Читать книгу Jakoś wkrótce - Zach Weinersmith - Страница 8

Tani dostęp do przestrzeni kosmicznej

Przekroczenie ostatecznej granicy jest o wiele za drogie

W górę, ku bezkresnemu delirycznemu błękitowi

Z wdziękiem wzleciałem nad chłostane wiatrem wzgórza,

Gdzie ni skowronek, ni orzeł nigdy nie zawitał –

I gdy w milczącym uniesieniu przemierzałem

Wysoką dziewiczą uświęconą przestrzeń,

Wyciągnąłem rękę i dotknąłem oblicza Boga.

John Gillespie Magee Jr., Wysoki lot, 1941

W tym wierszu jedno się od razu rzuca w oczy – podmiot liryczny ani razu nie wspomina o cenie. To rażące techniczne przeoczenie jest często spotykane w poezji, zatem dodamy jeszcze jeden kuplet:

A gdy spytałem, o jakim mowa tu koszcie,

Zawróciłem, no bo RANY BOSKIE!

W chwili pisania tych słów wysłanie w kosmos kilograma czegokolwiek kosztuje około dwudziestu tysięcy dolarów[1]. To jakieś dwa i pół tysiąca dolarów za jednego cheeseburgera.

To dlatego ludzie stanęli na powierzchni Księżyca tylko sześć razy, a nasze księżycowe pojazdy były miejscami cienkie jak papier. To, że nasze podejście do podróży kosmicznych w 2017 roku zawiodłoby wszystkie nadzieje, jakie żywiono w roku 1969, nie wynika z braku wybitnych inżynierów czy naukowców. Zwyczajnie koszt dotarcia w przestrzeń kosmiczną uparcie pozostaje wysoki.

Gdyby udało się nam zdecydowanie go obniżyć, mielibyśmy lepsze nauki kosmiczne, lepsze systemy komunikacyjne, dostęp do zasobów pozaplanetarnych, większe możliwości zapanowania nad klimatem i przede wszystkim moglibyśmy w końcu przystąpić do badania i zasiedlania Układu Słonecznego.

Aby zrozumieć, dlaczego obecnie wyniesienie czegokolwiek w kosmos jest tak drogie, najpierw trzeba sobie wyjaśnić, czym tak właściwie jest rakieta.

Rakieta to zasadniczo rura wypełniona łatwopalnym materiałem pędnym z baaaaardzo małym ładunkiem transportowanym na samym czubku. W typowej misji wyniesienia czegoś na niską orbitę okołoziemską (mniej więcej od pięciuset do dwóch tysięcy kilometrów nad powierzchnią Ziemi; to tam dociera większość wystrzeliwanych rakiet) 80% masy to paliwo, 16% to sama rakieta, a tylko 4% to ładunek (4% to górna granica; im wyżej chce się dolecieć, tym bliżej tej wartości do 2%, a nawet 1%).

Pod względem kosztów sprawy wyglądają zgoła odmiennie. Cena materiału pędnego jest pomijalna – jakieś marne kilkaset tysięcy dolarów. Większość pieniędzy idzie na samą rakietę, która prawie zawsze jest porzucana po wykorzystaniu.

Podsumowując: wystrzeliwanie rakiet jest niezmiernie drogie, a większość miejsca zajmuje materiał pędny. Zatem są dwa sposoby na znaczne obniżenie ceny dostępu do przestrzeni kosmicznej:

1. Odzyskanie rakiety nośnej.

2. Zmniejszenie zużycia materiału pędnego.

Punkt pierwszy stał się nagle możliwy w roku 2015, o czym napiszemy w podrozdziale poświęconym rakietom wielokrotnego użytku. Podstawowy zamysł jest całkiem prosty – można zaoszczędzić, jeśli rakieta nie idzie na złom po jednym wykorzystaniu.

Zmniejszenie zużycia materiału pędnego jest nieco trudniejsze, mimo że odpowiada on za 80% masy startowej statku kosmicznego. Żeby zrozumieć dlaczego, rozważ następującą sytuację: musisz przejechać samochodem z jakiegoś miejsca w Rosji do Republiki Południowej Afryki i z powrotem. Jeśli chodzi o paliwo, masz dwie opcje:

1. Uzupełnianie go po drodze.

2. Zabranie ze sobą całego potrzebnego zapasu.

Oczywiście każdy by wolał wybrać opcję numer jeden. Zastanówmy się teraz dlaczego.

Samochód to zwykła maszyna zamieniająca paliwo na ruch. Jeśli twój jest bardzo ciężki, przejechanie danej odległości wymaga zużycia większej ilości paliwa. Jeśli będziemy je regularnie uzupełniać, większość masy pojazdu będzie stanowił sam samochód, a nie zawartość jego baku. To oznacza, że paliwo zużywane na bieżąco przez silnik jest zamieniane na ruch głównie samego pojazdu (oraz ciebie i bagaży), a nie zapasu płynu pędnego.

