Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Raport: Stare dobre rakiety kosmiczne

Raport: Stare dobre rakiety kosmiczne
30 sierpnia firma SpaceX ogłosiła, że pod koniec 2016 r., przy pomocy używanego i odzyskanego stopnia rakiety Falcon 9, zostanie wyniesiony w przestrzeń kosmiczną satelita SES-10. Dwa dni później, 1 września, na przylądku Canaveral eksplodowała należąca do SpaceX inna rakieta nośna Falcon 9. Nastroje więc falują - od entuzjazmu po wątpliwości.

"Wierzymy że rakiety wielokrotnego użytku dadzą początek nowej erze lotów pozaziemskich i sprawią że dostęp do przestrzeni kosmicznej będzie łatwiejszy, zarówno ze względu na koszty, jak i zarządzanie terminami startów", powiedział mediom Martin Halliwell z firmy SES. To do niej właśnie należy satelita, który ma być wyniesiony używaną rakietą. A ponieważ SES skorzysta z usługi "rakieta z odzysku" jako pierwsza, dostanie specjalną zniżkę…

Wybuch Falcona 9 na przylądku Canaveral
Wybuch Falcona 9 na przylądku Canaveral

Na Twitterze SpaceX ogłosiła, że SES-10 zostanie wyniesiony na orbitę przy pomocy boostera pochodzącego z misji CRS-8, która odbyła się 8 kwietnia 2016 r. Pierwszy stopień wylądował na autonomicznym statku OCISLY na Oceanie Spokojnym. Ważącego 5,3 tony satelitę SES-10 zbudowała firma Airbus Defense and Space, na bazie platformy Eurostar E3000. Ma hybrydowy napęd: chemiczny, do wstępnego podniesienia orbity i niektórych manewrów orbitalnych, oraz elektryczny (jonowy), wyłącznie do manewrów orbitalnych. Jest to pierwszy satelita SES przeznaczony w całości dla obsługi zadań na terenie Ameryki Łacińskiej.

Teraz jednak plany te, jak również cała tak pięknie zapowiadająca się współpraca stanęły chyba pod znakiem zapytania. Wybuch rakiety Falcon 9 na platformie podczas tankowania (choć jego przyczyny nie są jeszcze wyjaśnione i pojawiają się dziwne teorie dotyczące strzałów na miejscu wypadku, a nawet mówiące coś o domniemanej obecności w pobliżu obiektu typu UFO) był z pewnością ciosem wizerunkowym dla firmy Elona Muska. Zwykle takie wydarzenia każą odłożyć w czasie najbliższe plany.

Katastrofa zbiegła się z jeszcze jedną zapowiedzią - wysłania w kosmos wielkiej rakiety SpaceX, Falcon Heavy, co miało nastąpić już jesienią 2016 r. lub najpóźniej wiosną 2017 r. Ta ciężka rakieta nośna projektowana jest od kilku lat. Jej konstrukcję oparto na pierwszym stopniu rakiety Falcon 9 v.1.1 FT, mającym stanowić również pierwszy stopień Falcona Heavy, uzupełniony dwoma silnikami pomocniczymi będącymi modyfikacją tegoż właśnie stopnia. Dzięki temu rozwiązaniu znacznie zwiększą się osiągi rakiety, która umożliwi dostarczenie na niską orbitę okołoziemską ładunku o masie do 53 ton (Falcon 9 w najmocniejszej wersji zapewnia do 22,8 t). Jeśli rzeczywiście dojdzie do tego startu, w użytku pojawi się najcięższa obecnie rakieta nośna (w historii przewyższały ją tylko Saturn V z księżycowego programu Apollo i radziecka rakieta Energia) - dopiero Space Launch System budowany przez NASA będzie miał większe możliwości. Również jednak i w tym przypadku pojawiły się wątpliwości po wypadku na Florydzie.

Eksplozja oznacza duże straty PR-owe i finansowe dla firmy SpaceX. Starty rakiety Falcon 9 zostaną z pewnością na jakiś czas wstrzymane, co najmniej do czasu poznania przyczyny katastrofy. Z drugiej strony już w przyszłym roku miał się odbyć załogowy lot kapsuły Dragon 2 z użyciem rakiety Falcon 9R. NASA prawdopodobnie nie będzie chciała czekać. Pragnie jak najszybciej odejść od uzależnienia w swoim programie kosmicznym od rosyjskich Sojuzów. W praktyce SpaceX konkuruje więc z Rosjanami, co sprawia, że rakietowe postępy Muska stają się kwestią polityczną.

