законам. Дополнительные эксперименты помогут узнать, как лучше использовать системы ZBO.
Два других эксперимента направлены на более глубокое понимание этого вопроса. Один из них, ZBOT-NC Experiment, должен быть запущен на МКС в 2025 году. Он будет изучать влияние микрогравитации на «неконденсирующиеся газы», которые можно использовать для контроля давления внутри топливного бака. Данные наблюдений также можно использовать в компьютерных моделях, используемых для моделирования и анализа движения жидкости и газа (CFD). Это позволит учёным лучше понять, чем модель отличается от реальности в условиях микрогравитации.
Таким образом, NASA активно исследует возможности разработки систем хранения топлива в космосе, которые позволили бы осуществить полёты на Марс. Эксперименты на МКС помогут уточнить технологии, используемые для поддержания давления и предотвращения потерь топлива в долгих космических полётах.
Последний тест в серии будет посвящён изменению фазы капель. Этот самый амбициозный тест из трёх — ZBOT-DP — предназначен для тестирования технологии, которая ранее не использовалась в условиях микрогравитации. Основное внимание будет уделено исследованию взаимодействия капель с окружающей средой, включая перегретые стенки резервуара, в условиях микрогравитации. Это может привести к разработке полностью функциональной капельной системы и системы активного контроля, которая предотвратит выкипание топлива.
Даты проведения теста ZBOT-DP пока не запланированы. Учитывая важность этой технологии для миссий, таких как «Артемида» с экипажем, запланированная на ближайшие годы, успешное завершение этих экспериментов, разработка и испытание топливного бака, оснащённого системой ZBO, должны быть высоко приоритетными задачами для NASA.