Druga opcja oznacza ciągnięcie za sobą wielkiej cysterny. Zawarte w niej paliwo waży zapewne o wiele, wiele więcej niż sam samochód. Zwłaszcza na początku większość energii pozyskiwanej ze spalania benzyny czy oleju napędowego jest przeznaczana na przemieszczanie zapasu paliwa. Czyli większość paliwa jest zużywana na przemieszczanie reszty paliwa.

Rezultat? W drugim wypadku łączna ilość płynu pędnego potrzebna do przejechania tej samej odległości jest dużo większa niż w pierwszym. Twoja mała karawana, tak samo jak w przypadku rakiety kosmicznej, składa się głównie z paliwa, a nie z pojazdu czy jego ładunku.

Niestety wybudowanie stacji benzynowych dla rakiet jest nieco kłopotliwe. Zatem ruszając w kosmos, nie mamy wyboru i pozostaje nam opcja numer dwa – dopóki nie nastąpi w tej dziedzinie jakiś przełom.

Te rozważania prowadzą do bardzo kuszących wniosków. Gdyby udało się odzyskać rakietę nośną, można by wyeliminować 90% kosztów wyniesienia ładunku w kosmos. A gdyby udało się zużyć tylko trzy czwarte paliwa, można by zabrać sześć razy większy ładunek[2], co automatycznie obniżyłoby sześciokrotnie koszt wyniesienia na orbitę jednego kilograma.

Trudność polega tu na tym, że musimy się zmierzyć z podstawowymi prawami fizyki. Niska orbita okołoziemska jest najtańszą dostępną orbitą. Ludzie często myślą, że skoro coś się nazywa „orbitą”, to nie ma tam przyciągania ziemskiego. A to nieprawda. Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (aktualnie znajdującej się właśnie na niskiej orbicie okołoziemskiej), unoszącej się na wysokości około czterystu kilometrów nad Ziemią, astronauci odczuwają mniej więcej 90% siły przyciągania ziemskiego na powierzchni planety. Dlaczego zatem unoszą się w powietrzu, jakby grawitacji na orbicie w ogóle nie było? Ponieważ stacja leci bardzo, bardzo, bardzo szybko. Niemal osiem kilometrów na sekundę. Chociaż astronauci są nieustannie ściągani w stronę Ziemi, cały czas w nią nie trafiają.

Pomyśl o tym w ten sposób: wyobraź sobie, że wystrzeliwujesz kulę z działa stojącego na szczycie wieży. Jeśli użyjesz niewielkiej ilości prochu, kula przeleci tylko kawałek i upadnie na ziemię. Jeśli jednak nadasz jej naprawdę dużą prędkość początkową, poleci w kosmos. Między spadkiem krótko po wystrzeleniu a opuszczeniem atmosfery ziemskiej jest dużo możliwości pośrednich. Dla danej wysokości istnieje pewna prędkość, która jest na tyle mała, by kula nie odleciała całkowicie w próżnię, ale jednocześnie na tyle duża, żeby nigdy nie spadła na ziemię. Gdybyś siedział na tej lecącej kuli, cały czas byś spadał, bo działałaby na ciebie grawitacja. Ale jednocześnie leciałbyś na tyle szybko, że dostrzegłbyś krzywiznę planety. Kiedy poruszasz się z danego punktu po linii prostej, powierzchnia Ziemi zakręca w dół, oddalając się od ciebie. Przy tej konkretnej prędkości zachodzi równowaga między dwoma efektami: grawitacja chce cię ściągnąć w dół, ale prędkość twojego ruchu utrzymuje cię w górze. Zatem będziesz tak krążyć i krążyć, i krążyć. Innymi słowy: orbitować.

I chociaż niska orbita okołoziemska jest najtańszą możliwą, dotarcie na nią wciąż jest niesamowicie drogie. Rozpędzenie góry żelastwa do ośmiu kilometrów na sekundę nie jest proste. Jeśli chcemy kiedykolwiek mieć statki kosmiczne wyglądające tak jak te w filmach, a nie jak wielkie puszki owinięte folią aluminiową, będziemy potrzebowali tańszego sposobu osiągania orbity.

Jak sprawy mają się teraz?

Metoda 1: Rakiety wielokrotnego użytku

Rakiety wielokrotnego użytku to najlepszy wybór zapewniający obniżenie kosztów lotów kosmicznych w najbliższej perspektywie. Są to tradycyjne rakiety, ale zamiast spadać do oceanu po wykonaniu misji, opadają ku ziemi i bezpiecznie lądują. Nie rozwiązuje to problemu wykorzystania zaledwie 4% miejsca na ładunek, ale potencjalnie drastycznie obniża cenę każdego startu.

Takie podejście nastręcza jednak kilku problemów. Trzeba zabrać dodatkowy materiał pędny potrzebny przy lądowaniu, co zmniejsza wydajność. Oczywiście zależy nam na możliwie najmniejszej ilości dodatkowego materiału pędnego, ale to z kolei poważnie utrudnia lądowanie.

Innym istotnym problemem jest to, że nikt jeszcze na dobrą sprawę nie wie, ile kosztuje zregenerowanie takiej odzyskanej rakiety przed ponownym lotem. Człowieku, ta maszyna była w przestrzeni kosmicznej! Nie można jej tak po prostu przetrzeć szmatką i postawić z powrotem na platformie startowej.

Amerykańskie promy kosmiczne, zaprojektowane jako pojazdy wielokrotnego użytku, okazały się o wiele droższe w eksploatacji niż zwykła rakieta właśnie z powodu wysokich kosztów prac serwisowych przed kolejnym startem. Cały czas trwa spór, czyja to była wina – inżynierów, Kongresu, sił powietrznych, społeczeństwa niechętnego ryzyku i tak dalej – ale najważniejsze jest to, że program został zakończony przede wszystkim z powodu kosztów przygotowania promu do następnego lotu. I nawet jeśli informacja o wysłaniu promów na emeryturę zasmuciła wiele osób, sporo kosmicznych zapaleńców cieszyło się z tej decyzji – właśnie ze względu na koszty.

Istnieje jednak uzasadniona nadzieja, że możemy zbudować lepszy statek wielokrotnego użytku. Podczas pisania tego rozdziału firma SpaceX jako pierwsza wyniosła ładunek na orbitę, po czym pomyślnie sprowadziła rakietę na ziemię[3],[4].

Jeśli działania SpaceX rzeczywiście obniżą cenę lotów, mogą się okazać największym krokiem naprzód naszego pokolenia w podboju kosmosu. Gdy obserwowaliśmy start, jeden z naszych czytelników napisał na Twitterze, że chociaż jako młody chłopak był świadkiem lądowania na Księżycu, rakieta wielokrotnego użytku wywarła na nim większe wrażenie. Może zabrzmiał trochę jak wariat, ale w pewnym sensie miał rację – lądowanie na Księżycu było z pewnością większym osiągnięciem technicznym, ale jego koszt właściwie gwarantował, że takie eskapady raczej nie wejdą nam w nawyk. Pozostaje jeszcze ustalić, jaką dokładnie część tego kosztu uda się wyeliminować. Elon Musk stwierdził, że docelowo będzie w stanie ściąć koszt stukrotnie. Jeśli zaś mowa o krótszej perspektywie czasowej, to Gwynne Shotwell, prezeska SpaceX, powiedziała, że obecnie wykorzystywana rakieta Falcon 9 powinna móc latać przy kosztach niższych o 30%. I nawet jeśli obecnie rakiety wielokrotnego użytku tylko trochę obniżają cenę wyniesienia czegoś na orbitę, mogą otwierać przed nami drogę do o wiele większych oszczędności w przyszłości. Droga do Marsa może być wybrukowana skromnymi zniżkami.

Ciąg dalszy dostępny w wersji pełnej.

[1] Zasadniczo ta wartość zależy od mnóstwa czynników, takich jak kraj, z którego się startuje; towarzystwo, jakie zabiera się ze sobą; cel lotu; a także wielkość wykorzystywanego pojazdu kosmicznego. W całej książce używamy szacunkowej kwoty 20 tysięcy dolarów za kilogram jako akceptowalnego przybliżenia. Jeśli dodać do tej liczby tak z 18 tysięcy lub tyle samo odjąć, obejmiemy wszystkie szacunki, na jakie natrafiliśmy podczas zgłębiania tego tematu.

[2] Paliwo stanowi 80% masy. Trzy czwarte z tego to 60%. To nam daje 20% wolnego miejsca. Początkowo ładunek odpowiadał za maksymalnie 4% masy rakiety. Zatem zwiększyliśmy go właśnie z czterech do dwudziestu czterech procent!

[3] Rakiety mają kilka części zwanych „stopniami”. Kiedy jeden ze stopni się zużyje, jego ciężar cię spowalnia. No to go odrzucasz. Ludzie ze SpaceX zdołali odzyskać pierwszy stopień napędowy, który jest największym elementem rakiety.

[4] W maju 2018 roku firma SpaceX z powodzeniem sprowadziła na dryfującą po oceanie platformę pierwszy stopień nowej rakiety (o oznaczeniu Falcon 9 Block 5), która została wyposażona w mocniejsze silniki i ma wymagać napraw tylko co kilka lotów, co dodatkowo obniża koszty startu (przyp. tłum.).