Kosmiczny wyścig
Paradoksalnie, ponieważ podróże międzygwiezdne wydają się dziś najmniej realne ze wszystkich, właśnie w tej sferze nie brakuje niekonwencjonalnych pomysłów. Myśląc o wyprawie na najbliższą nawet gwiazdę, trudno brać pod uwagę znane nam techniki rakietowe. Szuka się więc czegoś zupełnie innego. Przykładem projekt Breakthrough Starshot, wspólna inicjatywa znanego fizyka Stephena Hawkinga oraz rosyjskiego miliardera, również fizyka z wykształcenia, Jurija Milnera. Celem Breakthrough Starshot jest wysłanie sond do najbliższego nam układu planetarnego - systemu Alfa Centauri. Dokładnie rzecz biorąc, mowa o serii miniaturowych sond, których zadaniem będzie dotarcie do celu z wykorzystaniem żagli słonecznych, zrobienie zdjęć oraz przesłanie ich na Ziemię. Żagle mają być napędzane wiązkami lasera emitowanymi z powierzchni Ziemi. Przy dobrych, nomen omen, wiatrach być może uda się rozpędzić pojazdy nawet do 20% prędkości światła, co pozwoliłoby im dotrzeć do Alfa Centauri w ciągu "ledwie" trzydziestu lat. Gdyby pomysł wypalił, raport z misji znalazłby się na Ziemi cztery lata później. Zespół badaczy otrzymałby więc go jeszcze za swojego życia…
Trwają już testy miniaturowych obiektów przed podróżą do gwiazd. Na orbicie okołoziemskiej znalazły się właśnie pierwsze sondy kosmiczne Sprite.
Gdyby sam koncept napędu laserowego okazał się wykonalny, można by go wykorzystać do załogowych podróży międzyplanetarnych. Zdaniem ekspertów, robotyczne statki kosmiczne mogłyby wówczas dolecieć na Marsa po zaledwie trzech dniach podróży.
W projekt laserowego napędu fotonowego zaangażowany jest m.in. Philip Lubin, profesor fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. On i jego zespół otrzymali ok. 100 tys. dolarów na przeprowadzenie wstępnych badań ich projektu, znanego pod nazwą Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN). Zakłada on docelowo budowę w pełni funkcjonalnego statku kosmicznego, napędzanego wiązką fotonów. Również i tu w ramach przedsięwzięcia powstać mają mikrosondy, które szybko dotrą do celu podróży i wykonają naukowe zadania, sprawnie przesyłając dane na Ziemię.
W projekcie Lubina chodzi o umieszczenie na orbicie Ziemi lasera o mocy wystarczającej do napędu nawet stukilogramowego statku na Marsa. W dalszych planach są większe obiekty, nawet załogowe, choć oczywiście wówczas nie ma mowy, aby taka masa dostała się na Marsa w ciągu zaledwie trzech dni. Lubin zauważa też, że moc orbitalnego lasera można by wykorzystać do zwalczania zagrażających Ziemi asteroidów.
Rozpędzone jony
To jednak wszystko mglista przyszłość. W eksploracji kosmosu wciąż powszechnie stosowany jest napęd chemiczny, czyli np. rakiety na ciekły wodór i tlen lub inne paliwa. Maksymalna prędkość, którą obecnie dzięki nim się osiąga, to ok. 10 km/s. W dalszych misjach kosmicznych wykorzystujemy zazwyczaj też asysty grawitacyjne obiektów Układu Słonecznego, dzięki czemu pojazd napędzany chemicznym silnikiem rakietowym może pomknąć z prędkością nawet ponad 100 km/s. Jeśli wziąć pod uwagę maksymalne zbliżenie Ziemi i Marsa, to przy takiej prędkości podróż między tymi dwoma obiektami trwałaby zaledwie kilka dni! To jednak tylko teoria, bo rozpędzanie z wykorzystaniem grawitacji trwa wiele miesięcy i lat.
Co mamy poza chemią? Coraz częściej wykorzystujemy i pracujemy nad doskonaleniem napędu jonowego, czyli silników rakietowych, w których czynnik nośny stanowią jony rozpędzane w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego. Jonówki są dziesięć razy wydajniejsze niż chemiczne silniki rakietowe. Prace nad tym rodzajem napędu rozpoczęto jeszcze w połowie ubiegłego wieku. Pierwsze wersje wykorzystywały do napędu pary rtęci. Obecnie powszechnie stosowany jest gaz szlachetny ksenon, czasami argon.
Energia wyrzucająca gaz z silnika pochodzi z zewnętrznego źródła (z baterii słonecznych lub 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 siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy wyrzucanej substancji. Jednak ze względu na małą moc układu zasilania masa wyrzucanego gazu nie jest duża, a przez to siła ciągu rakiety pozostaje niezbyt imponująca.