Falcon 9 na barce po wylądowaniu
Falcon 9 na barce po wylądowaniu

Po nieudanych próbach - wielka satysfakcja

Do czasu wrześniowego wybuchu z pewnością wiadomością ostatniego roku i dużym przełomem technologicznym były udane lądowania głównych członów rakiet SpaceX. Tym „odzyskiem” żył świat kosmicznych technologii przez wcześniejsze miesiące. „Nareszcie!” - mógł powiedzieć Elon Musk, gdy zimą tego roku udało mu się sprowadzić na Ziemię główny człon swojej rakiety, najpierw na przylądek Canaveral, potem na pływającą oceaniczną platformę (3). Ten ostatni wyczyn sprawił, że świat kosmicznej nauki niemal oszalał na punkcie SpaceX. Bo lądowanie na lądzie, co tu kryć, w jakimś sensie powtarzało wyczyn rakiety New Shepard wyprodukowanej przez firmę Jeffa Bezosa, szefa Amazona, z listopada ubiegłego roku. W jakimś sensie, bo Falcon 9 to jednak pełnowartościowa rakieta kosmiczna, zaś produkt firmy Bezosa stanowi mniejsze urządzenie do lotów suborbitalnych. A w przypadku misji bezzałogowych rakiety to najdroższy element przedsięwzięcia.

Lądowanie na przylądku Canaveral potraktowane zostało jako nic szczególnego nawet przez samego Muska. Jego zasadniczym celem było bowiem posadzenie powracającej rakiety SpaceX na pływającej platformie. Próbowano tego dokonać przez wiele miesięcy. Dwa podejścia z 2015 r. zakończyły się niepowodzeniem. Podczas pierwszego doszło do wybuchu rakiety, a za drugim razem udało się wprawdzie osadzić rakietę na barce, jednak ta momentalnie się przewróciła.

Jedno z nieudanych lądowań Falcona 9 na morskiej platformie

Do chwili obecnej SpaceX dokonało już kilku pomyślnych startów i lądowań swoich rakiet. Teraz firma planuje jednoczesne lądowanie aż trzech członów na raz, zarówno na autonomicznych statkach, jak i na lądzie. W tym ostatnim przypadku, aby możliwe stało się odzyskanie wszystkich trzech części dużej rakiety Falcon Heavy, niezbędne jest, by w wojskowej bazie lotniczej na przylądku Canaveral SpaceX były aż trzy lądowiska. Z tego powodu firma pragnie, by amerykański rząd zezwolił na budowę dwóch dodatkowych, obok jednego już istniejącego. Elon Musk wyjaśnił za pośrednictwem Twittera, że silniki pomocnicze rakiety będą lądować praktycznie w tym samym czasie, natomiast jej pierwszy stopień z niewielkim opóźnieniem.

Bezos myśli o turystyce

Wspomniana już udana próba lądowania rakiety innego cudownego dziecka e-biznesu, Jeffa Bezosa, miała miejsce 23 listopada 2015 r. Jego firma Blue Origin przeprowadziła test statku suborbitalnego New Shepard. Rakieta wystartowała z ośrodka badawczego w Van Horn w Teksasie. W trakcie testowego lotu osiągnęła wysokość 100,5 km, co oznacza przekroczenie umownej granicy przestrzeni kosmicznej. W przyszłości ma umożliwić ludziom doświadczanie przez ok. 4 min. stanu nieważkości.

Po krótkim locie kapsuła pasażerska New Shepard wylądowała za pomocą spadochronów na pustyni. Po nim powróciła na Ziemię rakieta, spowalniając swój upadek za pomocą silników rakietowych, aż do osiągnięcia tuż na powierzchnią prędkości ok. 7 km/godz. Do czerwca 2016 r. Blue Origin przeprowadziła aż cztery udane lądowania swojej rakiety.

