использовать их, то для этого требуется изменение вектора скорости на 3–5 км/с. Соответственно, оптимальный удельный импульс топлива для такого манёвра должен быть 8-10 км/с. При этом на маневрирование будет затрачиваться в сумме около 10 процентов производимой энергии, и в 5–6 раз больше воды, чем будет получено высокоэнергетического вещества с кинетической энергией 2–2,5 ГДж/кг.
Таким образом, использование в качестве источника ресурсов далёких внешних спутников Юпитера выгодно энергетически, так как затраты энергии на запуск нового цикла будут на уровне 10 % энергии, полученной в предыдущем цикле.
Но есть у такой схемы и недостатки.
Во-первых, длительность одного энергетического цикла будет достаточно большой, 30–40 суток (надо пролететь более 10 млн км).
Во-вторых, суммарная масса внешних спутников не так велика, их диаметры от 1 до 5 км, и на очень длительное время их не хватит. Помимо этого, они в основном состоят из силикатных пород, во всяком случае на поверхности. Лёд там если и есть, то где-то в глубине, и не на всех, так как настолько малые тела не могут удержать молекулы водяного пара при сублимации. Поэтому, на длительную перспективу этот источник вещества (в первую очередь воды) видимо не подходит.
Правда, в качестве самих носителей кинетической энергии можно, и возможно даже предпочтительнее, использовать не лёд, а другие композиции веществ — например, мелкий (нанодисперсный) силикатный песок, с небольшим количеством воды в качестве связующего вещества, либо перекиси водорода, гидразина или химической взрывчатки в качестве распыляющего агента. Однако, для манёвров внутри системы вода в любом случае нужна, и если на мелких внешних спутниках её не окажется, то придётся спуститься ближе к Юпитеру, к более крупным.
Можно также ловить и использовать в качестве источника ресурсов мелкие кометы, довольно часто пролетающие на расстояниях в несколько миллионов километров от Юпитера; а в более далёкой перспективе — Троянцев и кометы из внешних областей Солнечной системы, но это потребует развитой системы астрономических наблюдений и навигации, и совершения длительных манёвров с использованием большого количества энергии, которую до этого надо где-то добыть. При этом запас вещества в этих источниках на 2 порядка меньше, чем в больших спутниках Юпитера, а время раскрутки энергетических циклов с использованием удалённых объектов будет на 2 порядка больше, чем для спутников внутри системы Юпитера. Поэтому наиболее привлекательным источником сырья в первую очередь являются крупные спутники Юпитера.
Из больших, Галилеевых спутников по крайней мере три — Европа, Ганимед и Каллисто — выглядят очень перспективными для добычи воды.
Массы двух из них больше Луны; вторая космическая скорость для поверхности Каллисто 2,5 км/с, для Ганимеда 2,8 км/с, на Европе 2 км/с.
Каллисто на половину состоит из льда, а на Европе и, возможно, Ганимеде есть даже жидкий подповерхностный океан глубиной 100–150 км; общий запас воды на Ганимеде и Каллисто составляет 2 % от массы планеты Земля, или в 100 раз больше массы всей воды в Земных океанах и ледниках. Вот где надо делать луц…
Каллисто вращается на расстоянии 1,88 млн км от Юпитера со скоростью 8,2 км/с, и чтобы (за один манёвр) вывести с её поверхности груз на кратчайшую эллиптическую траекторию касания атмосферы Юпитера, требуется дополнительная скорость около 7 км/с.
При использовании обычного ракетного двигателя, и удельном импульсе топлива 10 км/с, затраты топлива составят 50 % от начальной массы ракеты, то есть 16 тонн для аппарата такого же веса, и для разогрева топлива потребуется 600 кг носителей кинетической энергии при скорости 67 км/с, то есть 15 % энергии, полученной в предыдущем цикле.
При этом, время достижения атмосферы Юпитера 75 часов (3 суток), что в 10 раз быстрее, чем в случае старта с внешних спутников Юпитера. Таким образом, длительность одного энергетического цикла сокращается в 10 раз, и соответственно возрастает продуктивность используемого оборудования, мощность луцепотока, который можно направить к Земле, а стоимость поставляемой таким образом энергии пропорционально снижается, как и время раскрутки глобального энергетического цикла (включающего стадию доставки нового оборудования с Земли).
Правда, есть нюансы, которые надо учесть.
Скорость аппарата в нижней точке траектории, на расстоянии 71 тыс км от центра Юпитера, мало зависит от точки старта, и равна 60 км/с; но, в случае попутного движения по отношению к направлению вращения атмосферы Юпитера, эффективность атмосферного варианта термо-кинетического двигателя будет заметно ниже (удельный импульс равен 30 % от скорости аппарата относительно атмосферы, которая вращается вместе с планетой со скоростью более 10 км/с), так что, при таком же КПД и тех же затратах рабочего тела, конечная скорость носителей кинетической энергии после ухода на бесконечность будет ниже на 20 % (53 км/с, вместо 67 при варианте встречного движения аппарата относительно атмосферы), а запас кинетической энергии соответственно в 1,6 раз меньше, 1,4 ГДж/кг; это означает, что при тех же затратах энергии на возобновление цикла, фактически расход составит 25 %, а не 15 %, от энергии, добытой в предыдущем цикле; то есть, те же 4 тонны носителей кинетической энергии, будут иметь энергии меньше (5,6 ТДж вместо 9,0 при встречном движении относительно атмосферы); и после вычета 1,5 ТДж на организацию нового цикла, к Земле можно будет направить только 3 тонны вещества, с общей энергией 4 ТДж, вместо 8; правда, при дальнейшем движении по направлению к орбите Земли в гравитационном поле Солнца, эта разница сократится, так что на выходе получится примерно на 20 % меньше вещества и на 40 % меньше энергии из каждого цикла ускорения, чем в варианте с использованием внешних спутников. Но, поскольку длительность циклов ускорения в 10 раз меньше, чем в случае использования внешних спутников, то всё же скорость поставки энергии будет в несколько раз больше.
Помимо этого, точка пересечения траекторий носителей кинетической энергии с орбитой Каллисто будет смещена далеко от точки старта; причём, в сторону, противоположную орбитальному движению самой планеты. Поэтому придётся использовать несколько заправочных станций, размещённых в разных точках орбиты, и в результате к Земле можно будет направлять, в лучшем случае, не более 50 % произведённой энергии.
В целом этот вариант несколько сложнее на начальном этапе, чем при использовании внешних спутников, и даёт на 40 % меньший выход энергии за 1 цикл; но благодаря существенно меньшей длительности цикла, он всё же может дать в 2–3 раза большую мощность поставляемого к Земле потока носителей кинетической энергии, при той же массе доставленного с Земли оборудования; при этом запас воды равен бесконечности.
(Возможно также, что некоторым чисто техническим преимуществом данного варианта является то, что при попутном движении аппарата относительно атмосферы Юпитера скорость, а значит, и температура внешней среды существенно ниже; вырабатываемая при этом энергия тоже меньше, но всё же такой вариант
