Kosmiczna stacja paliw

 

Nie każdy przyszły marsjański astronauta, tak jak ochotnicy w programie Mars One, chciałby dotrzeć do Czerwonej Planety z pustym zbiornikiem paliwa. Jednakże koszty potrzebne do przetransportowania odpowiednich ilości paliwa rakietowego na powierzchnię Marsa są ogromne. Rozwiązaniem dużo korzystniejszym ze względów ekonomicznych jak i perspektywicznym pod kątem rozwoju marsjańskiej kolonii byłoby wytworzenie paliwa rakietowego na powierzchni Marsa.

Naturalnym pierwszym kandydatem na paliwo rakietowe jest ciekły wodór, uzyskany w procesie elektrolizy wody. Marsjańska gleba bogata jest w wodę w stanie stałym. Regolit marsjański należałoby więc najpierw np. ogrzać w celu odparowania wody, po czym skroploną wodę poddać elektrolizie. Energię elektryczną potrzebną do przeprowadzenia

MarsGasStation
Wizja artystyczna instalacji do produkcji paliwa rakietowego na Marsie. Źródło

tego procesu można nietrudno pozyskać z instalacji fotowoltaicznej. Warto podkreślić, że w procesie elektrolizy wody powstaje również tlen który może być wykorzystany zarówno jako utleniacz paliwa jak i składnik mieszanki tlenowej dla astronautów.  Otrzymany w procesie elektrolizy wodór okazuje się jednak nie być optymalnym źródłem energii do napędzania, startujących z Marsa, statków kosmicznych.

Problem polega na tym, że wodór jako paliwo rakietowe, w celu zwiększenia gęstości energii, należy zmagazynować w stanie ciekłym. Utrzymywanie zaś ciekłego wodoru poniżej temperatury wrzenia jest zadaniem bardzo wymagającym. Wiąże się to z faktem, iż temperatura wrzenia wodoru jest niezwykle mała i równa (przy ciśnieniu atmosferycznym) około -253°C (20 K).  Co więcej, nawet w tych warunkach gęstość wodoru jest bardzo niska i pozostaje na poziomie  0,07 kg/litr.    Przygotowanie systemu który umożliwiłby utrzymanie wodoru w tak ekstremalnym stanie na powierzchni Marsa, przynajmniej na początkowym etapie rozwoju tamtejszej kolonii, byłoby zadaniem niesłychanie trudnym.

Z pomocą przychodzi jednakże jeszcze jeden składnik występujący dosyć obficie na Marsie, a mówiąc precyzyjniej tworzy jego atmosferę. Chodzi mianowicie o dwutlenek węgla, stanowiący około 95 % składu atmosfery, wytwarzającej na powierzchni Marsa ciśnienie około 6 hPa. Jest to ciśnienie porównywalne z tym występującym w ziemskiej stratosferze.

Wykorzystanie (uprzednio sprężonego) dwutlenku węgla w połączeniu z wodorem pozwala na przeprowadzenie tak zwanej reakcji metanacji, okrytej przez Paula Sabatiera, laureata Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii z 1912-ego roku. Reakcja ta, zwana reakcją Sabatiera, może zostać zapisana w postaci następującego równania:

CO_2 +4H_2 \rightarrow CH_4+2H_2O.   

Reakcja powyższa przebiega w sposób optymalny w temperaturze około 300-400°C i wymaga zastosowania odpowiedniej powierzchni pełniącej funkcję katalizatora (wykonanego np. z niklu lub rutenu).

Wytworzony w procesie Sabatiera metan stanowi dobrą alternatywę dla wodoru jako paliwa rakietowego. Przechowywanie ciekłego metanu jest znacznie łatwiejsze, gdyż temperatura jego wrzenia wynosi około -162°C (111 K) co jest prawie 100 K więcej niż temperatura wrzenia wodoru. Systemy przechowywania ciekłego metanu to bardzo dobrze rozwinięta technologia, stosowana powszechnie w różnych warunkach. Wynika to z faktu, iż zyskujący na coraz większej popularności LNG (ang. liquefied natural gas) to w głównej mierze metan.  Przechowywanie LNG wymaga zastosowania zbiornika kriogenicznego utrzymujący gaz we wspomnianej temp. około -160°C. Zbiorniki takie stosowane są zarówno w autobusach zasilanych przez LNG jak i w ogromnych gazowcach. Gazowce LNG z Kataru, USA czy też Norwegii przyjmowane są w Polsce przez  Terminal LNG w Świnoujściu mogący zmagazynować 320 000 m³ LNG. 

Wykorzystanie ciekłego metanu jako paliwa rakietowego w postaci mieszanki (tzw. methalox), zawierającej ciekły tlen jako utleniacz, zapowiedziała firma SpaceX w kontekście swoich planów eksploracji Marsa. Rozwijany przez SpaceX silnik Raptor przystosowany jest właśnie do pracy oparciu o methalox.  Opracowywana rakieta

SpaceX-carbon-fiber-fuel-tank-mars-spaceship
Wykona z włókna węglowego testowa wersja zbiornika na ciekły metan oraz ciekły tlen dedykowana do rakiety BFR. Źródło

BFR ma zawierać siedem takich silników oraz zbiorniki pozwalające zmagazynować 240 000 kg ciekłego metanu oraz 860 000 kg ciekłego tlenu. Gęstość ciekłego metanu to około 423 kg/m³, co daje objętość metanu w zbiorniku rakiety BFR równą około 567 m³. Ciekły metan który można zgromadzić we wspomnianym wcześniej terminalu LNG w Świnoujściu wystarczyłby na napełnienie zbiorników ponad pięciuset rakiet BFR! 

Warto podkreślić, że opisana tutaj reakcja metanacji, oprócz aplikacji kosmicznych, ma również potencjalnie szerokie zastosowanie na Ziemi. Reakcję tę stosuje się w szczególności w eksperymentalnych systemach typu Power-to-gasktóre pozwalają magazynować nadwyżki w produkcji energii w postaci metanu. Jest to podejście szczególnie obiecujące w kontekście energii elektrycznej pozyskiwanej z farm fotowoltaicznych które wytwarzają prąd w ciągu dnia. Bodajże najbardziej rozwinięty system tego typu został opracowany przez Audi w ramach rozwijanej technologii e-gas:

Kolejna ważna własność reakcji Sabatiera to możliwość przekształcania dwutlenku węgla w wodę i metan. Nadmierna emisja dwutlenku węgla  do atmosfery jest główną przyczyną obserwowanych zmian klimatycznych.  Wyobrazić możemy sobie technologię w której dwutlenek węgla z rekcji spalania np. w elektrowni węglowej podlega bezpośredniej konwersji w metan w wyniku reakcji Sabatiera. Otrzymany metan jest zaś na przykład wprowadzany do systemu dystrybucji gazu. Proces metanacji może więc pomóc w ograniczeniu emisji CO_2 i tym samy przyczynić się do spowolnienia postępujących zmian klimatycznych. 

Zanim powstanie marsjańska stacja wytwarzania metanu wraz z kosmiczną stacją paliw, pozwalającą napełnić zbiorniki rakiet ciekłym metanem, prototypowe instalacje tego typu muszą zostać zbudowane i dokładnie przetestowane na Ziemi. Miejmy nadzieję, że jedna z pierwszych takich kosmicznych stacji paliw powstanie i będzie testowana w Polsce. Warto pokreślić, że technologie takie jak opisany tu reaktor Sabatiera pozwolą nam nie tylko zdobywać Kosmos ale mogą nam również pomóc przetrwać na Ziemi.

© Jakub Mielczarek

Wszechświat na komputerze kwantowym

Jednym z kierunków jakie rozwijam w prowadzonych przeze mnie aktualnie badaniach jest wykorzystanie komputerów kwantowych do symulowania fizyki na skali Plancka. Dla przypomnienia, długość Plancka, czyli l_{Pl} \approx 1.62 \cdot 10^{-35} m to najmniejsza, znana nam, skala fizyczna w tkance Wszechświata, na której istnienie wskazują rozważania teoretyczne. Fizykę opisującą rzeczywistość na skali Plancka nazywamy natomiast Kwantową Grawitacją. Niestety, z uwagi na obecny brak (pomimo wielu starań) możliwości empirycznego badania fizyki na skali Plancka, nie istnieje ugruntowana Kwantowa Teoria Grawitacji. Dysponujemy natomiast szeregiem teorii i modeli starających się uchwycić wiele aspektów kwantowej natury oddziaływań grawitacyjnych (przegląd wielu z nich można znaleźć np. w pracy Towards the map of quantum gravity).

Do kwestii empirycznego badania fizyki na skali Plancka możemy jednak podejść w trochę mniej bezpośredni sposób. Mianowicie, zakładając konkretny teoretyczny opis grawitacyjnych stopni swobody, możemy wykonać symulację rozważanego układu na skali Plancka i przeprowadzić na nim dowolne pomiary. Nie istnieją w takim przypadku ograniczenia  empiryczne wynikające z rozdzielczości urządzeń pomiarowych. Cała fizyka którą symulujemy znajduje się w pamięci superkomputera, do której posiadamy nieograniczony dostęp.  Najbardziej zaawansowane symulacje tego typu wykonuje się  obecnie w ramach podejścia zwanego Kauzalne Dynamiczne Triangulacje (ang. Causal Dynamical Triangulations – CDT).  W ramach CDT, symulowane są takie konfiguracje jak kwantowy Wszechświat zbudowany z nawet setek tysięcy elementarnych czasoprzestrzennych sympleksów.