Firma Bezosa, w przeciwieństwie do SpaceX, nie robi wokół siebie wielkiego szumu, ale nie znaczy to, że nie osiąga sukcesów. Teraz Blue Origin planuje wybudować sześć rakiet New Shepard. Każda z nich będzie w stanie wynieść sześciu pasażerów 100 km nad powierzchnię Ziemi, gdzie przez kilka minut będą oni mogli doświadczać stanu nieważkości i przepięknych widoków zarezerwowanych do tej pory dla astronautów. Testy z pilotami odbędą się już w przyszłym roku i jeśli wszystko pójdzie dobrze, w 2018 r. pierwsi klienci będą mogli udać się w kosmiczną podróż. Cena biletu nie jest jeszcze znana, ale możemy przypuszczać, że będzie oscylowała w granicach 250 tys. dolarów - tyle bowiem życzy sobie inna słynna firma planująca cywilne loty w kosmos, Virgin Galactic, za wojaże statkiem SpaceShip Two.

Eksperci: nadmierny optymizm

Według wyliczeń magazynu i portalu „SpaceNews” firma SpaceX może zaoferować loty Falcona 9 wielokrotnego użytku za 37 mln dolarów. Eksperci uważają, że cena tak naprawdę sięgnie jednak blisko 48 mln za start, co oznacza wyższy zysk SpaceX. Obliczenia zakładają użycie tej samej rakiety Falcon 9 minimum piętnaście razy, co brzmi może fantastycznie, jednak ludzie Muska twierdzą, że pierwszy stopień zaprojektowany jest nawet na sto wykorzystań.

Ten optymizm gasi nieco przypomnienie doświadczeń agencji NASA związanych z jej rakietą SRB. Pomimo wielu lat testów i wielu lotów nie zdołała osiągnąć pełnej wielokrotnej używalności. Podobny problem występował z silnikami SSME (Space Shuttle Main Engine). Choć od początku były zaprojektowane na 55 uruchomień, to jednak po każdej misji znajdowano w nich usterki, które wymagały kosztownych napraw. Ostatecznie okazało się, że przy niewielkiej częstotliwości lotów promów kosmicznych tańszym rozwiązaniem byłyby modele jednorazowego użytku SSME i SRB.

Zdaniem autorów „SpaceNews”, wielokrotne użycie rakiet może paradoksalnie zwiększyć wydatki SpaceX. Obecne, relatywnie niskie koszty rakiety związane są z taśmową produkcją silników Merlin. Jeżeli jednak zmniejszy się na nie zapotrzebowanie, to ich jednostkowa cena wzrośnie (koszty stałe stanowią bardzo duży element ceny każdego silnika), a oszczędności mogą być znacznie mniejsze, niż tego oczekujemy.

Ten problem rozwiązałoby zwiększenie częstotliwości lotów - tak, by utrzymać obecne tempo produkcji rakiet, a jednocześnie zarabiać na lataniu używanymi rakietami (które od czasu do czasu się rozbiją, będą się zużywać itp.). Żeby to jednak osiągnąć, trzeba by obniżyć ceny tak, by zabrać większość lotów konkurencji. Szacuje się, że aby SpaceX utrzymał obecne tempo produkcji, a jednocześnie mógł w pełni wykorzystać używane Falcony 9, częstotliwość lotów musiałaby sięgnąć 35-40 na rok. Co prawda, międzynarodowy rynek na taką liczbę lotów istnieje, ale jest podzielony między kilka firm, które na pewno nie będą czekać biernie na poczynania SpaceX.

Poza pierwszym stopniem rakiety, SpaceX planuje odzyskiwać również osłony ładunku. Nie są one wprawdzie szczególnie drogie, ale ich produkcja jest czasochłonna, a jej przyspieszenie wymagałoby dużych nakładów. Dlatego z ekonomicznego punktu widzenia odzysk osłon ładunku ma sens. Mówi się, że SpaceX będzie próbował zrobić z osłon ładunku coś w rodzaju szybowców, które lądowałyby miękko w oceanie, z którego byłyby następnie wyławiane (SpaceX ma już do tego osobny statek - GO Searcher).

Musk pręży… muskuły. Inni jednak, jak już wspominaliśmy, wcale nie śpią. W kwietniu tego roku twórcy nowej rakiety Ariane 6 zapowiedzieli, że ich konstrukcja pobije oferowane przez SpaceX ceny za kilogram wynoszonego na orbitę ładunku. Nowa Ariane ma być gotowa do lotów w 2020 r. Przedstawiciele firmy Airbus Safran Launchers (ASL), głównego udziałowca europejskiego konsorcjum Arianespace, zapowiadają nawet dwie wersje tej rakiety. Ariane 62 ma być zdolna do wyniesienia pięciotonowego satelity na orbitę geostacjonarną, a Ariane 64, z czterema silnikami pomocniczymi, uniesie 10,50 tony na orbitę typową dla komercyjnych satelitów telekomunikacyjnych.

Cena „satelito-kilograma” ma być o 40-50% niższa niż w przypadku używanej obecnie Ariane 5. Nowy model ma mieć dwa razy większą pojemność niż Falcon 9, przy mniej niż dwa razy większej cenie. Oczywiście, jak się zdaje, kalkulacje konsorcjum biorą pod uwagę urządzenia jednorazowego użytku, a nie rakietowy recykling.

Małe jest… obiecujące

Rozwój technologii rakietowych podąża też mniej spektakularną ścieżką niż ogromne rakiety NASA czy SpaceX. Nie znaczy to, że mniej ciekawą. Na czerwcowej konferencji European Space Solutions w Hadze ogłoszono koncepcję opracowania technologii dla małej rakiety, zdolnej do wyniesienia 50 kg na niską orbitę okołoziemską.

Logo projektu

Projekt, realizowany w ramach programu Horyzont 2020, nazwano SMILE (Small Innovative Launcher for Europe). W ramach SMILE (6) zostanie zaprojektowana nowa mała rakieta nośna, potencjalnie o napędzie hybrydowym, w dużej części dająca się odzyskać, z automatyczną produkcją wielu komponentów. Całość ma być zaprojektowana po niskich kosztach oraz być łatwa w obsłudze. Planuje się wykorzystać dostępną już na rynku elektronikę oraz skorzystać z technologii druku 3D.

Wartość projektu to 4 mln euro. Zostanie zakończony w 2018 r. Realizuje go czternastu partnerów z ośmiu państw: Belgii, Danii, Grecji, Hiszpanii, Holandii, Niemiec, Norwegii i Rumunii. SMILE może trafić w potrzeby rynkowe, bowiem większe systemy rakietowe nie będą w stanie dostarczyć małych ładunków przy niskim koszcie. Jeśli przedsięwzięcie zakończy się sukcesem, rysuje się szansa na budowę nowej europejskiej rakiety nośnej, będącej w stanie obsłużyć sporo potrzeb - nie tylko państw z naszego kontynentu.

Chiny nie pozwalają o sobie zapomnieć

Pierwszy start chińskiej rakiety Długi Marsz 7

Projekty nowych rakiet to nie tylko Zachód. Kilka miesięcy temu odbył się udany start rakiety Długi Marsz 7 (Chang Zheng 7). Ma ona być podporą całego chińskiego programu podboju kosmosu. Formalnie celem startu, który odbył się z najnowszego chińskiego kosmodromu Wenchang na wyspie Hajnan w południowych Chinach, było wyniesienie na orbitę prototypu nowej kapsuły załogowej - przy okazji dostarczono tam także kilka małych satelitów.

Długi Marsz 7 ma 53 m długości i waży 658 ton. Zdolny jest do dostarczenia na niską orbitę ziemską 13,5 tony ładunku. Docelowo będzie wynosić zarówno załogowe, jak i bezzałogowe statki, umożliwiając powstanie chińskiej stacji kosmicznej, której ukończenie planowane jest już na 2022 r.

Nowy chiński kosmodrom Wenchang jako pierwszy z tego typu obiektów nie jest ukryty w trudno dostępnych rejonach kraju, ale znajduje się na popularnej, tropikalnej wyspie, blisko morskiego wybrzeża. Dziewiczy start Długiego Marszu 7 na żywo obserwować mogli dzięki temu widzowie, dla których ustawiono wokoło osiem platform obserwacyjnych. Jak zauważają eksperci, jest to dowód, że chiński program kosmiczny osiągnął już bardzo wysoki poziom bezawaryjności i władze przestały martwić się koniecznością tuszowania ewentualnych porażek.

