Napędy kosmiczne - te dostępne i te naprawdę szybkie

Powyższe porównanie ukazuje, że mamy jeszcze, jeśli chodzi o technologie napędowe w podróżach kosmicznych, bardzo wiele do zrobienia, jeśli chcemy wybrać się gdzieś dalej niż do najbliższych nam ciał Układu Słonecznego. A i te, bliskie z pozoru podróże, są stanowczo zbyt długie. 1500 dni, aby polecieć w okolice Marsa i wrócić, i to przy sprzyjającym ułożeniu planet, to nie brzmi zbyt zachęcająco.

Jeśli chodzi o długie podróże to oprócz zbyt słabych napędów pojawiają się też inne problemy, np. z zapasami, łącznością, zasobami energii. Baterie słoneczne nie ładują się, gdy Słońce lub inne gwiazdy są daleko. Reaktory jądrowe tylko przez kilka lat działają na pełnej mocy.

Jakie mamy obecnie możliwości i perspektywy rozwojowe technologii wynoszenia i nadawania większych prędkości naszym kosmicznym wehikułom? Przyjrzyjmy się rozwiązaniom już dostępnym oraz tym teoretycznie i naukowo możliwym, choć wciąż raczej z rejonu fantastyki.

Teraźniejszość: rakiety chemiczne i jonowe

Obecnie stosowany jest wciąż na dużą skalę napęd chemiczny, czyli np. rakiety na ciekły wodór i tlen. Maksymalna prędkość, którą osiąga się dzięki nim to ok. 10 km/s. Jeśli udałoby się wykorzystać maksymalnie efekty grawitacyjne w Układzie Słonecznym, w tym także samo Słońce, to statek napędzany chemicznym silnikiem rakietowym mógłby osiągnąć nawet ponad 100 km/s. Relatywnie niższa prędkość Voyagera wynika z tego, że jego celem nie było osiągnięcie maksymalnej szybkości. Nie wykorzystywał też podczas planetarnych asyst grawitacyjnych "dopalania" silnikami.

Napęd jonowy to silniki rakietowe, w których czynnikiem nośnym są jony rozpędzane w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego. Jest około dziesięć razy wydajniejszy niż chemiczne silniki rakietowe. Prace nad silnikiem rozpoczęto jeszcze w połowie ubiegłego wieku. Pierwsze wersje wykorzystywały do napędu pary rtęci. Obecnie powszechnie wykorzystywany jest gaz szlachetny - ksenon.

Energia wyrzucająca gaz z silnika pochodzi z zewnętrznego źródła (z baterii słonecznych, z reaktora wytwarzającego energię elektryczną). Atomy gazu zostają przekształcone w jony dodatnie. Następnie są rozpędzane pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego osiągając prędkość nawet do 36 km/s.

Duża prędkość wyrzucanego czynnika daje dużą siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy wyrzucanej substancji. Jednak ze względu na małą moc układu zasilającego masa wyrzucanego czynnika nie jest duża, zmniejszając przez to siłę ciągu rakiety. Statek wyposażony w taki silnik porusza się z małym przyspieszeniem.

Ciąg dalszy artykułu znajdziesz w majowym numerze magazynu Młody Technik