Nauka

W 40 dni na Marsa

VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), czyli magnetoplazmowy silnik o zmiennym impulsie właściwym. VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), czyli magnetoplazmowy silnik o zmiennym impulsie właściwym. Materiały prasowe / NASA
Czym będziemy latać w kosmos? Rakietami jądrowymi czy może za pomocą żagla słonecznego? Naukowcy mają dużo pomysłów.
Żagiel słoneczny, by mógł napędzać ładunek około 100 kg, musi mieć kilkaset metrów kwadratowych.Materiały prasowe/NASA Żagiel słoneczny, by mógł napędzać ładunek około 100 kg, musi mieć kilkaset metrów kwadratowych.

W końcu 2009 r. wpływowa organizacja Planetary Society z Pasadeny, znana z lobbingu na rzecz podejmowania zaawansowanych badań kosmicznych, a także z wcześniejszych – nieudanych – prób żeglowania w kosmosie, ogłosiła, że uzyskała wysoką dotację na ostateczne sfinalizowanie projektu wyniesienia w przestrzeń kosmiczną żagla słonecznego. Chodzi o potwierdzenie, że takie urządzenie może skutecznie przemierzać przestrzeń i można nim sterować. Lot próbnego żagla współfinansowany przez NASA trwa.

Idea żeglowania słonecznego sięga XIX w., gdy francuski astronom Felix Tisserand dostrzegł, jak silny wpływ wywiera ciśnienie światła i cząstek wiatru słonecznego na ogony komet. W 1924 r. rosyjski wizjoner Konstanty Ciołkowski zaproponował budowę dużego statku kosmicznego, napędzanego światłem słonecznym. Koncepcja budowy dużego żagla z bardzo cienkiej metalizowanej powłoki jest – zdaniem wielu znawców astronautyki – interesująca. Mała, ale stała wartość siły napędzającej żagiel powoduje, że niesiona przezeń sonda czy inny ładunek może uzyskać po pewnym czasie bardzo dużą prędkość. Tam, gdzie oddziaływanie światła i wiatru słonecznego jest już słabe, żagiel może być odrzucony, ale pojazd poleci dalej siłą rozpędu. Jest to też najtańszy sposób poruszania się w Układzie Słonecznym.

Rakieta z żaglem

Pierwsza próba wykorzystania żagla słonecznego miała miejsce w latach 70. ubiegłego wieku podczas misji sondy Mariner 10. Ciśnienie wiatru słonecznego na nieduży żagiel zostało wykorzystane do kontrolowania orientacji sondy przelatującej w okolicach Wenus i Merkurego.

Niestety, następne śmielsze próby żeglowania kosmicznego zakończyły się fiaskiem. W 2001 r. wspomniana Planetary Society, wspólnie z Europejską Agencją Kosmiczną, podjęła próbę wystrzelenia w przestrzeń konstrukcji Cosmos 1 – dwóch 15-metrowych łopato-żagli – za pomocą rosyjskiej rakiety Dniepr. Start nastąpił z łodzi podwodnej na Morzu Barentsa. Misja nie powiodła się z powodu awarii rakiety. Kolejną próbę podjęto w czerwcu 2005 r. Tym razem żagiel składał się z ośmiu trójkątnych mylarowych powłok grubości 5 mikrometrów i powierzchni 600 m kw. Także użyto rosyjskiej rakiety, tym razem Wołna, również na Morzu Barentsa. I znowu się nie udało. W 2008 r. próbę z żaglem przeprowadziła NASA, ale nie rozwinął się prawidłowo.

Tylko raz, w połowie 2004 r., spece z JAXA (Japońskiej Agencji Kosmicznej) z powodzeniem wynieśli na wysokość ponad 120 i 160 km dwa żagle, jeden w kształcie liścia koniczyny, drugi – wachlarza, i rozwinęli je. Oba potem spłonęły, ale udowodniono, że umieszczenie żagla w kosmosie jest możliwe.

– Technologia ta nie jest jeszcze dostatecznie dopracowana – mówi prof. Piotr Wolański z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej oraz przewodniczący Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN. – Obecnie widzę dla niej raczej zastosowania pomocnicze, na przykład malutki satelita PW-Sat, budowany przez moich studentów, będzie wyposażony w niewielki żagiel, który na zaplanowanej orbicie rozwinie się i spowoduje pod koniec misji jego szybkie zejście w atmosferę. W przeciwnym razie pozostawałby tam latami i stanowił zagrożenie dla innych obiektów. Być może w przyszłości żagle staną się ciekawym rozwiązaniem dla niewielkich misji o długim czasie trwania, ale jeszcze nie teraz.

