Skyhook - kosmiczna katapulta. Rzuty młotem po Układzie Słonecznym
Rakiety to w tej chwili, podobnie jak na początku owej ery, właściwie jedyny sposób, aby wynieść coś w kosmos. Choć technika rakietowa nie stoi w miejscu, to jednak wciąż można mieć wobec niej mnóstwo zastrzeżeń. Np., że ma wciąż relatywnie niewielką nośność, zużywając ogromne ilości paliwa, zaś koszt wystrzelenia jednej rakiety jest wciąż bardzo duży (nawet jeśli można ją ponownie wykorzystać, jak w przypadku SpaceX).
Weźmy na przykład rakietę Falcon Heavy wzmiankowanej firmy Elona Muska. W swojej obecnej formie Falcon Heavy potrzebuje nieomal trzysta ton ciekłego tlenu i 123,5 tony RP-1, rodzaju kerozenu, co daje łączną masę paliwa ponad czterysta ton.
Ładunek użyteczny mieści się w rakiecie w module o 13,1 m długości i 5,2 m średnicy. W tym małym przedziale (w porównaniu do 70-metrowej rakiety) Falcon Heavy może wynieść 63,8 tony na niską orbitę okołoziemską (LEO), a gdyby go wysłać na Marsa - jedynie 16,8 ton. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że start Falcona Heavy kosztuje co najmniej 90 mln dolarów, to ładunek na LEO kosztuje 1410 dolarów za kilogram, ale już koszt przetransportowania kilograma na Marsa sięgnie 5357 dolarów.
A Falcon Heavy jest zdecydowanie najbardziej ekonomiczną rakietą, jaką znamy, zbijając cenę w stosunku do konkurencji o ok. ćwierć miliarda dolarów za start.
Pomimo znaczącej obniżki cenowej, którą daje SpaceX, loty w kosmos wciąż są, w powszechnej ocenie, drogim przedsięwzięciem. Dlatego nie ustają koncepcyjne, a nawet konstrukcyjne, jak zobaczymy dalej, prace nad znalezieniem sposobu na dalszą redukcję kosztów latania w kosmos. Najbardziej znaną propozycją jest kosmiczna winda z dźwigiem umieszczonym na orbicie Ziemi lub w innych konfiguracjach, w tym z wykorzystaniem cięgna podwieszonego do Księżyca. Nie powstał jednak, przynajmniej nic o tym nie wiadomo, jeszcze żaden prototyp takiego rozwiązania, w którym głównym wyzwaniem jest masa własna potrzebnych do takiej konstrukcji lin, a raczej brak wciąż odpowiedniego materiału do liny, która byłaby na tyle lekka, by nie zerwać się pod własnym ciężarem i na tyle mocna, by wciągać duże ładunki.
Złap na dole - wyrzuć w górę
Koncept Skyhook nawiązuje do pomysłu windy, gdyż też polega na wciąganiu statku na orbitę za pomocą cięgna. Jednak, jak widać na poglądowej ilustracji, nie chodzi tu o wciąganie od poziomu ziemskiego gruntu, lecz raczej o swoiste "łapanie" pojazdu, który już wystartował "na lasso" i wyrzucanie dalej w przestrzeń, czyli o coś w rodzaju procy czy katapulty. Nasuwa to też pewne skojarzenia z lekkoatletyczną konkurencją rzut młotem.
Skyhook nazywany jest bardziej oficjalnie po angielsku "Momentum Exchange Tether". Najważniejszym jego elementem miałby być obracający się po ziemskiej orbicie satelita z bardzo długą liną po jednej stronie i mniejszą liną z przeciwwagą po drugiej.
Prędkość końca dłuższego cięgna jest przeciwna do kierunku poruszania się statku. Prędkości jednego i drugiego w tym momencie działają przeciwko sobie. Następnie, gdy koniec uwięzi obróci się, oddalając od Ziemi, kierunek jego pędu jest już zgodny z kierunkiem poruszania się satelity po orbicie, prędkości się sumują, końcówka cięgna porusza się najszybciej. Zatem statek kosmiczny przyczepia się do cięgna w momencie jego najwolniejszego obrotu punkcie i "puszcza" je w najszybszym, moment obrotowy satelity przechodzi na prędkość statku, wystrzeliwanego jak z procy (1).
Jednak, gdybyśmy ciągle używali tego rozwiązania jako katapulty do jednokierunkowych lotów kosmicznych, w końcu zużylibyśmy cały moment obrotowy i satelita przestałby się obracać. Rozwiązaniem mogłoby być wykorzystanie Skyhooka w odwrotnym celu, czyli do sprowadzania statków na Ziemię. Chodziłoby o "łapanie" szybko poruszających się statków kosmicznych na dużej wysokości, spowalnianie ich, a następnie wypuszczanie na niższych wysokościach. Powracające statki oddawałyby moment obrotowy satelicie głównemu systemu, utrzymując układ w energetycznej równowadze tak, by nie potrzeba było żadnych dodatkowych rakiet i silników do korekcji.
Aby to zadziałało, potrzeba kilku drobiazgów, które nie są jeszcze w pełni dostępne w sensie technicznym. np. startujący z Ziemi statek musiałby osiągnąć prędkość 12000 km/h na wysokości około 100 km (czyli linii Kármána, umownej granicy przestrzeni kosmicznej). Przyjmuje się, że jest to najniższa wysokość, na jaką Skyhook może opuścić swój punkt zaczepienia, zanim tarcie powietrza ściągnie satelitę z powrotem na Ziemię.
Oprócz turystycznej maszyny Virgin Galactic nie mamy samolotów, które latają tak wysoko, a tak szybko nie latają w ogóle żadne. Więc wciąż myślimy o rakietach. Według wyliczeń autorów projektu wykorzystanie chociażby wspomnianej Falcon Heavy do tego pułapu pozwala zmniejszyć ilość paliwa o nieomal 90 proc. Oznaczałoby to wyniesienie owych 63,8 tony ładunku za dziesięciokrotnie mniej na orbitę o wysokości do 1900 kilometrów.
Może w przyszłości nie potrzeba będzie ani samolotów, ani rakiet, tylko… procy na Ziemi. Pisaliśmy niedawno w MT o projekcie SpinLaunch, startupu, który wpadł na pomysł wykorzystania do startów na orbitę czegoś zupełnie innego. Ich wynalazek można by określić jako wielką (choć nie tak wielką jak Skyhook) "procę", która polega na nadaniu dużej prędkości obrotowej napędzanej elektrycznie centryfudze w komorze próżniowej, wyrzucającej następnie ładunek, docelowo sondę na orbitę.
W ramach niedawnych testów "kinetycznego systemu startowego". SpinLaunch udało się wyrzucić ładunek rakiety o długości ok. trzech metrów na wysokość dziesięciu kilometrów. Według dostępnych informacji, wyrzutnia rozpędza ładunki do ośmiu tysięcy kilometrów na godzinę. Zarówno prędkość jak i ładunek są jeszcze za małe, ale przecież to dopiero początek prac.
Oczywiście w systemie Skyhook satelita na orbicie na wysokości ok. tysiąca kilometrów będący podparciem dla tej procy musi być czymś niezwykle potężnym i wytrzymałym. Cięgno również powinno być zrobione nie z byle jakiego tworzywa. Mówi się o zylonie, którego wytrzymałość jest 1,6 wyższa niż kewlaru. Takich Skyhooków prawdopodobnie potrzeba byłoby co najmniej kilka wokół Ziemi, na niższych i wyższych orbitach, potem wokół Księżyca…, Marsa i wszystkich planet w całym Układzie Słonecznym. Powstałaby w ten sposób kosmiczna infrastruktura transportowa do szybkiego i niedrogiego transportu w całej naszej najbliższej kosmicznej okolicy. Opłacalne ekonomicznie stałoby się rozpoczęcie wydobycia surowców na planetach w pasie asteroid. Tańszy transport pozwoliłby je nie tylko sprowadzać na Ziemię, ale wykorzystywać do budowy baz i kto wie, może kolonii, w Układzie Słonecznym.
Być może będziemy musieli porządnie posprzątać cały ten kosmiczny bałagan, którego narobiliśmy wokół Ziemi, zanim będziemy mogli w ogóle rozważyć wysłanie Skyhooka. I to, choć wygląda na problem, stanowi jaśniejszą stronę projektu.
Mirosław Usidus
