Czy i kiedy uda nam się przyspieszyć w kosmosie?
W poszukiwaniach o wiele wyższych prędkości kosmicznych zauważyć można dwie szkoły. Jedna szuka sposobu na przeprowadzenie misji do innych gwiazd jak najszybciej, rozpatrując techniki napędowe, mówiąc najdelikatniej, niedojrzałe. Druga skupia się na działaniu kro po kroku, skracaniu czasu i obniżaniu kosztów misji, najpierw na orbitę okołoziemską, na Księżyca i Marsa, potem do dalszych planet Układu Słonecznego, z myślą o wystrzeleniu statków w dalsze podróże, jako kontynuacji tak rozumianego, organicznego, rozwoju.
Jak na razie, nawet przy zastosowaniu najlepszych technologii, jakie możemy sobie dziś wyobrazić, podróż między gwiazdami zajęłaby co najmniej sto lat. Jeśli nie wydarzy się jakiś cud naukowy, to w ciągu nadchodzącego tysiąclecia ludzkość prawdopodobnie nie ma szans na stworzenie imperium międzygwiezdnego.
Na laserze do Marsa?
Trwają poszukiwania alternatyw dla tradycyjnych rakiet. Niektórzy np. uważają, że laser mógłby wysłać statek kosmiczny na Marsa. Taką misję proponuje grupa badaczy z Uniwersytetu McGill w Kanadzie. Laser naziemny podgrzewałby w tej koncepcji plazmę wodorową w komorze na statku kosmicznym (1), wytwarzając ciąg pozwalający dotrzeć na Marsa w ciągu zaledwie 45 dni. Statek np. z zaopatrzeniem dla bazy a potem, kto wie, może dla kolonii, hamowałby w atmosferze Marsa.
Projekt zespołu z kanadyjskiej uczelni jest odpowiedzią na sformułowane w 2018 roku wyzwanie NASA, polegające na zaprojektowaniu misji, która dostarczyłaby ładunek o masie co najmniej tysiąc kilogramów w czasie nie dłuższym niż 45 dni, a także umożliwiłaby dłuższe podróże w głąb Układu Słonecznego i nawet dalej. Limit czasowy zmierza do minimalizacji narażenia załogi i ładunku na szkodliwe działanie promieniowania kosmicznego i burz słonecznych.
Na razie, przy sprzyjającym położeniu planet, podróż z Ziemi na Marsa trwa ok. pół roku dla pojazdów bezzałogowych. SpaceX Elona Muska obiecuje w tym samym czasie zmieścić się z podróżą człowieka, wciąż jednak przy użyciu rakiet opartych na chemikaliach.
Koncepcja z Uniwersytetu McGilla, zwana napędem laserowo-termicznym, opiera się na hipotetycznym układzie laserów w zakresie podczerwieni o średnicy 10 metrów każdy, który łączy wiele wiązek w strugę energii o mocy 100 megawatów. Połączona wiązka przekazywana jest przez reflektor do rdzenia wspomnianej komory z plazmą wodorową, który ma być rozgrzewany do temperatury 40 tysięcy kelwinów.
Wodór w gazie opływającym rdzeń osiągałby temperaturę 10 tys. K i byłby wyrzucany przez dyszę. Do startu i oddalenia się od Ziemi ma wystarczyć niecała godzina. Na linii wiązki utrzymywać mają statek silniki boczne. Po wyłączeniu wiązki ładunek poruszać się ma z prędkością prawie 17 kilometrów na sekundę względem Ziemi. To wystarczająco szybko, aby w ciągu zaledwie ośmiu godzin przekroczyć orbitę Księżyca. W półtora miesiąca dotrzeć ma na orbitę Marsa.
Jeśli to wydaje się fantazją, to dalej jest trudniej. Umieszczenie ładunku na 150-kilometrowej orbicie wokół czerwonej planety stanowi trudny problem do rozwiązania. A to dlatego, że potrzebny do wyhamowania chemiczny materiał pędnego zmniejszyłby masę ładunku użytecznego do mniej niż 6 proc. pierwotnie przyjmowane masy tysiąca kilogramów.
Dopóki na Marsie nie będziemy w stanie skonstruować podobnego układu laserowego do zapewnienia ciągu wstecznego dla statku przybywającego z Ziemi, jedynym dającym się pomyśleć sposobem wyhamowania ładunku na Marsie będzie hamowanie aerodynamiczne, manewr stosowany podczas lotu kosmicznego, mający na celu redukcję prędkości pojazdu przez wykorzystanie oporu atmosferycznego.
Jednak aerobraking, w atmosferze Marsa może być niebezpiecznym manewrem. Statek kosmiczny doświadczy przeciążeń do 8 g, tyle mniej więcej wynosi limit wytrzymałości człowieka. Kolejny problem to nagrzewanie statku. Nie jest to łatwy orzech do zgryzienia, krótko mówiąc.
Problem spowolnienia statków po odbyciu dalekiej podróży kosmicznej jest zwykle lekceważony przez entuzjastów nowych pomysłów napędowych, którzy skupiają się głównie na rozpędzeniu statków. Te, zgodnie z prawami fizyki, muszą zużyć tyle samo energii na wyhamowanie, aby móc wejść na orbitę, wylądować, przeprowadzić operacje i badania, które sprawią, że cała wyprawa ma sens. Wrócimy do tego problemu.
Proponowany przez Kanadyjczyków laserowo-termiczny napęd statków kosmicznych w głębokiej przestrzeni kosmicznej kontrastuje z innymi wcześniej proponowanymi metodami przenoszenia, takimi jak napęd laserowo-elektryczny, w którym wiązka laserowa oddziaływałaby na ogniwa fotowoltaiczne znajdujące się za ładunkiem, napęd solarno-elektryczny, w którym światło słoneczne padające na ogniwa PV wytwarza siłę napędową, napęd jądrowo-elektryczny, w którym reaktor jądrowy wytwarza energię elektryczną, wytwarzającą jony wyrzucane przez pędnik, oraz napęd jądrowo-termiczny, w którym ciepło re-aktora jądrowego przekształca ciecz w gaz, który jest wyrzucany przez dyszę w celu wytworzenia ciągu.
"Napęd laserowo-termiczny umożliwia szybki transport jednej tony ładunku za pomocą wiązek laserowych wielkości boiska do siatkówki, co w przypadku napędu laserowo-elektrycznego jest możliwe tylko przy zastosowaniu wiązek o wielkości kilometra", wyjaśnia w komunikacie różnicę pomiędzy tą koncepcja a innym pomysłem na napęd laserowy Emmanuel Duplay, który pracował nad projektem laserowo-termicznym na Uniwersytecie McGill.
Ogromną, choć wciąż jedynie potencjalną, zaletą koncepcji laserowo-termicznego napędu jest niezwykle niski stosunek masy do mocy, rzędu 0,001-0,010 kg/kW, "znacznie niższy nawet od podawanego dla zaawansowanych technologii napędu jądrowego, dzięki temu, że źródło energii pozostaje na Ziemi, a dostarczony strumień może być przetwarzany przez reflektor o niskiej masie".
Napęd laserowo-termiczny był po raz pierwszy rozważany w latach 70. ubiegłego wieku przy użyciu laserów CO2 o średnicy 10,6 mikrona, najpotężniejszych w tamtym czasie. Dzisiejsze lasery światłowodowe, pracujące na poziomie jednego mikrona, które mogą być łączone w masowo równoległe, fazowane układy o dużej średnicy efektywnej, pozwalają na ogniskową dostarczania mocy rzędu setek tysięcy km.
Musimy sobie jasno zdać sprawę z tego, że pierwsi ludzie na Marsie raczej nie dotrą tam przy użyciu technologii napędu laserowo-termicznego. Duplay spekuluje, że laserowo-termiczna misja na Marsa mogłaby wystartować dekadę po pierwszych misjach załogowych, czyli być może po roku 2040 roku. I to raczej nie w celu transportu ludzi, ale zaopatrzenia dla baz i kolonii.
Od jonówek, przez jądrówki, po żagle
Najszybciej poruszającym się statkiem kosmicznym jest należąca do NASA sonda Parkera badająca Słońce (2). Po wystrzeleniu z Ziemi w 2018 r., wiele razy biła rekordy prędkości, osiągając kilka miesięcy temu prawie 600 tys. km/h. Maksymalnie ma zbliżyć się do 700 tys. km/h. To oszałamiająco szybko - ale wciąż zaledwie 0,06 proc. prędkości światła.
Co nam najbardziej przeszkadza w zbliżeniu się bardziej, choćby do jednego procenta prędkości światła. Najkrócej można by powiedzieć - problem energii. Każdy poruszający się obiekt ma energię wynikającą z jego ruchu. Fizycy nazywają to energią kinetyczną. Aby poruszał się szybciej, trzeba potężnie zwiększyć energię kinetyczną. Na przykład rozpędzenie człowieka ważącego 50 kg do prędkości równej jednemu procentowi prędkości światła wymagałoby 200 miliardów dżuli. To mniej więcej tyle samo energii, ile zużywają w ciągu dnia 2 miliony ludzi.
Nasze rakiety spalają paliwo rakietowe. A ten sposób zwiększania energii poruszających się obiektów nie jest zbyt efektywny. Inne metody popychania statków kosmicznych polegają na wykorzystaniu sił elektrycznych lub magnetycznych. W sferze rozważań są napędy jądrowe i termojądrowe. Naukowcy badają nawet przekraczające barierę prędkości światła napędy warp rodem ze świata science-fiction.
Oprócz określanego jako "napęd warp" za serialem "Star Trek", koncepcyjnego napęd Alcubierre’a, nad którym pracują nawet na zlecenie NASA niewielkie zespoły uczonych, są inne, bardziej "mainstreamowe" pomysły na rozpędzanie pojazdów kosmicznych do dużych prędkości. Przede wszystkim napędy jonowe. 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 przewyższające znacznie najpotężniejsze rakiety chemiczne. 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., gdy rakiety chemiczne najwyżej ok. połowę tego.
Skrócenie podróży na czerwoną planetę do 39 dni, czyli krócej niż zespół pracujący nad napędem laserowo-termicznym, obiecuje od kilku lat teksańska firma Ad Astra Rocket Company. Ma to być możliwe dzięki opracowanemu przez nią nowatorskiej formie silnika jonowego o nazwie VASIMIR (3), co jest skrótem od angielskojęzycznej nazwy Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket. NASA włączyła się do finansowania projektu.
Nowa technologia napędu miała być pierwotnie gotowa w 2018 roku. Pierwsze prototypy tej jednostki miały jedną, za to dyskwalifikującą, wadę - nie potrafiły pracować dłużej niż przez minutę. Prototypy Ad Astra testowane w 2021 roku zaczęły się zbliżać do 100 kW mocy, co jest sporym postępem, jednak to wciąż bardzo daleko do poziomów wymaganych do podróży w kosmos, o wyprawie międzyplanetarnej nie wspominając.
Nie jest to jedyna wspierana i badana przez agencję NASA koncepcja napędu polegającego na nagrzewaniu przez mikrofale plazmy i wyrzucaniu jej przez dysze za pomocą pola magnetycznego. Innym pomysłem, na który liczy jest ksenonowy silnik Aerojet Rocketdyne.
Silniki jonowe różnego typu są zresztą od lat wykorzystywane w misjach NASA, m.in. w Deep Space 1, czyli w badaniach asteroidy 9969 Braille’a i komety Borelly oraz w misji Dawn, która dotarła do Westy i Ceres. Silniki jonowe są potencjalnie obiecujące w perspektywie podróży międzygwiezdnych, ale mają ograniczenia. 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.
Napęd nuklearny jest znacznie potężniejszą niż jonówki alternatywą dla rakiet chemicznych w kosmosie. Choć w ścisłym sensie taka koncepcja 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.
Jednym z obiecujących, nawet już przetestowanych w kosmosie sposobów jest zastosowanie żagla słonecznego. Wizualizujemy to jako duże, cienkie arkusze tworzywa przymocowane do statku kosmicznego i zaprojektowane w taki sposób, aby światło słoneczne mogło "napierać" na ich powierzchnię, podobnie jak wiatr na żagiel łodzi. Niektórzy badacze uważają, że żagiel słoneczny mógłby napędzać statki kosmiczne do prędkości nawet rzędu 10 proc. prędkości światła. Parę lat temu układ taki nazwie LightSail 2 przetestowała na orbicie naszej planety (4) organizacja o nazwie Towarzystwo Planetarne. Twierdzi, że próby są zachęcające.
Wiązka do napędu - antymateria do hamowania
Jeśli chcielibyśmy się wybrać wykorzystując choćby napęd za pomocą wiązki energetycznej, do układu najbliższej nam gwiazdy poza Słońce, Proximy Centaura, to pamiętajmy, że nawet jeśli uda nam się zmierzyć z kwestią przyspieszenia, potrzebne będzie ostre hamowanie, aby dla wejść do układu planet i na orbitę wokół planety. Hamowanie znacznie ostrzejsze niż na orbicie Marsa.
Gerald Jackson z Hbar Technologies, w opracowaniu dla NASA z 2020 roku zaproponował, aby w takie wyprawie zastosować napęd hybrydowy - wiązkę energetyczną lub żagiel fotonowy do przyspieszenia i anihilację antymaterii do hamowania (5).
Dlaczego tak? Chodzi o to, że antymaterii w takim rozwiązaniu nie potrzeba wiele, więc można ja zabrać na pokład, przynajmniej w teorii. np. zakładając, że do Proximy Centauri można dotrzeć choćby w sto lat, do wyhamowania w układzie potrzebujemy 120 gramów masy antyprotonowej. 250-letnia misja do układu Epsilon Eridani z taką prędkością wymagałaby tych samych 120 gramów.
Silnik napędzany anihilacją, hipotetyczny typ silnika rakietowego, który miałby napędzać pojazd kosmiczny, wykorzystując do tego zjawisko anihilacji materii i antymaterii, teoretycznie mógłby być silnikiem o największym uzysku energii z masy paliwa. Silnik taki zamieniałby, zgodnie z prawem równoważności masy i energii (słynnym wzorem E=mc2), całość masy spoczynkowej paliwa na energię użyteczną do napędu (w tym przypadku, precyzyjnie rzecz biorąc, do wyhamowania statku).
Łatwo powiedzieć. Po pierwsze nie opracowano jeszcze żadnego nawet prototypu silnika wykorzystującego antymaterią. Po drugie - pozyskanie owych 120 gram antymaterii wydaje się zadaniem przekraczającym nasze możliwości. Nie ma wydajnej metody wytwarzania antymaterii. Kosztem wielu milionów dolarów udaje się w laboratoriach uzyskać po kilka atomów antymaterii.
Ponadto nie ma też taniego sposobu przechowywania antymaterii tak, by nie stykała się z materią, a do tego jeszcze w poruszającym się i przyspieszającym statku kosmicznym. Jakby problemów było mało, to wyniku anihilacji powstaje wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, które jest bardzo przenikliwe, w związku z tym trudno skierować jego wiązkę (w przypadku wykorzystywania bezpośrednio jego pędu), a w przypadku przetwarzania energii promieniowania na energię innych cząstek energia ta wydzieli się w dużej masie substancji pochłaniającej.
Jackson, który od dawna opowiada się za możliwością zwiększenia produkcji antymaterii, uważa, że musimy osiągnąć poziom 20 gramów rocznie, zanim zaczniemy poważnie myśleć o przeprowadzeniu tego rodzaju misji. Na razie światowy rekord w produkcji antymaterii należy do Fermilabu. Produkcja antyprotonów rozpoczęła się w 1986 r. i zakończyła w 2011 r., osiągając średni poziom około dwóch nanogramów na rok. W sumie w Fermilabie wyprodukowano i zmagazynowano 17 ng antyprotonów, co stanowi ponad 90 proc. całkowitej produkcji świata i jego zasobów antymaterii. Jest zarazem najdroższa substancja jaką znamy.
Choć Jackson przekonuje, że przy większej skali produkcji koszty wytwarzania antymaterii nie będą tak wysokie, to perspektywa powstania hybrydy fotonowo-antymateryjnej wydaje się odległa. Dlatego większość inżynierów myśli jednak o udoskonalaniu tradycyjnych rakiet. Jednym z przykładów poszukiwania innowacji jest proponowany przez startup NewRocket nowy rodzaj paliwa rakietowego o żelowej konsystencji, nazwane PowerGel. "Rakiety, które nie mają sterowalnych silników, pracują aż do wyczerpania paliwa", wyjaśniał dyrektor generalny NewRocket Ilan Harel w wywiadzie dla "The Times of Israel". "Te, które używają sterowalnych silników, albo używają silnie toksycznych paliw trwałych albo używają paliw kriogenicznych, które są uważane za nietoksyczne, ale są trwałe tylko przez krótki czas". PowerGel godzi te sprzeczności.
Rakiet napędzanych chemicznie nie da się tak łatwo i szybko zastąpić. Trudno się dziwić agencjom kosmicznym, państwom, firmom, że nie kierują zbyt wielu sił i nakładów na prace nad alternatywami, które obiecują wprawdzie znacznie większe prędkości i wydajność, ale niestety są zwykle jedynie obietnice.
Mirosław Usidus
