Radzenie sobie z grawitacją podczas startów kosmicznych nie jest łatwym zadaniem. Rakiety konwencjonalne są bardzo drogie, generują dużo śmieci i w praktyce są bardzo niebezpieczne. Na szczęście nauka nie stoi w miejscu i pojawia się coraz więcej alternatywnych sposobów, które obiecują nam skuteczniejsze, mniej kosztowne i bezpieczniejsze sposoby podboju kosmosu. Dziś porozmawiamy o tym, jak w przyszłości ludzkość poleci w kosmos.
Zanim jednak zaczniemy, należy zaznaczyć, że chemiczne silniki odrzutowe (CRM), które są obecnie wykorzystywane jako podstawa wszystkich startów kosmicznych, są kluczowym narzędziem rozwoju sektora kosmicznego, więc ich stosowanie będzie trwało przez kilka dziesięcioleci, aż do powstania odkryli i, co najważniejsze, wielokrotnie testowali technologię umożliwiającą bezbolesne przejście na całkowicie nowy poziom startów i lotów kosmicznych.
Ale już teraz, kiedy koszt startów może wynieść kilkaset milionów dolarów, staje się jasne, że obrońca praw człowieka to ślepy zaułek. Weźmy jako przykład najnowszy Space Launch System. To właśnie ten system jest uważany przez agencję lotniczą NASA za podstawę eksploracji kosmosu. Eksperci obliczyli, że koszt jednego uruchomienia SLS wyniesie około 500 milionów dolarów. Teraz, gdy przestrzeń stała się nie tylko kwestią państw, ale także prywatnych firm, zaczęto oferować tańsze alternatywy. Na przykład uruchomienie Falcon Heavy firmy SpaceX będzie kosztować około 83 milionów dolarów. Ale nadal jest bardzo, bardzo drogie. I nie poruszamy jeszcze kwestii przyjazności dla środowiska startów kosmicznych opartych na CRD, które bez wątpienia powodują znaczne szkody dla środowiska.
Dobra wiadomość jest taka, że naukowcy i inżynierowie już teraz proponują alternatywne sposoby i metody wystrzeliwania w kosmos, a niektórzy z nich mają potencjał, aby stać się efektywnymi technologiami w ciągu następnych dziesięcioleci. Wszystkie te alternatywy można podsumować w kilku kategoriach: alternatywne rodzaje startów odrzutowych, stacjonarne i dynamiczne systemy transportowe oraz systemy wyrzutowe. Oczywiście nie łączą wszystkich proponowanych pomysłów, ale w tym artykule przeanalizujemy te najbardziej obiecujące.
Alternatywne typy startów odrzutowców
Ciąg lasera
Przekierowanie przepływu plazmy w celu zwiększenia ciągu
Film promocyjny:
Obecnie używane pociski wymagają olbrzymich ilości paliw stałych lub ciekłych, a ich zasięg i skuteczność są najczęściej ograniczone ilością tego paliwa, które mogą przenosić. Istnieje jednak opcja, która pozwoli przezwyciężyć te ograniczenia w przyszłości. Rozwiązaniem mogą być specjalne instalacje laserowe, które wyślą rakiety w kosmos.
Rosyjscy fizycy Yuri Rezunkov z Instytutu Rozwoju Przyrządów Optoelektronicznych i Alexander Schmidt z Instytutu Fizykotechniki Ioffe opisali niedawno proces „ablacji laserowej”, zgodnie z którym ciąg samolotu byłby generowany za pomocą promieniowania laserowego generowanego przez urządzenie laserowe poza statkiem kosmicznym. W wyniku ekspozycji na to promieniowanie materiał powierzchni odbiorczej zostanie spalony i powstanie przepływ plazmy. Przepływ ten zapewni niezbędny ciąg zdolny do przyspieszenia statku kosmicznego do prędkości dziesiątek razy większej niż prędkość dźwięku.
Jeśli pominiemy cały fantastyczny charakter tej metody, przed stworzeniem takiego systemu konieczne będzie rozwiązanie dwóch problemów: laser w tym przypadku musi być niesamowicie mocny. Tak potężny, że może dosłownie odparować metal na odległość kilkuset kilometrów. Stąd kolejny problem - ten laser może służyć jako broń do niszczenia innych statków kosmicznych.
Startery stratosferyczne i samoloty kosmiczne
Mniej konceptualna, a bardziej realistyczna wydaje się być metoda wystrzeliwania statków kosmicznych za pomocą specjalnych, potężnych powietrznych ciągników przenoszących ładunki.
Kto powiedział, że metoda Virgin Galactic może być używana tylko w turystyce kosmicznej? Firma planuje wykorzystać swoje urządzenie LauncherOne jako system transportowy do wystrzeliwania na orbitę Ziemi kompaktowych satelitów o wadze do 100 kilogramów. Biorąc pod uwagę szybkość, z jaką obecnie miniaturyzują się systemy kosmiczne, pomysł jest bardzo interesujący.
Inne przykłady systemu wyrzutni to sonda XCOR Aerospace Lynx Mark III (na zdjęciu powyżej) i sonda Orbital Sciences Pegasus II (na zdjęciu poniżej).
Jedną z zalet kosmicznych startów z przestrzeni powietrznej jest to, że rakiety nie muszą podróżować przez bardzo gęstą atmosferę. W rezultacie obciążenie samego urządzenia zmniejszy się. Ponadto samolot jest znacznie łatwiejszy do uruchomienia. Jest mniej podatny na zmiany pogody atmosferycznej. W końcu cecha takich uruchomień otwiera więcej możliwości w zakresie wybieranej skali.
Samoloty kosmiczne to kolejna opcja. Te samoloty wielokrotnego użytku będą podobne do emerytowanego wahadłowca i Burana, ale w przeciwieństwie do tego drugiego nie będą wymagały użycia ogromnych pojazdów nośnych do wystrzelenia na orbitę. Jednym z najbardziej obiecujących i zaawansowanych projektów w tym zakresie jest brytyjski kosmolot British Skylon (na zdjęciu powyżej) - jednostopniowy samolot do wejścia na orbitę. Ciąg odrzutowy statku kosmicznego będzie generowany przez dwa silniki odrzutowe, które rozpędzą go do prędkości 5 razy większej niż prędkość dźwięku i podniosą go na wysokość prawie 30 kilometrów. Jest to jednak tylko 20 procent wymaganej prędkości i wysokości wymaganej do spacerów kosmicznych, więc kosmolot po osiągnięciu sufitu przejdzie w tak zwany „tryb rakietowy”.
Niestety na drodze do realizacji tego projektu wciąż pozostaje wiele trudności technologicznych, które nie zostały jeszcze rozwiązane. Na przykład oczekuje się, że samoloty kosmiczne zmierzą się z nieplanowaną zmianą trajektorii wznoszenia z powodu wysokich ciśnień dynamicznych i ekstremalnych temperatur, które nieuchronnie wpłyną na najbardziej wrażliwe części samolotu. Innymi słowy, takie samoloty kosmiczne mogą być niebezpieczne.
Innym przykładem opracowywanych samolotów kosmicznych jest Dream Chaser, opracowany przez Sierra Nevada Corporation dla agencji kosmicznej NASA (na zdjęciu powyżej).
Stacjonarne i dynamiczne systemy transportowe
Jeśli nie latające maszyny, to rozwiązaniem są ogromne konstrukcje, które wznoszą się na niewiarygodne wysokości lub nawet prosto w kosmos.
Na przykład Geoffrey Landis, naukowiec i pisarz science fiction, zaproponował pomysł zbudowania gigantycznej wieży, której szczyt sięgałby granic ziemskiej atmosfery. Znajduje się około 100 kilometrów nad powierzchnią Ziemi i może służyć jako platforma startowa dla konwencjonalnych rakiet. Na tej wysokości rakiety praktycznie nie muszą radzić sobie z jakimkolwiek wpływem atmosfery ziemskiej.
Kolejną opcją konstrukcyjną, która zwróciła uwagę wielu przedstawicieli środowisk naukowych i pseudonaukowych, jest kosmiczna winda. W rzeczywistości ten pomysł sięga XIX wieku. Nowoczesna wersja proponuje rozciągnięcie wytrzymałego kabla na wysokość 35 400 kilometrów (która znajduje się poza lokalizacją większości satelitów komunikacyjnych) kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Po wykonaniu całego niezbędnego wyważenia na kablu proponuje się uruchomienie pojazdów transportowych działających na trakcji laserowej z ładunkiem.
Ilustracja kosmicznej windy na Marsie
Pomysł kosmicznych wind rzeczywiście ma potencjał, aby wywołać prawdziwą rewolucję w transporcie kosmicznym na orbitę okołoziemską. Ale bardzo trudno będzie przełożyć ten pomysł na prawdziwe życie. Minie dużo czasu, zanim naukowcy stworzą materiał, który może wytrzymać ciężar takiej konstrukcji. Rozważanymi opcjami są obecnie nanorurki węglowe, a raczej struktury oparte na mikroskopijnych splotach diamentowych z ultracienkimi nanowłóknami. Ale nawet jeśli znajdziemy sposób na zbudowanie windy kosmicznej, nie rozwiąże to wszystkich problemów. Niebezpieczne wibracje, intensywne wibracje, zderzenia z satelitami i śmieciami kosmicznymi to tylko niektóre z zadań, z którymi trzeba będzie się uporać.
Inną proponowaną alternatywą są gigantyczne „orbitalne koła zamachowe”. Koła zamachowe to obracające się satelity z długimi kablami rozchodzącymi się w dwóch różnych kierunkach, których końce podczas obrotu będą stykać się z atmosferą planety. W takim przypadku prędkość obrotu konstrukcji częściowo lub całkowicie skompensuje prędkość orbity.
Portal Orion's Arm wyjaśnia, jak działają:
„W dolnej części kabla, zlokalizowanej w pobliżu planety wielkości Ziemi, na wysokości 100-300 kilometrów nad powierzchnią znajdzie się platforma dokująca (a sama długość kabli od środka koła zamachowego będzie wynosić kilka tysięcy kilometrów). Wysokość ta została wybrana, ponieważ tutaj wpływ atmosfery na samo „koło zamachowe” zostanie zminimalizowany, a także zminimalizowane zostaną straty grawitacyjne promów dokujących. Dokowanie będzie się odbywać przy bardzo niskich prędkościach zarówno samego koła zamachowego, jak i promu dokującego, zwykle na szczycie parabolicznej trajektorii suborbitalnej wyznaczonej przez pojazd nośny. W takim przypadku wahadłowiec będzie względnie nieruchomy względem „koła zamachowego” i może zostać złapany przez specjalny hak, a następnie pociągnięty do śluzy dokującej lub platformy lądowania. W celu prawidłowego pozycjonowania na orbicie „koła zamachowe” będą wykorzystywać silniki odrzutowe”.
Ponieważ koła zamachowe będą znajdować się całkowicie w przestrzeni kosmicznej, a nie przymocowane do Ziemi, nie będą musiały doświadczać takiego samego obciążenia fizycznego jak winda kosmiczna, więc ten pomysł może ostatecznie okazać się bardziej realny.
Jeśli chodzi o struktury dynamiczne, Popular Mechanics opisuje co najmniej dwie główne opcje:
„Struktury takie jak„ kosmiczna fontanna”i„ pętla Lofstroma”zachowają swoją integralność strukturalną dzięki efektom elektrodynamicznym lub impulsom poruszającym się w ich wnętrzu, a także ładunkom i pasażerom wchodzącym na orbitę. Bardziej interesującą koncepcją wydają się rotowatory. Pomysł ten proponuje budowę dużej struktury orbitalnej z liną obracającą się w płaszczyźnie orbity tak, aby w punkcie koła najbliżej Ziemi prędkość końca uwięzi względem środka była przeciwna do prędkości orbity. W ten sposób kabel, przechodząc przez minimum, może podnieść pożądany obiekt, który ma mniejszą prędkość niż pierwszy kosmiczny, i wypuścić go w punkcie maksymalnej odległości z prędkością, która jest już większa niż pierwsza kosmiczna”.
Będzie wyglądać jak „gif”
Inną alternatywą dla kosmicznego kabla i windy jest pionowa nadmuchiwana wieża o wysokości 20-200 kilometrów. Projekt zaproponowany przez Brendana Queen i jego współpracowników zostanie wzniesiony na szczycie góry i będzie idealny do badań atmosferycznych, instalacji sprzętu telewizyjnego i radiowego, startów statków kosmicznych i turystyki. Sama wieża zostanie wykonana na bazie kilku pneumatycznych sekcji przesuwnych sterowanych zewnętrznie.
„Wybór wieży pomoże uniknąć problemów związanych z kosmiczną windą. Chodzi o wytrzymałość materiału budowlanego nadającego się do pracy w kosmosie, trudność w wytworzeniu kabla o długości co najmniej 50 000 km oraz rozwiązanie problemu meteorytu na niskiej orbicie okołoziemskiej”- powiedzieli naukowcy, którzy zaproponowali projekt wieży.
Aby przetestować swój pomysł, zbudowali 7-metrowy model wieży z sześcioma modułami, z których każdy oparty był na trzech rurach zainstalowanych wokół cylindrycznej komory wypełnionej powietrzem.
Co ciekawe, podobną technologię można zastosować przy budowie „kosmicznego pirsu” zaproponowanego przez Johna Storrs Hall. Zgodnie z tą koncepcją proponuje się wzniesienie konstrukcji o wysokości 100 kilometrów i długości 300 kilometrów. W tej konfiguracji winda przesunie się bezpośrednio do punktu startu. Samo wystrzelenie ładunku na orbitę nastąpi z przyspieszeniem zaledwie 10g.
„Ta opcja hybrydowa ignoruje wady proponowanych opcji z wieżą orbitalną (wielkość pirsu jest znacznie mniejsza, dlatego łatwiej ją zbudować) oraz trudności, z jakimi będą musieli się zmierzyć starty elektromagnetyczne (gęstość i opór powietrza na wysokości 100 kilometrów jest milion razy mniejszy niż na poziomie morze)”- mówi Hall.
Systemy katapult
Jeśli wszystkie proponowane pomysły dla przeciętnego czytelnika mogą wydawać się całkowicie science fiction, to poniższe są znacznie bliższe rzeczywistości, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Inną alternatywą dla wyrzutni rakiet są systemy katapult, w których statek kosmiczny zostanie wystrzelony w kosmos jak armata.
Jest całkiem oczywiste, że w tym przypadku sam ładunek będzie musiał być zaprojektowany na działanie ekstremalnych sił. Jednak systemy katapult mogą stać się naprawdę skutecznym narzędziem do wysyłania ładunku w kosmos, skąd zostanie odebrany przez znajdujący się tam statek kosmiczny.
Systemy katapult można podzielić na trzy główne typy: elektryczne, chemiczne i mechaniczne.
Elektryczny
Do tego typu zalicza się działka kolejowe, czyli katapulty elektromagnetyczne, działające na zasadzie akceleratorów elektromagnetycznych. Podczas startu statek kosmiczny zostanie umieszczony na specjalnych prowadnicach i gwałtownie przyspieszony za pomocą pola magnetycznego. W takim przypadku siła przyspieszenia będzie wystarczająca, aby wynieść urządzenie z atmosfery ziemskiej.
Jednak konstrukcja takich systemów sprawi, że będą one bardzo masywne i kosztowne w budowie. Ponadto takie systemy będą zużywać ogromną ilość energii elektrycznej. Pomimo swojej mocy katapulty elektromagnetyczne nadal będą musiały stawić czoła niektórym problemom związanym z grawitacją i gęstą atmosferą Ziemi. Jeśli są używane, jest to bardziej prawdopodobne na planetach o niższej grawitacji i rozrzedzonej atmosferze.
Chemiczny
Proponuje wystrzeliwanie obiektów w kosmos przy użyciu ogromnych dział napędzanych palnym gazem, takim jak wodór. Jednak, jak w przypadku każdego systemu wyrzucania, ładunek wysłany w kosmos będzie musiał zostać obciążony zwiększonymi obciążeniami podczas startu. Ponadto takich systemów nie można używać do wysyłania ludzi w kosmos. Ponadto należałoby zastosować dodatkowy sprzęt, który pozwoliłby na wystrzelenie ładunku, takiego jak kompaktowe satelity, na stałą orbitę. W przeciwnym razie wystrzelony obiekt, osiągając maksymalną wysokość, po prostu spadnie z powrotem na Ziemię.
Projekt HARP (projekt badawczy na dużych wysokościach). To działo wystrzeliło pocisk rakietowy Martlet-2 na wysokość 180 kilometrów. Rekord jest nadal przechowywany
Logicznym rozwinięciem projektu HARP był projekt SHARP (Super High Altitude Research Project). W latach 90. ubiegłego wieku badacze z Lawrence Livermore Lab przeprowadzili demonstrację wystrzeliwania pocisków z prędkością 3 kilometrów na sekundę (choć nie na wysokości, ale na ziemi). W końcu naukowcy doszli do wniosku, że zbudowanie prawdziwej działającej próbki takiej broni wymagałoby co najmniej 1 miliarda dolarów. Obraz pogłębił również fakt, że naukowcom nie udało się osiągnąć planowanej prędkości pocisku 7 kilometrów na sekundę.
Mechaniczny
Pistolety mechaniczne mogą stanowić alternatywę dla pistoletów elektromagnetycznych i chemicznych. To prawda, że nazywanie takich systemów działami nie jest całkowicie poprawne. Jest to raczej rodzaj procy. Przykładem jest projekt Slingatron firmy HyperV Technologies Corp. Sam system to spiralna pusta struktura wewnątrz. Obiekt umieszczony wewnątrz spirali jest przyspieszany przez obracanie całej konstrukcji wokół stałego punktu.
Teoretycznie slingatron jest w stanie zapewnić niezbędne przyspieszenie. Jednak, jak podkreślają sami programiści, system nie nadaje się do wyrzucania ludzi i dużych ładunków na orbitę. Ale ta metoda może być używana do wysyłania małych ładunków w kosmos, takich jak źródła wody, paliwo i materiały budowlane.
Pełnowymiarowy widok slingatronu wyglądałby mniej więcej tak
Jaka naprawdę będzie przyszłość?
Niezwykle trudno jest przewidzieć, jaka będzie odpowiedź na to pytanie. Nieoczekiwane odkrycia technologiczne i wywołane przez nie efekty mogą doprowadzić do tego, że wszystkie rozważane dziś opcje bezrakietowych startów kosmicznych staną się na równi z wydajnością. Teraz tak nie jest, jak widać przynajmniej z poniższej tabeli porównawczej.
Weźmy jako przykład potencjał technologii składania molekularnego. Kiedy opanujemy ten obszar, nie musimy już niczego wyrzucać w kosmos. Po prostu złapiemy asteroidy w Układzie Słonecznym i stworzymy z nich (a raczej użyteczne materiały w nich zawarte), co tylko zechcemy w kosmosie. Najciekawsze jest to, że postęp w tym kierunku widoczny jest już dziś. Na przykład astronauta NASA Barry Wilmore potrzebował kiedyś kompaktowego klucza nastawnego. Wydawałoby się, w czym problem - iść do najbliższego sklepu z narzędziami? Tylko najbliższy sklep z narzędziami w tym czasie nie znajdował się obok Wilmore, ponieważ astronauta był na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej!NASA z wdziękiem wyszła z sytuacji - wysłała e-mail do ISS schemat wymaganego klucza i zaproponowała Wilmoreowi wydrukowanie go samodzielnie na drukarce 3D na pokładzie. To tylko jeden przykład pokazujący, że w stosunkowo krótkim czasie w ogóle nie będziemy musieli niczego wypuszczać w kosmos. Wszystko zostanie utworzone już na miejscu.
Jeśli chodzi o niezbędne zasoby, to również przestanie być problemem. Pas asteroid jest pełen niezbędnego materiału: jego objętość stanowi prawie połowę masy naszego Księżyca. Pewnego dnia dojdziemy do wniosku, że cały rój sond kosmicznych podobnych do "Philae" po prostu wyląduje na następnej asteroidzie lub meteorytie i wyprodukuje na nich surowce mineralne. NASA chce przeprowadzić pierwszą taką misję w 2020 roku. Planuje się złapać małą asteroidę, umieścić ją na stabilnej orbicie księżycowej, a tam wylądować na niej astronautów, którzy będą mogli zbadać kosmiczny brukowiec, a nawet pobrać interesujące próbki jej gleby.
Przenoszenie ludzi w kosmos to inny problem, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że w przyszłości planowane jest przejście do masowego wysyłania ludzi w kosmos. Niektóre z proponowanych pomysłów, takie jak winda kosmiczna, mogą w rzeczywistości zadziałać. Ale tylko jeśli nie mówimy o podboju kosmosu. Dlatego w tej kwestii przez długi czas będziemy musieli polegać na tradycyjnych startach rakiet. Ich pomysły są już zgłaszane zarówno na szczeblu państwowym, jak i w sferze prywatnej. Weźmy ponownie tego samego Elona Muska z jego projektem kolonizacji Marsa.
Musimy również wziąć pod uwagę fakt, że organizm ludzki nie jest tak naprawdę zaprojektowany do bardzo długiego przebywania w kosmosie. Dlatego dopóki nie dojdziemy do efektywnych technologii umożliwiających tworzenie sztucznej grawitacji, roboty mogą stać się częściowym rozwiązaniem tego problemu. Roboty mogą być wysyłane w kosmos i zdalnie sterowane z Ziemi za pomocą rzeczywistości rozszerzonej lub wirtualnej.
Roboty mają realną szansę być kluczem do rozpoczęcia eksploracji kosmosu. Całkiem możliwe, że w bardziej odległej przyszłości nauczymy się digitalizować nasze mózgi i przekazywać te informacje do superkomputerów znajdujących się na pokładach odległych stacji kosmicznych, gdzie zostaną załadowane do różnych robotycznych awatarów, którymi utorujemy sobie drogę do odległych granic kosmosu.
NIKOLAY KHIZHNYAK