Fig1
Kolaż obrazyjący symulowanie fizyki na skali Plancka na procesorze kwantowym. Wykorzystano zdjęcie procesora kwantowego firmy D-Wave oraz wizję artystyczną czasoprzestrzeni na skali Plancka

Symulacje o których mowa przeprowadzane są na powszechnie dzisiaj dostępnych superkomputerach klasycznych. Kwantowa natura oddziaływań grawitacyjnych musi być w związku z tym odpowiednio tłumaczona na język algorytmów klasycznych. Wykorzystanie komputerów kwantowych do symulowania kwantowej grawitacji pozwoliłoby proces ten wyeliminować. Mianowicie, symulacje układów kwantowych (takich jak kwantowa przestrzeń/czasoprzestrzeń) z wykorzystaniem komputerów kwantowych zasadniczo różni się od symulacji klasycznych. Komputery kwantowe pozwalają na mapowanie danego układu kwantowego na kwantowe stopnie procesora kwantowego. Mówimy tu o tak zwanych dokładnych symulacjach (ang. exact simulations), które pozwalają imitować wyjściowy układ kwantowy. Z punktu widzenia mechaniki kwantowej, imitacja wytworzona na procesorze kwantowym jest równoważna oryginalnemu układowi kwantowemu.

W moim niedawnym artykule Spin networks on adiabatic quantum computer oraz eseju Quantum Gravity on a Quantum Chip,  pokazuję, że wykorzystanie jedynego dzisiaj komercyjnie dostępnego komputera a mianowicie tzw. kwantowego annealera (wyżarzacza kwantowego)   firmy D-Wave daje możliwość symulowania fizyki na skali Plancka opisywanej przez tak zwane sieci spinowe. Sieci spinowe rozpinają przestrzeń Hilberta podejścia do grawitacji kwantowej zwanego Pętlową Grawitacją Kwantową (ang. Loop Quantum Gravity – LQG).  Kwantowe stopnie swobody sieci spinowej są w przypadku procesora kwantowego D-Wave imitowane z wykorzystaniem stanów qubitowych realizowanych przez nadprzewodzące obwody kwantowe (bazujące o tzw. złącza Josephsona). Jak pokazano w ramach rozważanego modelu, adiabatyczne obliczenia kwantowe umożliwiając zidentyfikowanie fizycznych stanów teorii.

Infographic.png
Infografika obrazująca reprezentację sieci spinowych w ramach architektury procesora adiabatycznego komputera kwantowego D-Wave. Szczegóły w pracy Spin networks on adiabatic quantum computer.

Jednym z ważnych zagadnień którego zbadanie symulacje kwantowe mogą pozwolić jest tak zwana granica semiklasyczna, czyli obszar w którym grawitacja kwantowa koresponduje z klasyczną teorią grawitacji, czyli Ogólną Teorią Względności. Wszystko wskazuję na to, że symulacje sieci spinowych na adiabatycznym komputerze kwantowym mogą niebawem umożliwić wykonanie pierwszego kroku w tym kierunku.

Potencjał i możliwe konsekwencje symulowania fizyki na skali Plancka są jednak dużo szersze. Kwantowe symulacje mogą nie tylko okazać się praktycznym narzędziem do badania fizyki na skali Plancka ale mogą również pomóc odsłonić głębszą naturę relacji pomiędzy grawitację a teorią informacji kwantowej (jak np. kwantowa wersja hipotezy It from bit). Bardzo ciekawa możliwość w kontekście symulacji  kwantowych wiąże się z relacją pomiędzy grawitacją a splątaniem kwantowym. Mianowicie, akumulujące się wyniki rozważań teoretycznych, w szczególności  korespondencja AdS/CFT, zasada holograficzna, entropia splątania sieci tensorowych MERA czy też hipoteza EPR=ER, wskazują na możliwość interpretacji pola grawitacyjnego w zadanej objętości (ang. bulk) jako przejawu splątania kwantowego niżej-wymiarowego układu na brzegu (ang. boundary) tego obszaru. Nie koniecznie więc do symulowania kwantowej grawitacji musimy angażować grawitacyjne stopnie swobody. Możliwe, że wystarczą do tego kwantowe symulacje (konforemnych) teorii pola na brzegu układu. Wykonanie odpowiednich pomiarów splątania kwantowego teorii na brzegu umożliwi zrekonstruowanie konfiguracji pola grawitacyjnego wewnątrz tego obszaru.  

Korzyści płynące z symulacji fizyki na skali Plancka na komputerach kwantowych nie leżą wyłącznie po stronie nauk podstawowych. Nowe typy procesorów kwantowych mogą  okazać się niezbędne do symulowania złożonych systemów kwantowograwitacyjnych, co może okazać się inspiracją  do rozwoju technologicznego. Symbiotyczny rozwój kwantowej grawitacji oraz technologii kwantowych może również doprowadzić do wypracowania nowych rozwiązań w obszarze obliczeń kwantowych. Jako przykład przytoczyć można zastosowanie sieci spinowych jako bazy do przetwarzania informacji kwantowej. 

Pozwolę sobie na koniec wspomnieć, iż umiejętność symulowania kwantowych stopni swobody na skali Plancka może w przyszłości umożliwić badanie od podstaw procesu formowania struktur we Wszechświecie. Idąc dalej, uwzględnienie również innych typów pól pozwoli symulować realistyczne modele Wszechświata. Wraz z upływem czasu i rozwojem technologii obliczeń kwantowych, możliwe będzie uwzględnienie coraz to większej ilości detali. A być może, któregoś dnia będziemy również w stanie symulować zaprojektowane przez nas Superwszechświaty, wykraczające swoją złożonością poza Ten nam znany.

© Jakub Mielczarek