Seria wybuchów i kłopotów

Passa niepowodzeń w operacjach zaopatrywania w zapasy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS, krążącej wokół Ziemi od 1998 r., rozpoczęła się pod koniec października 2014 r. Kilka chwil po starcie misji CRS-3/OrB-3 z prywatnym statkiem Cygnus doszło wówczas do eksplozji silników pierwszego stopnia rakiety Antares. W lecie 2015 r. wkrótce po starcie wybuchła rakieta Falcon z zaopatrzeniem na ISS. We wrześniu 2016 r. znów mamy eksplozję.

Dla SpaceX i całego amerykańskiego programu kosmicznego najlepiej byłoby, aby możliwie szybko znaleziono przyczyny powtarzających się wypadków. Prywatne firmy w planach NASA są bowiem bardzo ważne. Do 2017 r. transport ludzi na Międzynarodową Stację Kosmiczną ma zostać przejęty przez prywatne firmy - SpaceX i Boeing. Kontrakty NASA, opiewające na prawie 7 mld dol., mają na celu zastąpienie wycofanych w 2011 r. promów kosmicznych oraz uniezależnienie się od Rosjan i ich Sojuzów, które w tym czasie zmonopolizowały wysyłanie ludzi na ISS.

Wybór SpaceX Elona Muska, która od 2012 r. dostarcza swoimi rakietami i statkami cargo na stację, nie był zaskoczeniem. Dość dobrze znany jest projekt kapsuły załogowej DragonX V2, autorstwa tej firmy, mającej zabierać maksymalnie nawet siedem osób. Testy i pierwszy lot załogowy był planowany przed 2017 r. Większość z 6,8 mld dolarów (SpaceX ma dostać „tylko” 2,6 mld) przypadnie jednak Boeingowi, który współpracuje z Blue Origin Jeffa Bezosa. Projektowana przez Boeinga kapsuła - (CST)-100 - również zabierze maksymalnie siedem osób. Boeing może korzystać z rakiet BE-3 budowanych przez Blue Origin lub też z Falconów SpaceX.

Space Launch System - infografika NASA

Oczywiście Rosjanie nie tylko ze względów finansowych chcieliby nadal trzymać na tym rękę. Sami jednak notują w ostatnich latach sporo kosmicznych niepowodzeń. W lecie ubiegłego roku, krótko po starcie z kosmodromu Bajkonur, na pułapie ok. 150 km nad Ziemią rozbiła się ich rakieta Proton-M, której zadaniem było umieszczenie na orbicie satelity telekomunikacyjnego Express-AM4R. Problem pojawił się po dziewięciu minutach od startu, gdy uruchomiono trzeci stopień rakiety. Układ wynoszący rozpadł się na kawałki, a jego szczątki spadły na Syberię, rosyjski Daleki Wschód i do Oceanu Spokojnego. Rakieta Proton-M zawiodła zresztą po raz kolejny. Wcześniej, w lipcu 2013 r., również doszło do katastrofy tego modelu, w wyniku której Rosjanie stracili trzy satelity nawigacyjne o łącznej wartości ok. 200 mln dolarów. Kazachstan wprowadził wówczas czasowy zakaz startów Proton-M z jego terytorium. Jeszcze wcześniej, w 2011 r., głośnym niepowodzeniem okazała się misja rosyjskiej sondy Fobos-Grunt na jeden z księżyców Marsa.

Rakieta międzyplanetarna

Opisane potyczki i problemy dotyczą wynoszenia ładunków i ludzi na bliższe lub dalsze orbity okołoziemskie. Wszelkie inne niż rakiety pomysły dotyczące tego rodzaju działań - takie jak samoloty hybrydowe, odmiany wahadłowców, windy kosmiczne itp. - nie sprawdzają się lub pozostają w sferze science fiction. Gdy chodzi o dalsze eskapady, również nie mamy na razie w ręku niczego lepszego. Najlepszym przykładem jest wspomniany wcześniej projekt Space Launch System, SLS.

Od kilku miesięcy na pustyni w amerykańskim stanie Utah odpalany jest co jakiś czas najpotężniejszy silnik rakietowy w historii. Będzie wykorzystywany w rakietach systemu SLS, które mają posłużyć do wynoszenia w dalekie podróże kosmiczne załogowego statku Orion oraz jeszcze większych pojazdów, które dopiero powstaną. Silnik, oznaczony jako QM-1, jest rozbudowaną wersją silników wykorzystywanych w programie wahadłowców kosmicznych. Składa się jednak z pięciu segmentów, a nie czterech, jak owe starsze konstrukcje. Testowana w Utah wersja ma prawie 47 m długości, 3,66 m średnicy i waży 801 ton. Rakieta SLS będzie wyposażona w dwa takie silniki oraz cztery silniki typu RS-25, co da łącznie ciąg o równowartości nieomal 4 tys. ton.

Testy silnika SLS

Pierwszy start rakiety SLS ma nastąpić w 2018 r. Będzie to wersja z ładownością ok. 70 ton. Docelowo rozbudowany system ma umożliwiać zabieranie nawet 130 ton ładunku na orbitę ziemską i dalej, w stronę Księżyca, a być może także na Marsa.

W skład SLS wchodzą, oprócz potężnej rakiety, także wspomniany statek załogowy Orion, oraz wiele innych technologii, nawiązujących do znanych rozwiązań. Najkrócej mówiąc, NASA chce powrócić do źródeł i lat chwały, budując rakietę, przypominającą Saturna V z programu Apollo.

Rakiety już nie z metalu

Rozwój technologii rakietowych podąża różnymi ścieżkami. Jedną z rozwijanych dziedzin są nowe, lepsze i lżejsze materiały do ich budowy. NASA ukończyła pierwszą z serii testów materiału kompozytowego, który w przyszłości ma posłużyć do budowy rakiet nośnych. Stworzono z niego trzymetrowy cylinder. Konstrukcję poddano działaniu siły nacisku odpowiadającej ciężarowi obiektu o masie ponad 400 ton, by sprawdzić, jak wiele jest w stanie znieść. Aby podczas testów otrzymać dokładne dane, cylinder wyposażono w tysiące czujników, a cały proces obserwowały kamery nagrywające z różną prędkością. Właśnie dzięki nim możemy zobaczyć, jak wyglądało ogromne pęknięcie, które pojawiło się na powierzchni materiału pod wpływem ciężaru.

Ostatecznym celem NASA jest opracowanie materiału kompozytowego, który pozwalałby na konstruowanie dużo lżejszych i znacznie wytrzymalszych rakiet niż te budowane z metalu. Takie pojazdy pozwalałyby na zabieranie w przestrzeń kosmiczną większej ilości ładunku, do którego należą woda, żywność i inne zapasy. To ułatwiłoby realizację planów związanych z załogowym lotem na Marsa.

Rosjanie opracowali z kolei nowy rodzaj materiału ceramicznego, który może przydać się do budowy rakiet. Wytrzymuje temperaturę ok. 3 tys. stopni Celsjusza, a więc znacznie więcej niż najlepsze używane obecnie stopy metali. Inżynierom z uniwersytetu w Tomsku udało się stworzyć taki wielowarstwowy materiał na bazie węglika hafnu, dwuborku cyrkonu i tlenku cyrkonu.

Wytrzymałość materiału może być dla rakiet kosmicznych kluczowa, gdyż pozwoli stworzyć znacznie lepsze niż dotąd osłony termiczne chroniące astronautów oraz same pojazdy przed wysoką temperaturą, pojawiającą się podczas wchodzenia w atmosferę. Konstruktorzy nowego materiału już zapowiedzieli przeprowadzenie wspólnych testów z agencją Roskosmos, które pokażą, czy rzeczywiście jest on tak wytrzymały na wysokie temperatury, jak się zakłada.

Co dalej?

Najszybszym obiektem wystrzelonym przez człowieka w kosmos jest obecnie sonda Voyager, której dzięki wykorzystaniu grawitacyjnych wyrzutni Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna udało się przyspieszyć do 17 km/s. To oczywiście wciąż kilkanaście tysięcy razy wolniej niż światło, które potrzebuje np. cztery lata, aby dotrzeć w okolice Proximy Centauri, najbliższej nam gwiazdy poza Słońcem, wokół której, jak od niedawna wiemy, krąży podobna do Ziemi planeta. Podróż taka potrwałaby wraz z Voyagerem kilkadziesiąt tysięcy lat. Zdecydowanie nie o takie wyprawy kosmiczne nam chodzi.

Odnośnie technologii napędowych mamy więc jeszcze bardzo wiele do zrobienia, chcąc wybrać się gdzieś dalej niż do najbliższych ciał Układu Słonecznego. A i te, bliskie z pozoru, podróże są wciąż stanowczo zbyt długie. Aby polecieć w okolice Marsa i wrócić, i to przy sprzyjającym ułożeniu planet, potrzebujemy blisko 1500 dni. Nie brzmi to zbyt zachęcająco…

Obecnie stosujemy na dużą skalę napęd chemiczny, czyli np. rakiety na ciekły wodór i tlen. Maksymalna prędkość, którą się dzięki niemu osiąga, wynosi ok. 10 km/s. Jeśli udałoby się w pełni wykorzystać efekty grawitacyjne w Układzie Słonecznym, w tym także samo Słońce, statek napędzany chemicznym silnikiem rakietowym mógłby osiągnąć nawet ponad 100 km/s. Relatywnie niższa prędkość Voyagera wynika z tego, że jego celem nie było nigdy osiągnięcie maksymalnej szybkości. Nie wykorzystywał on też podczas planetarnych asyst grawitacyjnych „dopalania” silnikami. Nawet gdyby jednak pokusić się o owe 100 km/s, nasza podróż na Proximę trwałaby kilkanaście tysięcy lat.

Od chemicznych silników rakietowych około dziesięć razy wydajniejszy jest napęd jonowy, czyli silniki rakietowe, w których czynnikiem nośnym są jony rozpędzane w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego. Prace nad tym rozwiązaniem rozpoczęto jeszcze w połowie ubiegłego wieku. Pierwsze wersje wykorzystywały do napędu pary rtęci. Obecnie powszechnie stosuje się 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, a 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.

Trwają więc prace nad konstrukcjami mającymi zwiększyć moc napędu jonowego. Europejska agencja kosmiczna ESA prowadzi prace nad HDLT - silnikiem jonowym elektromagnetycznym. Wykorzystuje on naturalny proces występowania między obszarami plazmy o różnej charakterystyce dwóch warstw oddziałujących ze sobą elektrycznie - zjawisko znane jest m.in. z zorzy polarnej. Amerykanie pracują nad silnikiem plazmowym o zmiennym impulsie właściwym, VASIMR. Energia mikrofal i pole magnetyczne używane jest w nim do podgrzania, przyspieszania i ukierunkowania czynnika roboczego, a tym samym wytworzenia siły ciągu.

Silnik jonowy elektrostatyczny zastosowano do napędu wystrzelonej w 1998 r. sondy Deep Space 1 lecącej w kierunku komety Borrely'ego. Napęd, zaprojektowany tak, aby pracował przez dwieście godzin, w praktyce działał ponad pięćdziesiąt razy dłużej. Silnik Halla z kolei (jeden z rodzajów silnika jonowego, w którym jony gazu są przyspieszane polem elektrycznym) był wykorzystany w sondzie SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej. Silniki jonowe służą obecnie jako główny napęd japońskiej sondy Hayabusa i amerykańskiej Dawn , która krąży wokół Ceres.

Sonda Dawn z silnikiem jonowym - wizualizacja

Ellen Stofan, szefowa zespołów naukowych NASA przyznała w wywiadzie dla „NewScientist”, że wyprawa na Marsa stanie się możliwa w latach 30. tego wieku. Kluczowy dla powodzenia takiego przedsięwzięcia będzie inny projekt NASA - Asteroid Redirect Mission, który nie dla każdego ma oczywisty związek z ekspedycją załogową na Czerwoną Planetę. A jednak Amerykanie z całą powagą powtarzają, że bez przechwycenia i sprowadzenia na orbitę księżycową asteroidy trudno sobie wyobrazić lot ludzi na Marsa.

Dzięki przechwyceniu kosmicznej skały przetestowana zostanie technologia napędu opartego na energii elektrycznej z ogniw słonecznych (SEP). Energia pozyskiwana z paneli słonecznych służyć w nim ma do wytwarzania silnych pól elektromagnetycznych w silniku jonowym. Rozwiązanie takie pozwala na znaczne oszczędności, bowiem w przypadku bardziej tradycyjnych silników rakietowych na paliwo stałe statek musiałby zabrać ze sobą spory jego zapas. Nowa metoda jest co prawda wolniejsza niż ta związana z potężnymi rakietami, ale znacznie bardziej efektywna. Trzeba ją jednak sprawdzić na prawdziwie ciężkim ładunku, a takim może być właśnie niewielki asteroida. Projektanci misji na Marsa zakładają, że najpierw wyślą nań zaopatrzenie, a dopiero potem, możliwie szybko, astronautów. Ich podróż musi trwać jak najkrócej, ze względu na groźne promieniowanie panujące w przestrzeni międzyplanetarnej.

Popychanie laserem

Amerykanie mówią o rakietach jonowych. Nieco innymi ścieżkami podążają w swoich pracach koncepcyjnych uczeni rosyjscy, którzy proponują zastosować do przyspieszania rakiet i statków kosmicznych wiązkę plazmy o wielkiej energii. Plazma miałaby być wytwarzana w procesie tzw. ablacji laserowej, czyli odparowywania materiału z powierzchni ciała stałego do stanu gazowego lub plazmy z pominięciem stanu ciekłego.

Pomysł polega na użyciu lasera naziemnego, który kierowany byłby w odpowiednie punkt w konstrukcji rakiety lub statku (11). Tam, dzięki ogromnej energii, następowałaby ablacja przygotowanego materiału, a powstająca wysokoenergetyczna plazma zapewniałaby ciąg w pożądanym kierunku. Pomysłodawcy twierdzą, że pozwoliłoby to niewielkim satelitom przyspieszać nawet o dziesięciokrotność prędkości dźwięku.

Problemem w praktycznym wprowadzeniu takiej technologii jest konieczność zastosowania niezwykle silnych laserów na powierzchni Ziemi. I nie chodzi tu tylko o koszty, ale i o względy bezpieczeństwa. Lasery takie bowiem, równie skutecznie jak napędzać, mogłyby niszczyć wszystko, co znajdzie się na ich drodze w atmosferze i na orbicie.

Rakieta i wiązka laserowa
Nuklearne marzenia

Pomysły wykorzystania do napędu pojazdów kosmicznych energii jądrowej lub nawet termojądrowej są tak stare, jak era kosmiczna. Nie zostały nigdy wcielone w życie, co dość wyraźnie wskazuje poziom ich realności. Badacze i konstruktorzy nie porzucają jednak nadziei. Rosyjska agencja Rosatom pracuje nad projektem silnika rakietowego napędzanego energią nuklearną, który byłby zdolny do wyniesienia w przestrzeń pozaziemską statku kosmicznego. Z informacji dziennika „Izwiestia” wynika nawet, że Rosatom opracował już jakoby projekt obudowy reaktora i stworzył specjalny element paliwowy, umożliwiający pracę silnika w szerokim zakresie temperatur.

Chodzi o rodzaj silnika rakietowego, w którym źródłem ciepła jest reaktor jądrowy. Ogrzany w reaktorze gaz, rozprężając się w dyszy, nadaje pęd rakiecie. Agencja Roskosmos twierdzi, że wykorzystanie tej technologii pomoże Rosji w ponownym podboju kosmosu. Testowe loty z wykorzystaniem nowego silnika miałyby rozpocząć się już w 2025 r.

Nad projektem silnika nuklearnego pracuje również amerykańska NASA, w ramach programu NTREES (The Nuclear Element Environmental Simulator). Start statku kosmicznego odbywałby się tu z użyciem tradycyjnego paliwa rakietowego, ale po udanym wejściu na orbitę statek kontynuowałby swoją podróż, napędzany energią nuklearną. NASA twierdzi, że zastosowanie tej technologii mogłoby zdecydowanie skrócić czas potrzebny do uruchomienia załogowych podróży na Marsa. Statek napędzany energią nuklearną poruszałby się zdecydowanie szybciej, a mniej paliwa rakietowego na pokładzie pozwoliłoby na zabranie większej liczby astronautów.

Pomysłów na zrewolucjonizowanie napędu kosmicznego jak zwykle więc nie brakuje. Jednak jak na razie, podobnie jak przez ostatnich kilka dekad ery kosmicznej, wciąż w zasadzie mamy do dyspozycji tylko rakiety z chemicznym paliwem. Realnie patrząc, i planując kolejne misje, to właśnie rakiety z paliwem i utleniaczem w środku trzeba więc brać pod uwagę w pierwszej kolejności.