Skrydžiai į kosmosą, tik geriau

„Dešimt, devyni, aštuoni,“ skaičiuoja bejausmis balsas. Jį nustelbia stiprėjantis variklių ūžimas, kol su paskutiniu žodžiu „pakilimas“ iš raketos tūtų ima veržtis garai, dūmai ir liepsnos, o visas kelių dešimčių metrų aukščio cilindras lėtai ir oriai ima kopti aukštyn. Kopia vis greičiau ir greičiau, liepsnos veržiasi Žemės link, kol galiausiai liaujasi. Tada pusė raketos atsiskiria ir nukrenta, įsijungia nauji varikliai ir procesas tęsiasi. Galiausiai pasiekiama orbita, nuo raketos atkabinamas krovinys – palydovas, zondas ar erdvėlaivis – ir tęsiasi skrydis į paskirties vietą.

Raketa, stovinti pakilimo aikštelėje, iš tiesų sudaryta beveik vien iš kuro. Štai daugiausiai šiuo metu naudojama SpaceX Falcon 9 raketa visiškai tuščia sveria apie 30 tonų, o maksimaliai užpildyta kuru – 550 tonų. Kurą raketos varikliams tenka kelti su pačia raketa, taigi naudingo krovinio masė tampa apribota. Ta pati Falcon 9 į geostacionarią orbitą tegali iškelti keturias tonas sveriantį krovinį. Sudeginti 500 tonų kuro, kad kosmose atsidurtų keturios tonos medžiagų? Atrodo labai neefektyvu, bet kol kas tai – geriausia, ką turime.

Visgi „geriausia kol kas“ toli gražu nereiškia „geriausia įmanoma“. Egzistuoja ne viena idėja, kaip padidinti krovinių kėlimo į kosmosą efektyvumą. Kai kurie projektai susiję su raketomis, kiti siūlo jų apskritai atsisakyti. Vieni girdėti ne kartą, kiti kol kas egzistuoja tik lakiose fantazijose. Kokie jie yra?

Kosminio keltuvo vizualizacija. Šaltinis: Glenn Clovis

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Patreon platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno kito dolerio per mėnesį, paremkite mane ir jūs.

Skriejant kosmose, pakeisti judėjimo trajektoriją nėra sudėtinga. Net ir menkiausias postūmis prideda laivui greičio arba jo atima, todėl ir orbita keičiasi. Tad kosmose galima naudoti įvairius silpnus, bet mažai kuro reikalaujančius variklius – pavyzdžiui, joninius. Arba netgi Saulės bures, kurioms kuro nereikia apskritai. Veikdami ilgai, tokie varikliai gali reikšmingai pakeisti skriejančio objekto trajektoriją.

Stovint ant Žemės paviršiaus, situacija tampa sudėtingesnė. Žemė mus traukia prie savęs, tad norėdami pakilti turime įveikti sunkio jėgą. Minimali reikalinga stūmos jėga yra beveik dešimt niutonų vienam kilogramui. Iš visų šiandieninių technologijų tokią jėgą sukurti pajėgia tik cheminiai varikliai.

Vienas iš fundamentalių fizikos dėsnių yra judesio kiekio tvermės dėsnis. Judesio kiekis yra kūno masės ir greičio sandauga. Izoliuotoje sistemoje šis dydis nekinta. Žemėje į šį dėsnį dažnai galima nekreipti dėmesio, mat įprastai turime į ką atsiremti – ar eitume, ar važiuotume, remiamės į pagrindą po kojomis ir atsistumiame nuo jo. Tačiau kosmose atramos nėra, todėl norint pasistūmėti į vieną pusę, reikia ką nors išmesti į kitą. Tas „kas nors“ – raketinis kuras. Svarbu suprasti, kad „kuras“ čia nebūtinai reiškia „degančią ir energiją generuojančią medžiagą“; anglų kalboje naudojami ir skirtingi žodžiai „fuel“ bei „propellant“. Visgi dažnai šios medžiagos gali būti susijusios: cheminėse raketose išmetami yra energiją teikiančio kuro degimo produktai.

Kylanti raketa turi su savimi neštis visą kurą, kurio reikės skrydžio metu. Tą kurą irgi reikia pakelti, dėl to reikia dar daugiau kuro. Žinodami, kur norime nuskristi – į orbitą aplink Žemę, iki Mėnulio ar dar toliau, galime apskaičiuoti ir energijos poreikį, kurį turėsime suteikti kiekvienam raketos kilogramui. Skirtingas kuras duoda skirtingus kiekius energijos. Iš šių dydžių galime suskaičiuoti, kokią pradinės raketos masės dalį turi sudaryti kuras. Kylant į Žemės orbitą šiandieninėmis technologijomis, ta dalis yra didžiulė – nuo 83 iki 96 procentų, priklausomai nuo kuro tipo. Ši problema kartais vadinama „raketos lygties tironija“.