Wciąż trwają prace nad konstrukcjami mającymi zwiększyć moc napędu jonowego. Europejska agencja ESA prowadzi prace nad HDLT - silnikiem jonowym elektromagnetycznym. Agencja NASA współpracuje z firmą Ad Astra Rocket Company w budowie silnika plazmowego o nazwie VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Według twórców napędu, jest on w stanie działać przez sto godzin bez przerwy i generować moc rzędu 100 kW. W lipcu 2017 r. Ad Astra zaprezentowała oparty na argonie silnik 200SSTM, który dostarczał taką właśnie moc przez dziesięć godzin. Teraz firma musi jednak popracować nad materiałami, które wytrzymają ciągłą pracę silnika na pełnej mocy i w temperaturze dochodzącej do 3 mln stopni Celsjusza.
Silnik jonowy elektrostatyczny wykorzystano do napędu wystrzelonej w 1998 r. sondy Deep Space 1, lecącej w kierunku komety Borrelly'ego. Napęd zaprojektowano tak, aby pracował przez dwieście godzin. Działał ponad pięćdziesiąt razy dłużej. Odmiana jonówki, zwana silnikiem Halla, była wykorzystana w sondzie SMART-1, Europejskiej Agencji Kosmicznej. Silniki jonowe służą obecnie jako główny napęd japońskiej sondy Hayabusa i amerykańskiej Dawn (misja na planetę karłowatą Ceres).
Lepiej zabrać reaktor
Alternatywę dającą więcej mocy niż jonówki stanowi energia jądrowa, w której reaktor używany jest do ogrzewania gazu, lub stosowanie paliwa jądrowego w postaci gazu - albo też rozwiązania polegające na wytwarzaniu przez reaktor jądrowy energii elektrycznej do zasilania silnika jonowego. W ostatnim czasie analitycy z NASA wznowili prowadzone od ponad pół wieku prace koncepcyjne nad wykorzystaniem rakietowego silnika nuklearnego w lotach międzyplanetarnych. Jeśli koncepcja okaże się zdatna do realizacji, lot astronautów z Ziemi na Marsa można by skrócić do czterech miesięcy.
Specjaliści w USA pracowali nad potencjalnym wykorzystaniem rakietowego silnika nuklearnego (Nuclear Thermal Propulsion - NTP) już w latach 1955-1972, w ramach programu Orion. Obecnie amerykańska agencja kosmiczna powraca do tej idei w projekcie Game Changing Development, nastawionym na szersze wykorzystanie w eksploracji kosmosu rozwiązań dostarczanych przez przemysł i środowisko naukowe.
W przypadku Nuclear Thermal Propulsion reaktor atomowy wykorzystywany jest jako źródło ciepła. Powoduje ono rozgrzanie zgromadzonego w zbiorniku ciekłego wodoru do temperatury na tyle wysokiej, że zamienia się on w zjonizowany gaz - plazmę, która ulatując przez dyszę, nadaje statkowi ciąg (3). Prace nad skonstruowaniem NTP ma obecnie podjąć dla NASA firma BWXT Nuclear Energy, należąca do BWX Technologies. Pracuje ona nad reaktorem jądrowym działającym na podstawie reakcji rozszczepienia jąder nisko wzbogaconego uranu.
W NASA coraz chętniej mówi się o tzw. rakietach bimodalnych (bimodal rockets) - wielostopniowych pojazdach, których jeden człon byłby napędzany NTP, zaś pozostałe tradycyjnymi silnikami chemicznymi. Budowana obecnie rakieta Space Launch System miałaby dolny stopień napędzany silnikiem chemicznym, zaś górny wyposażony w rakietowy silnik nuklearny. Górny człon SLS uaktywniałby się dopiero po dotarciu pojazdu na orbitę okołoziemską i odłączeniu od niepotrzebnego już dolnego członu rakiety.
Wahadłowce i samoloty kosmiczne
Jeśli chodzi o podróże na niską orbitę okołoziemską (LEO), wracają koncepcje wahadłowców i samolotów kosmicznych, choć oczywiście nie tak drogich w eksploatacji jak wycofane z użytku promy kosmiczne. Agencja DARPA wraz Boeingiem ma wcielić w życie projekt rakietoplanu XS-1, przeznaczonego w przypadku konfliktów do zastosowań militarnych, a na co dzień - cywilnych. Boeing będzie realizował to przedsięwzięcie z firmą Blue Origin, należącą do szefa Amazonu, Jeffa Bezosa. Chodzi o lekki, bezzałogowy statek zdolny do częstych lotów na orbitę okołoziemską z ładunkiem o masie do 1,8 tony. Ma on startować dzięki własnym silnikom Aerojet Rocketdyne AR-22, wynosić ładunek w kosmos i następnie sam lądować na Ziemi. NASA chce, aby loty na orbitę kosztowały poniżej 5 mln dol. Plan zakłada wejście do użytku rakietoplanu do roku 2020.
To nie jedyny taki projekt. NASA, wspólnie z Sierra Nevada Corporation, od kilku lat rozwija koncepcję miniwahadłowca Dream Chaser. Już za dwa lata maszyna ma osiągnąć zdolność do wynoszenia na orbitę zarówno ładunków, jak i astronautów. W kosmos wzniesie się na rakiecie Atlas V. Ma to być projekt międzynarodowy pod egidą ONZ, umożliwiający krajom mniej zasobnym umieszczać na orbicie własne satelity. W październiku 2013 r. pierwszy egzemplarz został mocno uszkodzony, po tym jak nie wysunęła się część podwozia. Pierwszy roboczy start ulepszonej wersji pojazdu przewidziany jest na rok 2021.
Od kilku lat słyszymy również o rakietoplanie Skylon budowanym przez Brytyjczyków. Ich maszyna ma być bardziej zaawansowana niż konkurencyjne pojazdy kosmiczne i przeznaczona do transportu astronautów. Osiąganie dużych prędkości stanie się możliwe dzięki nowemu napędowi SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine), nad którym pracują niemieccy inżynierowie, razem z europejską agencją ESA i brytyjską firmą Reaction Engines. Silnik typu SABRE opiera się na pracy dwufazowej - działa na paliwie wodorowym spalanym wraz z powietrzem, które wpada przez dysze wlotowe, gdzie jest sprężane i chłodzone aż do temperatury bliskiej osiągnięciu stanu płynnego. Możliwe jest to dzięki sprężarce i systemowi kompresorów, pracującemu w zamkniętym obwodzie helowym. Oziębione powietrze trafia do komory spalania, zaś ciepło pochodzące z procesu jego chłodzenia służy podgrzewaniu płynnego paliwa wodorowego przed jego wstrzyknięciem do komory spalania. Proces przebiega do 5,5-krotnej prędkości dźwięku oraz wysokości, w której powietrze staje się zbyt rozrzedzone. Dysze zamykają się automatycznie, zaś pojazd przechodzi na działanie "jak rakieta", z paliwem wodorowym i ciekłym tlenem.
Prace nad Skylonem trwają od kilku lat. Początkowo zapowiadano pierwsze testy po 2025 r. Obecnie słyszymy jednak, że pierwsze loty próbne mogą odbyć się już w 2019 r. Pojazd zabierze na pokład maksimum ok. 24 pasażerów. Konstrukcja będzie miała 85 m długości i 25 m rozpiętości skrzydeł. Pojazd będzie startował i lądował horyzontalnie, tak jak samoloty.
Z kolei chińscy inżynierowie pracują nad wynoszącą ładunek do 200 kg rakietą, która mogłaby być wystrzelona z samolotu transportowego Y-20 - w locie, zamiast z Ziemi. Byłaby to szansa na tanie i szybkie umieszczanie małych satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), a rynek tego rodzaju usług rozwija się w ostatnich latach niezwykle dynamicznie. Rakieta ma być umieszczona w kadłubie samolotu i wypuszczana po osiągnięciu określonej wysokości. Po opuszczeniu maszyny silnik rakiety zostaje odpalony i zaczyna się lot na LEO (niską orbitę). Zdaniem Chińczyków oszczędzałoby to przede wszystkim sporo czasu potrzebnego na przygotowanie startu z naziemnego kosmodromu - a w konsekwencji obniżenie ceny każdej wyprawy.
Wynoszenie na niską orbitę to jednak zupełnie inna dziedzina niż loty w dalszy kosmos. I zupełnie inne problemy. W lotach międzygwiezdnych i międzyplanetarnych chodziłoby głównie o zwiększenie szybkości. W pobliżu Ziemi liczą się natomiast przede wszystkim jak najmniejsze koszty. Cena startu i wyniesienia pozostaje przecież największą barierą dla firm i mniejszych państw, które myślą o umieszczaniu na LEO minisatelitów.
Cały czas pojawia się bardzo wiele nowych pomysłów. Mówi się np. o wykorzystaniu superszybkich naddźwiękowych samolotów, silników ramjet i scramjet, ale to wciąż głównie koncepty teoretyczne. W praktyce koszty obniża Azja - czyli Chiny lub Indie, które na początku 2017 r. postawiły na masowość i wyniosły na orbitę, za pomocą jednej rakiety, rekordową liczbę 104 małych satelitów.
Film-wizualizacja misji Skylona:
