Ziemskie strachy

Późne lata 50. i lata 60. to najgorętszy okres zimnej wojny, wielki strach przed nuklearną zagładą, czasy kryzysu kubańskiego (październik 1962) i ogromnego przyspieszenia technologicznego napędzanego tym strachem. Radziecki ?towarzysz podróży? wszedł na orbitę okołoziemską w październiku 1957 roku, w miesiąc później w swoją drogę bez powrotu wyruszyła Łajka, a w tym samym czasie na przylądku Canaveral amerykańscy dziennikarze obejrzeli sobie eksplozję rakiety Vanguard TV3 i ukuli nawet dla niej specjalne nazwy w rodzaju Stayputnik (od stay put, czyli siedź tu) lub Kaputnik.

Ta ostatnia sklejka Sputnika z niemieckim kaputt powstała dlatego, że ojcem amerykańskiego programu rakietowego był Wernher von Braun. W ostatnim dniu stycznia 1958 roku Amerykanie zdołali wreszcie wysłać swojego pierwszego satelitę na orbitę, w dwa lata później w kosmos wyruszył i wrócił Jurij Gagarin, po miesiącu ?dogonił? go, choć tylko w locie suborbitalnym, Alan Shepard. Za wszystkimi wysiłkami wyścigu kosmicznego stała nie tyle duma narodowa uczestniczących w nim krajów czy też (wolne żarty) chęć poznania nieznanego, co poczucie zagrożenia, bo pierwsze próbne wystrzelenie międzykontynentalnej rakiety balistycznej miało miejsce już w sierpniu 1957 roku. Była nią R-7 Siemiorka z możliwością przenoszenia głowicy o mocy 5 MT. Na kolejnych, modyfikowanych i uzupełnianych o kolejne stopnie rakietach tego typu w Kosmos wyruszyli Sputnik, Łajka, Jurij Gagarin, wszyscy radzieccy, rosyjscy i inni kosmonauci i astronauci latający z rosyjskich kosmodromów. Niezły projekt podstawowy!

Rakiety chemiczne były i pozostają jedyną metodą wysyłania ładunków i ludzi na orbitę i dalej, ale jest to metoda daleka od ideału. Nie wybuchają już tak często, ale stosunek masy ładunku użytecznego wynoszonego na niską orbitę okołoziemską (LEO) do masy samej, skomplikowanej przecież w budowie, a równocześnie jednorazowej rakiety pozostaje w astronomicznej (dobre słowo!) proporcji jak 1 do 400?500 (radziecki Woschod, czyli zmodyfikowana R-7 plus drugi stopień, 5900 kg do 300 000 kg, nowsze rakiety Sojuz 7100?7800 kg do 300 000 kg).

Niewielką pomocą może być wynoszenie lekkich rakiet przez samoloty, tak jak w amerykańskim suborbitalnym systemie turystycznym WhiteKnightTwo ? SpaceShipTwo (2012 rok?). To jednak w gruncie rzeczy niewiele zmienia, bo nadal trzeba coś spalać i wydmuchiwać w jedną stronę, by lecieć w drugą. Nic więc dziwnego, że rozważa się metody alternatywne, z czego najbliższe realizacji pozostają chyba dwie, czyli wielka armata strzelająca pociskiem z zawartością zdolną wytrzymać przeciążenia startowe oraz winda kosmiczna. To pierwsze rozwiązanie było już na bardzo zaawansowanym etapie rozwoju, ale kanadyjski konstruktor musiał w końcu szukać finansowania projektu u Saddama H. i zginął w marcu 1990 roku zastrzelony przez ?nieznanych sprawców? przed swoim brukselskim mieszkaniem. To drugie, należące pozornie do kompletnie nierealnych, stało się ostatnio bardziej prawdopodobne wraz z opracowaniem ultralekkich włókien z nanorurek węglowych.

Pół wieku temu, czyli u progu nowej ery kosmicznej, niska skuteczność i awaryjność bardzo już przecież zaawansowanej technologii rakietowej spowodowała, że naukowcy zaczęli zastanawiać się nad możliwością okiełznania dużo efektywniejszego źródła energii. Elektrownie atomowe działały już od połowy lat 50., pierwszy okręt podwodny z napędem atomowym, USS ?Nautilus? wszedł do służby w 1954 roku, ale reaktory były i pozostały tak ciężkie, że po nielicznych eksperymentach zrezygnowano z prób zastosowania ich do napędu samolotów, nie rozwijano też utopijnych projektów budowania ich w statkach kosmicznych.

Pozostawała druga, dużo bardziej nęcąca możliwość, by do napędzania tych ostatnich użyć wybuchów nuklearnych, czyli rzucać bombami atomowymi w statki kosmiczne, by poleciały w Kosmos. Pomysł nuklearnego napędu pulsacyjnego pochodził od wybitnego polskiego matematyka i fizyka teoretycznego Stanisława Ulama uczestniczącego w projektowaniu amerykańskiej bomby atomowej (projekt Manhattan), a później współtwórcy amerykańskiej bomby termojądrowej (Teller-Ulam). Wynalazek napędu nuklearnego (1947) był podobno najbardziej ulubionym pomysłem polskiego naukowca i został rozwinięty przez specjalny zespół pracujący w latach 1957?61 nad projektem Orion.

Książka, jaką ośmielam się polecić w tym miejscu Drogim Czytelnikom, ma tutuł Kosmolot i czółno, jej autorem jest Kenneth Brower, a głównymi bohaterami są Freeman Dyson i jego syn George. Ten pierwszy to wybitny fizyk teoretyczny i matematyk, m.in. specjalista inżynierii nuklearnej i laureat Nagrody Templetona. Przewodził wspomnianemu właśnie zespołowi naukowców, a w książce reprezentuje potęgę umysłu ścisłego i geniuszu naukowego pozwalającego nam sięgać gwiazd, podczas gdy jego syn zdecydował się mieszkać w domku na drzewie w Kolumbii Brytyjskiej i przemierzać zachodnie wybrzeża Kanady i Alaski w budowanych przez siebie kajakach. Nie oznacza to bynajmniej, że szesnastoletni syn wyrzekł się świata, by pokutować za atomowe grzechy ojca. Nic podobnego, bo choć w geście odrzucenia najwybitniejszych uczelni amerykańskich na rzecz sosen i skalistych brzegów tkwił element buntu, to George Dyson budował swoje kajaki i kanu z najnowszych (wówczas) laminatów szklanych na aluminiowych szkieletach, a później, czyli w okresie nieobjętym już fabułą książki, wrócił do świata uniwersyteckiego jako historyk nauki i napisał m.in. książkę o pracach nad projektem Orion (Project Orion: The Atomic Spaceship 1957?1965).

Kosmolot na bomby

Sama zasada wymyślona przez Ulama jest bardzo prosta, ale zespół Dysona spędził 4 lata na tytanicznej pracy polegającej na opracowaniu teoretycznych podstaw i założeń konstrukcji nowych statków kosmicznych. Nie detonowano bomb atomowych, ale przeprowadzono udane eksperymenty, w których seryjne wybuchy niewielkich ładunków skutecznie napędzały modele. Np. w listopadzie 1959 roku model o średnicy 1 m wzniósł się w kontrolowanym locie na wysokość 56 m. Zakładano kilka docelowych wielkości pojazdów kosmicznych, cytowane w założeniach liczby zwalają z nóg, jedną z dwóch największych wad projektu rozwiązuje wspomniana wyżej winda, więc kto wie, może jeszcze polecimy gdzieś daleko?!

Pierwszą praktyczną wskazówką Ulama było to, że eksplozji atomowej nie da się utrzymać w jakiejś ograniczonej przestrzeni komory spalania, jak to przewidywał początkowo teoretyczny projekt... Freemana Dysona. Statek kosmiczny projektowany przez zespół Oriona miał już mieć ciężkie stalowe lustro ? płytę przechwytującą energię wybuchów z niewielkich ładunków wyrzucanych seryjnie przez centralny otwór.

Meganiutonowa fala uderzeniowa bijąca w sekundowych odstępach w płytę z prędkością 30 000 m/s nadawałaby jej gigantyczne przeciążenia nawet przy ogromnej masie i chociaż odpowiednio zaprojektowana konstrukcja i wyposażenie mogłyby znieść przeciążenia do 100 G, to ?orionowcy? chcieli, by ich statkiem mogli latać ludzie i w związku z tym zaprojektowano dwustopniowy system amortyzatorów, który miał ?wygładzić? skoki części napędowej do stałej wartości 2 do 4 G dla części załogowej.

Podstawowy projekt statku Orion Interplanetary (międzyplanetarny) zakładał masę 4000 t, średnicę zwierciadła 40 m, wysokość całości 60 m i moc użytych ładunków 0,14 KT. Najciekawsze są oczywiście dane pozwalające porównać skuteczność napędu z klasycznymi rakietami: Orion miał zużyć 800 bomb, aby wynieść siebie i 1600 t ładunku na niską orbitę okołoziemską (LEO), ważący 3350 t ?jednorazowy? Saturn V z księżycowego programu Apollo przenosił 130 t.

Posypywanie własnej planety plutonem było najważniejszą wadą projektu i jednym z powodów zarzucenia prac nad statkami Orion po wprowadzeniu podpisanego w 1963 roku Traktatu o częściowym ograniczeniu prób nuklearnych zabraniającego detonowania ładunków atomowych w atmosferze ziemskiej, w przestrzeni kosmicznej i pod wodą. Wspomniana już dwukrotnie futurystyczna winda kosmiczna mogłaby skutecznie rozwiązać ten radioaktywny problem, a zmontowany w kosmosie statek wielokrotnego użytku, który może dowieźć 800 t ładunku na orbitę Marsa i wrócić, to kusząca propozycja. Kalkulacja ta jest zresztą zaniżona, bo wliczony został start z Ziemi i konstrukcja uwzględniająca lot załogowy z oczywistymi konsekwencjami w masie amortyzatorów, więc gdyby taki pojazd miał konstrukcję modułową z opcją demontażu części amortyzatorów i części załogowej do lotów automatycznych...

Winda dystansująca Ziemię od nuklearnego statku kosmicznego rozwiązałaby także pozostałe problemy, jak np. wpływ impulsów elektromagnetycznych (EMP) na urządzenia elektroniczne. Trzeba przypomnieć, że ojczysta planeta chroni nas pasami Van Allena przed promieniowaniem kosmicznym i rozbłyskami słonecznymi, ale załogę i wyposażenie każdego statku w Kosmosie trzeba i tak zabezpieczać dodatkowymi osłonami. Oriony miałyby najskuteczniejszą tarczę przed promieniowaniem z wybuchów napędowych w postaci grubego, stalowego lustra-płyty i zapas nośności dla najsolidniejszych nawet osłon dodatkowych.

Kolejne wersje Orionów miały jeszcze lepszy stosunek masy własnej do ładunku, bo przy masie 10 000 t moc ładunków wzrastała do 0,35 KT, ale ładunek wynoszony z Ziemi (tfu, tfu, apage, to tylko tak teoretycznie dla porównania) na LEO stanowił już 61% masy statku (6100 t), a na orbitę Marsa trafiałoby 5300 t. Najbardziej ekstremalny z projektów zakładał budowę ?międzygalaktycznej arki? o masie 8 000 000 t, która mogłaby już być prawdziwym miastem w kosmosie, a obliczenia wykazywały, że napędzane ładunkami termonuklearnymi Oriony mogłyby rozpędzić się do 0,1 c (10% prędkości światła) i dolecieć do najbliższej nam gwiazdy, Proximy Centauri, po 44 latach.

Zespół Dysona rozwiązał wszystkie podstawowe kwestie projektowe, wiele z nich zostało udoskonalonych w późniejszych latach przez innych naukowców, wiele wątpliwości zostało rozwianych praktycznymi obserwacjami poczynionymi w czasie naziemnych prób jądrowych. Udowodniły one np., że zużywanie się stalowego lub aluminiowego lustra-płyty absorbującej przez ablację (odparowanie) jest minimalne, bo przy projektowanej temperaturze fali uderzeniowej rzędu 67 000?C emitowany jest głównie ultrafiolet, który nie przenika przez większość materiałów, zwłaszcza przy ciśnieniu rzędu 340 MPa, jakie występuje przy powierzchni płyty, ablację można też łatwo wyeliminować całkowicie, natryskując płytę olejem pomiędzy wybuchami. ?Orioniści? planowali produkcję specjalnych i dość skomplikowanych cylindrycznych ?nabojów napędowych? o masie 140 kg, ale współcześnie można już wywoływać eksplozje automatycznie produkowanych jednogramowych ?pigułek atomowych? przy pomocy promienia lasera, a taki pojedynczy wybuch ma energię rzędu 10?20 t TNT.

Zobacz filmy

Pierwszy kosmonauta Jurij Gagarin z wizytą w Polsce.

Project Orion ? To mars by A. Bomb 1993, 7 części, po angielsku