Żagiel słoneczny, by mógł napędzać ładunek około 100 kg, musi mieć kilkaset metrów kwadratowych. Problemem jest stworzenie odpowiednio lekkiej powłoki. Wykorzystuje się do tego cienką – grubości kilku mikrometrów – folię z mylaru lub kaplonu. Gęstość takiej folii to – w zależności od powierzchni żagla – 10–20 g/m kw. Powstał też pomysł, by żagle słoneczne robić z folii perforowanej o otworach mniejszych aniżeli długość fali padającego nań promieniowania. To znacznie obniżyłoby ich wagę, ale też podniosłoby koszt produkcji. Kolejnym ograniczeniem jest zdolność przenoszenia przez żagiel tylko niewielkich ładunków. Gdyby miał unieść tonę, musiałby mieć kilka kilometrów średnicy. Nie nadaje się więc do misji, w których wykorzystywane są duże sondy. Ale małe, tak.

Jądro jasności

– Przez ostatnie 60 lat konstrukcję tradycyjnych silników rakietowych spalających paliwo chemiczne dopracowano właściwie do perfekcji – kontynuuje prof. Piotr Wolański. – Jedyne, co się jeszcze dzisiaj da w nich usprawnić, to uczynić taki napęd bardziej opłacalnym i mniej zatruwającym atmosferę. Dlatego ludzkość potrzebuje nowego napędu. Obecnie największą nadzieję na urzeczywistnienie lotu załogowego na Marsa daje napęd jądrowy. Jego podstawy, a nawet gotowe konstrukcje opracowali Amerykanie już na przełomie lat 60. i 70. ubiegłego wieku. Wydaje się, że to właśnie będzie napęd najbliższej przyszłości.

Ponad 40 lat temu NASA dokładnie przetestowała na poligonie w Nevadzie model jądrowego silnika rakietowego NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Jego działanie polegało na tym, że reakcja jądrowa wysoko wzbogaconego uranu w niewielkim reaktorze podgrzewała do około 2200 st. C czynnik roboczy, którym był wodór. Jego osiągi były mniej więcej dwukrotnie lepsze niż najlepszych silników chemicznych. Jednak projekt NERVA trafił na półki głównie dlatego, że w latach 70. misja na Marsa nie była jeszcze poważnie brana pod uwagę, tymczasem napęd jądrowy jest przeznaczony tylko dla dużych statków. Nie da się bowiem zbudować małego silniczka jądrowego.

Projekt jądrowego napędu rakietowego doczekał się kontynuacji w przyjętym na początku XXI w. przez NASA programie Prometeusz. Przewidywał on budowę potężnych statków kosmicznych napędzanych reaktorami jądrowymi, a jego najbardziej zaawansowaną egzemplifikacją miał być satelita JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter), który niedługo po 2017 r. planowano wysłać do lodowych księżyców Jowisza i dokładnie je zbadać. Napęd JIMO miał działać na innej zasadzie niż w projekcie NERVA – jego reaktor służyłby do zasilania silnika jonowego. Budowę prototypu już nawet zlecono korporacji Northrop Grumman.

Technologia rakietowych silników jonowych jest dobrze opracowana i już sprawdzona w wielu misjach, m.in. Smart 1, Deep Space 1, Hayabusa czy Dawn. W silnikach tego typu czynnikiem roboczym jest najczęściej ksenon lub argon, a więc gazy szlachetne o dość niezwykłych właściwościach, otrzymywane w procesie destylacji skroplonego powietrza. Są one w jonowych silnikach jonizowane dodatnio w zderzeniach z elektronami termicznymi. Uzyskana w ten sposób plazma przemieszcza się w stronę siatek elektrostatycznych, które ją przyspieszają i doprowadzają do dużej prędkości wylotu. Silniki jonowe mogą pracować bardzo długo, to znaczy kilka lub kilkanaście tysięcy godzin, w trakcie przelotu w przestrzeni kosmicznej (silnik sondy Smart 1 przepracował prawie 5 tys. godz., a Deep Space ponad 12 tys.). Zużywają kilka mikrogramów ksenonu lub argonu na sekundę, więc na całą misję wystarcza tego gazu kilkadziesiąt, najwyżej kilkaset kilogramów. Nadają się do misji długotrwałych, w których wymagane jest dokładne i płynne sterowanie siłą ciągu. Mają one najwyższy tzw. zwany impuls właściwy, czyli sprawność, z jaką silnik wykorzystuje paliwo, ale za to nieduży ciąg i niewielkie przyspieszenia. Wynika to z faktu, że energia dostarczana przez panele słoneczne jest zbyt mała, by zjonizować dużo ksenonu, a przez to masa wyrzucanego czynnika też jest niewielka.

Taki stan rzeczy mógłby całkowicie zmienić reaktor jądrowy, zaproponowany w rozwiązaniu JIMO. Zapewniłby silnikowi jonowemu moc kilka tysięcy razy większą niż przy zastosowaniu – jak to ma miejsce obecnie – paneli słonecznych czy izotopowych ogniw termoelektrycznych. Niestety, począwszy od 2006 r. fundusze na projekt JIMO zaczęły maleć, aż w końcu w ogóle przestano go finansować. Misja na Marsa wciąż jeszcze nie stała się najważniejszym celem NASA. W przyszłości jednak największe agencje kosmiczne z pewnością powrócą do napędu jądrowego.

Ponad roku temu Charles Bolden, szef NASA, zapowiedział nawiązanie współpracy z firmą Ad Astra Rocket Company, w której główne skrzypce gra Franklin Chang-Diaz, znany fizyk i były astronauta. W latach 80. XX w. Chang-Diaz skonstruował napęd jonowy o nazwie VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), czyli magnetoplazmowy silnik o zmiennym impulsie właściwym. Różni się on od innych silników jonowych tym, że może działać w dwóch trybach: mniej i bardziej wydajnym. W tym pierwszym impuls właściwy silnika jest niski, ale za to bardzo wzrasta jego ciąg. Tryb ten przewidziany jest do rozpędzania startującej rakiety oraz do jej hamowania wokół planety docelowej. W trybie bardziej wydajnym ciąg spada, a silnik pracuje w trakcie lotu w przestrzeni międzyplanetarnej. Ksenon jest podgrzewany przez fale radiowe i utrzymywany w skoncentrowanym strumieniu przez magnesy nadrzewodzące. To absolutny szczyt technologii.

NASA zamierza przetestować VASIMR w kosmosie w 2012, a najdalej w 2013 r. – ma on posłużyć do skorygowania orbity Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W bliższych misjach VASIMR może korzystać z energii dostarczanej przez panele słoneczne, ale w dalekich potrzeba mu o wiele więcej energii, która będzie pochodzić z pokładowego reaktora jądrowego. Szacuje się, że taki napęd jądrowo-jonowy mógłby dowieźć astronautów na Marsa w 40 dni, podczas gdy tradycyjne rakiety w sześć miesięcy. To istotnie zmienia plany marsjańskiej misji. Wkrótce po oświadczeniu Boldena także Dmitrij Miedwiediew zapowiedział, że Rosja podejmuje wytężone prace nad konstrukcją jądrowego silnika rakietowego. – Na Marsa da się dotrzeć korzystając z tradycyjnego napędu chemicznego – konkluduje prof. Wolański. Jednak w przypadku misji załogowej byłaby to opcja o wiele bardziej skomplikowana i zapewne droższa niż z wykorzystaniem napędu jądrowego.

Wirująca detonacja

Wprawdzie w tradycyjnych chemicznych silnikach rakietowych wiele usprawnić się już nie da, ale brane pod uwagę jest inne rozwiązanie: spalanie paliwa nie w sposób powolny i ciągły, lecz w serii powtarzających się detonacji. Pierwsze projekty silników detonacyjnych powstały w połowie ubiegłego wieku. – Spalanie może przebiegać deflagracyjnie, czyli z niewielkimi prędkościami rzędu metrów na sekundę, tak jak to się dzieje w konwencjonalnych chemicznych silnikach rakietowych. Ale tę samą mieszankę można spalać w sposób detonacyjny – z prędkościami mierzonymi w kilometrach na sekundę – wyjaśnia prof. Wolański. Komora spalania może być wtedy znacznie mniejsza, proces spalania staje się intensywniejszy i przede wszystkim wytwarza znaczny wzrost ciśnienia. A im wyższe ciśnienie w silniku, tym większa jego sprawność. Zasadniczo są dwie podstawowe formy detonacyjnego spalania mieszanki paliwowej: pulsacyjna i wirująca. W pierwszej trzeba za każdym razem proces detonacji inicjować, w związku z tym ciąg silnika zmienia się w czasie i jest to bardziej złożone. W detonacji wirującej w odpowiednio uformowanej komorze raz zainicjowany proces detonacyjny trwa nieprzerwanie. Taki silnik efektywniej wykorzystuje paliwo stosowane w konwencjonalnych silnikach rakietowych. – I nad takim silnikiem pracujemy.

W 2005 r. profesor Wolański uzyskał w Japonii, wraz z dwoma tamtejszymi naukowcami, patent na wirujący silnik detonacyjny (Rotating Detonation Engine), a w Polsce – czteroletni grant w Instytucie Lotnictwa na jego budowę. Nad konstrukcją rakietowych i lotniczych silników detonacyjnych pracują Francuzi i Rosjanie. Najprawdopodobniej też Amerykanie. Czyżby w przyszłości rakiety w kosmosie napędzane były silnikami z polskim pomysłem? W końcu największy wizjoner podboju kosmosu – Konstanty Ciołkowski – choć mieszkał w Rosji, ale przecież z pochodzenia był Polakiem.

 

Polityka 8.2010 (2744) z dnia 20.02.2010; Nauka; s. 74
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Kraj

Prof. Marcin Król: Obyśmy znów nie byli głupi

Prof. Marcin Król, historyk idei, o tym, że czeka nas koniec starego świata i nic dobrego z tego na razie nie wyjdzie.

Jacek Żakowski
01.01.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną