Nowe napędy kosmiczne - marzenia i rzeczywistość
Na początek potrzebne jest wyjaśnienie, że NASA nie buduje silnika osiągającego i przekraczającego prędkość światła. W studium, o którym mowa, doświadczony fizyk napędów, dr Harold White, związany z instytutem Limitless Space, próbuje rozwiązać poważny paradoks tkwiący w tym najbardziej chyba znanym, teoretycznym modelu podróży superluminalnej (szybszej niż prędkość światła), znanym też jako napęd Alcubierre (1).
Model, po raz pierwszy zaproponowany przez fizyka teoretycznego Miguela Alcubierre, jest zgodny z teorią Einsteina. Działa on podobnie do znanej sztuczki z obrusem i zastawą na stole. Statek kosmiczny znajduje się na obrusie czasoprzestrzeni, napęd energicznie pociąga tkaninę obrusu pod nim, a statek w mgnieniu oka znajduje się w nowym miejscu w stosunku do tkaniny, wskutek "szarpnięcia" czasoprzestrzenią. Alcubierre opisywał czasoprzestrzeń jako rozszerzającą się z jednej strony statku i kurczącą się z drugiej, dzięki m.in. wykorzystaniu energii ujemnej. Tworzyć się ma swego rodzaju kieszeń w czasoprzestrzeni, w której statek kosmiczny może działać poza znaną nam fizyką. Pojęcie ujemnej energii jest egzotyczne, ale znane mechanice kwantowej.
Problem zresztą nie tylko w ujemnej energii, ale także w tym, że kierunek ruchu statku kosmicznego napędzanego w tym modelu jest w momencie użycia napędu arbitralny, nie ma możliwości sterowania nim. I tu wkracza wspomniany doktor White, sugerując inny paradygmat. Zamiast stacjonarnego statku kosmicznego włączającego napęd Alcubierre z pozycji zatrzymanej, badacz proponuje "statek kosmiczny odlatujący z Ziemi i ustanawiający początkową prędkość podświetlną, a następnie inicjujący pole warp". "Impuls pola działa na prędkość początkową jako mnożnik skalarny, powodując znacznie większą prędkość pozorną" napisał White. Kierunek lotu byłby zatem zdefiniowany przed "skokiem nadprzestrzennym". W swoich spekulacjach proponuje też metodę zmniejszającą zapotrzebowanie na energię.
Swoje wywody White kończy sugestią, że napęd Alcubierre mógłby początkowo być wykorzystywany w krótszych podróżach w obrębie Układu Słonecznego, bez rzucania się na szerokie przestrzenie międzygwiezdne. Nawet w tych mniejszych skalach byłoby to już coś. W tej chwili potrzeba ok. trzech dni na dotarcie na Księżyc i w najlepszej konfiguracji około 6-8 miesięcy na Marsa. Tyle nam dają napędy oparte na mieszaniu ciekłego wodoru z tlenem i spalaniu ich w rakietach. Dla niektórych, to co obecnie stosujemy, to nie napęd, ale wręcz kula u nogi. Stąd poszukiwania alternatyw.
Wiosło do odpychania się od Wszechświata
Kolejnym poszukującym jest 80-letni, emerytowany profesor fizyki, Jim Woodward, który wpadł na pomysł, aby do napędu statków kosmicznych wykorzystać zasadę Macha. Cała materia we Wszechświecie jest ze sobą ściśle powiązana, a masa ciała nie jest jego wewnętrzną cechą, ale skutkiem oddziaływania pozostałej materii Wszechświata. Według zasady Macha bezwładność materii (opór przy przyspieszaniu) nie wynika z własności wewnętrznej materii, ale stanowi miarę jej oddziaływania z całym Wszechświatem. Bezwładność ta występuje tylko dlatego, że istnieje pozostała materia we Wszechświecie. Zasada ta jako hipoteza została sformułowana przez XIX-wiecznego fizyka i filozofa austriackiego Ernsta Macha. Była jedną z inspiracji Alberta Einsteina przy tworzeniu ogólnej teorii względności (OTW), jednak ostatecznie okazała się z nią sprzeczna.
Woodward tworzy dla NASA niewielkie prototypu układów napędowych (2), które sam nazywa MEGA Drive. Nie potrzebują one paliwa, jedynie stałą dostawę prądu elektrycznego. Najważniejsze w tym układzie są piezoelektryczne dyski, które symultanicznie zmieniają pod wpływem dostarczanej energii swoje stany masowe i energetyczne, co powoduje przyspieszenie. Polega to na powolnym przyspieszaniu, ale w bardzo długim okresie. Według Woodwarda, statek kosmiczny z napędem MEGA mógłby w końcu osiągnąć prędkości zbliżone do prędkości światła, mając stałą dostawę energii elektrycznej z pokładowego reaktora jądrowego przez kilkadziesiąt lat.
Jego zespół wykorzystuje w prototypach stos piezoelektrycznych kryształów, z elektrodami umieszczonymi pomiędzy nimi, działającymi jak kondensator. Kiedy przykłada się napięcie do stosu, pojawia się zmienne pole elektryczne pomiędzy elektrodami w piezoelektrycznym materiale. Powoduje to zmianę gęstości energii, fluktuację energii. Kryształy piezoelektryczne są urządzeniami elektromechanicznymi, co oznacza, że po przyłożeniu napięcia mechanicznie rozszerzają się i kurczą w zależności od znaku napięcia. Zdaniem Woodwarda powoduje to przyspieszenie z powodu zmieniających się wymiarów stosu ze względu na efekty elektromechaniczne, zarazem powodując wymagane przyspieszenie w układzie urządzenia umieszczonego w dużym polu grawitacyjnym. Jak mówią badacze, trik polega tu na poprawnej synchronizacji wahań energii i oscylacji mechanicznych, co wymaga użycia dwóch częstotliwości, pierwszej i drugiej harmonicznej, i ta druga harmoniczna ma wytwarzać ciąg.
W testach eksperymentalnych udało się według publikacji wytworzyć przez prototyp 20 mikroniutonów ciągu. Nie za wiele, dlatego naukowcy mówią o wykorzystaniu wielu takich "silników" w pojedynczym statku.
Prace Woodwarda nad jego napędem MEGA trwają od ponad trzydziestu lat. W 2017 roku otrzymał dofinansowanie w ramach programu NASA Innovative Advanced Concepts. Dzięki funduszom Woodward i jego współpracownicy zaprojektowali nawet koncepcyjny odkryty statek kosmiczny o nazwie SSI Lambda, w którym znajduje się macierz setek dysków MEGA. Niedawno najnowszy prototyp napędu MEGA wytworzył znacznie większą siłę ciągu niż wszystkie jego poprzednie prototypy. Teraz w planach jest wysłanie prototypu na orbitę.
Jednak inni badacze nadal są sceptyczni wobec tego projektu. Mike McDonald, inżynier lotniczy w Laboratorium Badań Marynarki Wojennej w Maryland, mówił w magazynie "Wired", że szanse na to, by to działało, są znikome.
Jonówki i jądrówki
Napęd oparty na zasadzie Macha, nad którym pracuje zespół prof. Woodwarda, należy do projektów niekonwencjonalnych i wciąż uważanych za egzotyczne. Są inne bardziej "mainstreamowe" pomysły na powolne rozpędzanie pojazdów kosmicznych do dużych prędkości. Przede wszystkim napędy jonowe (3). Ciąg z takich układów jest zbyt mały, aby przezwyciężyć pole grawitacyjne Ziemi, czyli wystartować. Gdy jednak już znajdzie się w przestrzeni, silnik jonowy może osiągnąć prędkości nieporównywalne z żadną rakietą chemiczną. Rakiety chemiczne mogą osiągać maksymalnie 64 000 km/h. Pędniki jonowe, jak się szacuje, mogą rozpędzać statki do prędkości pięć razy większej. Poza tym napędy jonowe mają sprawność paliwową na poziomie 90 proc., podczas gdy rakiety chemiczne mają tylko jedną z 35 proc.
Silniki jonowe są od lat wykorzystywane w misjach NASA, m.in. w Deep Space 1, czyli w badaniach asteroidy 9969 Braille’a i komety Borelly, w misji Dawn, która dotarła do Westy i Ceres. Silniki jonowe są potencjalnie obiecujące w perspektywie podróży międzygwiezdnych, ale mają też ograniczenia. Silniki jonowe potrzebują energii elektrycznej. Z ogniw słonecznych można korzystać w tym względzie tylko w bliższych rejonach Układu Słonecznego. W dalszych wyprawach potrzeba innych źródeł, przy czym najczęściej mówi się o reaktorach jądrowych.
I tak dotarliśmy do napędu nuklearnego, który jest znacznie potężniejszą niż jonówki alternatywą dla rakiet chemicznych w kosmosie. Choć w ścisłym sensie taki pomysł jak np. termiczny napęd jądrowy (NTP) wciąż wykorzystywałby jako paliwo substancję chemiczną podobną do ciekłego wodoru. Energia rozszczepienia produkowana w reaktorze nagrzewałaby materiał pędny do postaci gazowej i byłaby wyrzucana przez dyszę podobnie jak w tradycyjnych rakietach. Napędy takie pozwalałyby uzyskać dwa razy większe ciągi. A to oznacza skrócenie czasu podróż o połowę, czym zapewne nikt nie pogardzi.
Oczywiście, jeśli szybkość i czas nie będą problemem, a tak może być w turystyce lub nawet rekreacji kosmicznej przyszłości, to należałoby się zastanowić nad takimi alternatywnymi rozwiązaniami napędowymi jak żagle słoneczne. Niedawno układ taki o nazwie LightSail 2 (4) przetestowała na orbicie naszej planety organizacja o nazwie Towarzystwo Planetarne. Twierdzi, że próby są zachęcające.
A zatem kto wie, czy nie jest to jedna z realnych ścieżek dla pewnego rodzaju podróży kosmicznych. Wiatr słoneczny jest w odróżnieniu od energii ujemnej czy zasady Macha czymś, czego istnienie i działanie jest dobrze potwierdzone, więc żagle kosmiczne rysują się jako bardziej realne niż "nadświetlne" marzenia.
Mirosław Usidus