Jei raketos būtų permatomos, galėtume matyti, kaip jose dega kuras – kaip šioje vizualizacijoje, kur parodytos Saturn V, Šatlų, Falcon Heavy ir Space Launch System raketos. Šaltinis: Hazegrayart

Kaip būtų galima situaciją pagerinti? Vienas būdas – rasti efektyvesnio kuro, kuris iš vieno sunaudoto kilogramo suteiktų daugiau energijos. Kitas būdas – suteikti kylančiam laivui energiją iš šalies. Efektyvesnio kuro paieškos, nepaisant dešimtmečių pastangų, įspūdingų rezultatų neduoda ir greičiausiai neduos iki atsirandant branduolinės sintezės reaktoriams, tad pakalbėkime apie būdus suteikti energiją iš šalies.

Kosminiai keltuvai

Žmonės visais laikais mėgo aukštus pastatus. Kartais jie turėjo praktinės naudos (miestų sienos ir gynybiniai bokštai), kartais – simbolinę prasmę (piramidės, šventyklų kupolai). Pramonės perversmas atvėrė galimybes statyti vis aukštesnius pastatus iš vis lengvesnių konstrukcijų. 1895 metais rusas Konstantinas Ciolkovskis, įkvėptas Eifelio bokšto, iškėlė idėją apie bokštą, kuris siektų geostacionarią orbitą – aukštį, kuriame skriejantis palydovas aplink Žemę apsisuktų per tiek pat laiko, kiek užtrunka planetai apsisukti aplink savo ašį. Ant bokšto sienos įrengus bėgius, palydovas galėtų būti užvežtas aukštyn ir iškart paleistas į orbitą, be jokios raketos.

Problema, kylanti siekiant tokią viziją įgyvendinti realybėje, turbūt akivaizdi. Geostacionari orbita yra daugiau nei 35 tūkstančiai kilometrų virš Žemės paviršiaus. Jokia žinoma medžiaga nėra pakankamai stipri, kad atlaikytų tokio aukščio statinio slėgį, taigi bandomas pastatyti pastatas tiesiog sugriūtų.

Kitą idėją iškėlė irgi rusas inžinierius Jurijus Arcutanovas 1959 metais. Užuot stačius pastatą, būtų galima tarp geostacionarios orbitos ir Žemės ištempti kabelį. Tiesa, kabelis turėtų driektis toliau, nei geostacionari orbita – priešingoje pusėje esantis kontrsvoris užtikrintų, kad visa sistema nenukristų į Žemę. Šią struktūrą veiktų ne spaudimo (gniuždymo), o tempimo jėgos.

Kosminio keltuvo schema; keltuvo ilgis ir Žemės dydis pavaizduoti tame pačiame mastelyje. Nuo keltuvo apačios, prikabintos ties pusiauju, į viršų kyla liftas; priešingoje pusėje, nei geostacionari orbita, yra kontrsvoris, neleidžiantis sistemai nukristi žemyn. Šaltinis: Wikimedia Commons

Ar jas įmanoma atlaikyti? Kol kas Žemėje – ne. Bent jau jei norime, kad visas kabelis būtų vienodo storio. Iš kitos pusės, jei kabelio storis būtų kintantis, pritaikytas taip, kad storiausia vieta būtų ties stipriausiu tempimu, reikalavimai medžiagų stiprumui sumažėtų. Jei dar pridėtume nuolatinio autonominio gedimų/įtrūkimų remonto galimybes, keltuvą būtų įmanoma pastatyti naudojant šiandienines technologijas.

Kaip atrodytų kelionė kosminiu keltuvu? Prie kabelio būtų pritvirtinta kabina – greičiausiai specialiame tunelyje, siekiant sumažinti aplinkinių orų įtaką. Kabinoje galėtų būti keliami palydovai, kroviniai, raketos ar keleiviai. Raketos nuo geostacionarios orbitos galėtų skristi į įvairias Saulės sistemos vietas, sunaudodamos gerokai mažiau kuro, nei reikia pakilimui nuo Žemės paviršiaus; tiesa, kuro sąnaudų vis tiek būtų, ypač manevruojant iš pusiaujinės orbitos aplink Žemę į ekliptinę orbitą, kurioje skrieja planetos aplink Saulę. Palydovai galėtų kyboti geostacionarioje orbitoje ar, naudodamiesi nedideliais varikliais, manevruoti į kitas orbitas aplink Žemę. Kroviniai galėtų pasitarnauti orbitinės infrastruktūros – pavyzdžiui viešbučių – statyboms, o keleiviai – lankytis tuose viešbučiuose ar keliauti kosminiais keltais Mėnulį ar kitas planetas. Tiesa, kelionė liftu gali ir užtrukti. Jei kabina judėtų taip greitai, kaip greičiausi šiandieniniai traukiniai – 431 kilometrą per valandą – kelionė į geostacionarią orbitą užtruktų tris su puse paros. Gali būti, kad taip greitai judėti vertikalia kryptimi būtų sudėtinga, tad kelionė dar užsitęstų. Iš kitos pusės, kelionei galbūt prireiktų labai nedaug kuro: jei liftu žemyn būtų siunčiama kita panašios masės kabina, besileidžiančios kabinos prarandamą energiją būtų galima panaudoti kylančiai kabinai tempti aukštyn.

Vienas iš galimų būdų stumti kosminio keltuvo kabinas – šviesti į jas stipriais lazeriais. Tiesa, lazeriai turėtų būti infraraudonųjų spindulių, kad mažiau kaitintų atmosferą. Šaltinis: Space Legal Issues

Bet kuriuo atveju, net jei kosminis keltuvas ir įmanomas, jį pastatyti kol kas praktinių galimybių nėra. Pagaminti pakankamai medžiagų, pastatyti megastruktūrą, išspręsti daugybę kylančių inžinerinių iššūkių – vis dar ne žmonių jėgoms. Tai nereiškia, kad visada taip ir bus; gal po kelių dešimtmečių projektas pasirodys esąs realistiškas, o dar po kelių dešimtmečių turėsime ir realiai veikiančią sistemą. Štai vienoje galimybių studijoje teigiama, kad kosminis keltuvas galėtų tapti praktiškas jau 2035 metais. Visgi kol kas teks palaukti.

Variacija: dangaus kabliai

O kas, jei kosminis keltuvas nebūtų prikabintas prie Žemės, o suktųsi taip, kad apatinis kabelio galas reguliariai priartėtų prie paviršiaus? Tokia sistema galėtų būti gerokai mažesnė: kelių tūkstančių kilometrų ilgio lynas, kurio masės centras skrieja orbita kelių tūkstančių kilometrų aukštyje. Suktis sistema turėtų taip, kad lyno galas centro atžvilgiu judėtų tokiu pat greičiu, kaip centras juda Žemės paviršiaus atžvilgiu. Tada kiekvieną kartą, kai apatinis galas priartėtų prie paviršiaus, jo greitis paviršiaus atžvilgiu būtų beveik nulinis ir prie jo galėtų patogiai prisikabinti kroviniai, raketos, palydovai ar keleivių kabinos. Iš šalies besisukanti sistema, vadinama dangaus kabliu (angl. skyhook), atrodytų kaip du didžiulio rato stipinai, važiuojantys Žemės pusiauju.

Viena galima dangaus kablio konfigūracija. Orbitoje besisukantis lynas pagauna krovinį ir apsukęs jį išmeta aukščiau bei greičiau. Lyno orbita dėl šio manevro pažemėja. Šaltinis: Tethers Unlimited, Inc.

Kelių tūkstančių kilometrų aukštis – gerokai mažiau, nei geostacionari orbita. Iš kitos pusės, greitis, kuriuo kablys paleistų krovinį viršutiniame taške, yra gerokai didesnis už orbitinį greitį toje vietoje, taigi erdvėlaiviui suteikiama energija būtų panaši, kaip ir kosminiame keltuve. Jei apatinis lyno taškas nepriartėtų daugiau nei kelių dešimčių kilometrų atstumu prie Žemės, nekiltų pavojaus ir žmonėms, pastatams, kalnams ar lėktuvams. Įtampa, veikianti lynus, būtų daug mažesnė, nei kosminiame keltuve. Iš kitos pusės, išmesdamas krovinius į orbitą, pats kablys lėtėtų, tad jį nuolatos reikėtų greitinti – panaudojant kurą arba gabenant tokį patį kiekį krovinių žemyn.

Patrankos

1865 metų romane „Iš Žemės į Mėnulį“ Julesas Verne`as aprašo didžiulę patranką, kuria kapsulė su trimis keliautojais iššaunama taip galingai, jog jie nuskrenda iki Mėnulio. Pirmojo mokslinės fantastikos filmo, 1902 metų Georgeso Mélièso „Kelionė į Mėnulį“, herojai į mūsų palydovą keliauja analogišku būdu. Pasirodo, ši išmonė nėra visiškai neįmanoma.

Patranka, kuria Juleso Verne`o knygos herojai buvo iššauti į Mėnulį. Šaltinis: Project Guthenberg

Norint pakilti į orbitą, reikia pasiekti tam tikrą greitį – maždaug 8 km/s jei tai yra žema orbita aplink Žemę. Teoriškai tą greitį galima būtų pasiekti judant daugmaž horizontaliai ir tik kelionės pabaigoje pasisukti aukštyn. Tam reikėtų tunelio, geriausiai vakuuminio, kad mažiau trukdytų oro pasipriešinimas. Štai ir gauname šį tą panašaus į patranką, arba keistą metro tunelį. Tokie statiniai kartais vadinami kosminiais šautuvais (angl. space gun).

Kosminė patranka iš žaidimo Ace Combat 5. Šaltinis: Bandai Namco Entertainment

Kaip tokioje patrankoje įgreitinamas krovinys? Dažniausiai svarstomas būdas – magnetinė indukcija. Stiprūs magnetiniai laukai galėtų krovinį laikyti pakeltą, be sąlyčio su bėgiais (panašiai, kaip magnetinės levitacijos traukiniuose). Vienas po kito įjungiami elektromagnetai įgreitintų krovinį ir galiausiai išsviestų jį į kosmosą. Pirmasis tokio prietaiso prototipas pagamintas dar 1976-1977 metais; tiesa, tai buvo vos penkių metrų ilgio vamzdis, įgreitinantis 20 centimetrų ilgio cilindrą iki 40 m/s greičio – toli gražu ne kosminių mastų įrenginys. Po metų pagamintas maždaug dešimt kartų didesnis prototipas, bet vėliau vystymas sustojo.

Įdomu, kad jei kosminį šautuvą pastatyti pavyktų, jo veikimas galėtų būti ganėtinai pigus. Energija, reikalinga vienam kilogramui medžiagos išmesti į orbitą, siekia tik keletą kilovatvalandžių. Net imant neypatingai aukštą 10% sistemos naudingumo koeficientą, vieno kilogramo krovinį galima būtų išmesti sunaudojus tik keliasdešimt kilovatvalandžių, kurios kainuotų vos keletą eurų. Žinoma, pati struktūra kainuotų šimtus milijonų ar milijardus dolerių, bet turint omeny, kad vienas šiandieninės raketos skrydis kainuoja daugiau nei pusšimtį milijono, ji galėtų atsipirkti gana greitai.

Priežastys, kodėl kosminės patrankos nevystomos, yra dvi. Pirmoji – atmosferos pasipriešinimas. Jūros lygyje įgreitintas ir išmestas kūnas turėtų kirsti dešimtis kilometrų atmosferos, net jei judėtų tiesiai aukštyn. Tai jį labai stabdytų, o kuo didesnis pradinis greitis, tuo stipresnis ir stabdymas. Oro pasipriešinimas įkaitina krovinį, tad karščio pavojus kiltų dar didesnis, nei į Žemę grįžtantiems erdvėlaiviams. Antra priežastis – pagreičiai. Kosminių šautuvų prototipai pasiekė pagreičius, dešimtis ir net šimtus kartų didesnius už laisvojo kritimo pagreitį. Tai yra efektyvu, bet žmonės tokių perkrovų neišgyventų, o ir daugeliui krovinių gali kilti problemų. Palyginimui, SpaceX Falcon 9 raketa kyla su pagreičiu, kuris neviršija maždaug trijų laisvojo kritimo pagreičių.

Kitos megastruktūros

Idėjų, kaip lengviau pakilti nuo Žemės, esama ir daugiau. Pavyzdžiui, Lofstromo kilpa yra šimtų ar tūkstančių kilometrų ilgio bėgiai, kurių galai liečia paviršių, o viršus iškyla šimtus ar tūkstančius kilometrų. Krovinys įgreitėtų kildamas kilpa ir nuo jos viršaus būtų paleidžiamas į orbitą. Šiuo požiūriu kilpa apjungia ir kosminio šautuvo (įgreitinimo prietaiso), ir kosminio keltuvo (iškėlimo nuo paviršiaus) konceptus.

Lofstromo kilpos vizualizacija. Šaltinis: gizmag.com

Kita idėja, apjungianti dvi, yra kosminis fontanas. Jis susidėtų iš greitintuvo, kuris į viršų sviestų dalelių srautą. Geostacionarioje orbitoje virš greitintuvo kybotų magnetas, kuris dalelių srautą apsuktų ir nukreiptų atgal greitintuvo link. Keltuvai galėtų judėti „prisikabinę“ prie dalelių srauto, galbūt jo veikiami ir keliami aukštyn. Priešingai nei kosminis keltuvas, šis įrenginys nereikalauja tvirto fizinio statinio iki pat orbitos, tačiau jam vis tiek reikia bent kelių šimtų kilometrų aukščio kaminų, kad dalelių srautas būtų išspjaunamas virš atmosferos. Iš kitos pusės, kosminis keltuvas yra pasyvus, taigi jo kybojimui nereikalingos nuolatinės energijos sąnaudos, tuo tarpu kosminiam fontanui – reikalingos.

Keli kosminio fontano srautai galėtų viršuje išlaikyti ir didelę kosminę stotį. Šaltinis: Steve Bowers, Orion’s Arm

Ne Žemėje?

Dauguma aukščiau išvardintų megastruktūrų susiduria su dviem pagrindinėmis kliūtimis: Žemės gravitacija bei atmosfera. Žinoma, su jomis susiduria ir raketos, tačiau visgi megastruktūros kol kas lieka teoriniais statiniais. Gali būti, kad pirmiau jas pamatysime ne Žemėje, o kitur Saulės sistemoje – pavyzdžiui Mėnulyje arba Marse. Mėnulis – ypač dėkinga vieta: jis neturi atmosferos, o ir laisvojo kritimo pagreitis paviršiuje šešis kartus mažesnis, nei Žemėje. Raketai, norinčiai pakilti iš Mėnulio, reikia pasigaminti kuro; tą padaryti greičiausiai bus sudėtinga, galimai kurą teks gabentis iš Žemės. Tokiu atveju tikrai efektyviau būtų pastatyti struktūrą, kuri leistų pakilti į orbitą nenaudojant kuro pačioje raketoje. Tokios idėjos, kaip daug praktiškesnės už struktūrų statymą Žemėje, iškeltos dar bent 1978 metais.

Kosminės patrankos Mėnulyje vizualizacija, daryta dar 1977 metais. Šaltinis: NASA

Visi čia aprašyti statiniai yra daug didesni, nei bet kas, ką žmonija pastatė iki šiol. Bet kadaise toks pat teiginys galiojo ir įvairiems dangoraižiams, ir Eifelio bokštui, gražiausioms katedroms, Egipto piramidėms… Galų gale, ir raketos ar apskritai galimybė skraidyti kadaise buvo tik svajonė. Žmonių norą veržtis aukštyn aplinkybės gali tik pristabdyti, bet ne numalšinti.

Laiqualasse

7 komentarai

  1. Na, vis gi kosminio kablio problema „arba nuleisti palydovų tiek pat, kiek iškelti“ neskamba labai blogai, nes su parlekiančiais žmonėmis kaip ir viskas aišku – niekas neliks kosmose iškeltas, o su palydovais… Na, gal ne visus nuleis, bet kurie nuleis, tai galės priduoti ant dalių ar metalo laužui – vis gi tiesiog imti ir sudeginti naudos neduoda apart šiukšlės nusikratymo. O tai dar viena nauda – galima bus išvengti šiukšlių orbitoje ir panaudoti negyvus palydovus dar kartą.

    Ir kabliuką palaikyti…

  2. Fantastai svajojo, į kosmosą kilti patrankų pakeltų ant kalno pagalba.
    Kodėl galbūt net dauguma kosminių laivų startuoja praktiškai nuo jūros lygio(Boca chica., Canveralas ir kt).
    Atrodytų nuo kokių 3 km. kalniuko būtų geriau?
    Beje kosminio fontano idėja atrodo kaip iš fantastinės literatūros.

    1. Trys kilometrai – nelabai daug, tad privalumus nusveria du esminiai trūkumai: saugumas ir logistika. Šiandieniniai kosmodromai statomi tokiose vietose, kad netrukus po pakilimo susprogus raketai, būtų kuo mažiau šansų pakenkti kitiems žmonėms (Canaveralo kyšulys, Boca Chica ar Vanderbergas – arti jūros, Baikonuras – vidury menkai gyvenamos stepės). Taip pat iki jų, esančių lygumoje, privažiuoti ir atvežti raketą daug paprasčiau, nei užvežti ją į kalną.

      Idėjos tikrai yra iš fantastinės literatūros, bet raketos kadaise irgi atrodė fantastiškai :)

  3. Kažin ar kas iš kosminio kelto idėjos propaguotojų paskaičiavo kas nutiktų jei to kelto lynas nutrūktų.
    Manau tokio lyno „pliaukštelėjimas“ per žemę būtų gana ženklus, gal ne Čikutlubo meteoritas bet?
    O juk žmonija be avarijų – ne žmonija…

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *