Plazma poniesie nas daleko
Nasze możliwości eksplorowania kosmosu w dużej mierze zależą od tego, jak szybko potrafimy przemierzać przestrzeń kosmiczną. Niestety wciąż latamy raczej wolno (przy zastosowaniu tradycyjnych rakiet podróż na Marsa trwałaby co najmniej pół roku) i niezbyt daleko, co wynika z tego, że wykorzystujemy napędy chemiczne. Dlatego od lat uczeni i inżynierowie z całego świata pracują nad nowymi rozwiązaniami.
Jak kamień z procy
Loty w kosmos, z grubsza rzecz biorąc, wyglądają następująco: pojazd lub sonda są dołączone do potężnej rakiety nośnej na paliwo chemiczne, która wytwarza siłę ciągu rzędu tysięcy lub nawet milionów niutonów. Rakieta startuje, po czym rozpędza się, by osiągnąć prędkość pozwalającą jej oderwać się od Ziemi. Gdy już jest w przestrzeni kosmicznej, wyrzuca niczym proca kamień to, co ma być wyniesione w kosmos. Od tej pory sonda czy statek poruszają się już dzięki sile nadanej im poprzez to wyrzucenie właśnie, a sama rakieta nośna – potężna, ale mało wydajna – zużywa w tym procesie, trwającym ledwie minuty, całe swoje dostępne paliwo.
Oczywiście pojazdy, które mają lecieć dalej w przestrzeń Układu Słonecznego, mogą jeszcze trochę przyspieszyć, wykorzystując tzw. asystę grawitacyjną mijanych po drodze dużych planet. Pojazd zbliża się do obiektu, w jego polu grawitacyjnym zaczyna mocno przyspieszać, mija go, po czym – używając swoich niewielkich silników korekcyjnych – odchyla trajektorię, opuszcza pole grawitacyjne i leci dalej, ale już istotnie szybciej. Trwa to jednak dość długo. Poza tym od momentu wyrzucenia przez rakietę nośną pojazd nie jest już napędzany silnikiem. Jego małe silniki, jeśli ma takie (zwykle też na paliwo chemiczne), służą tylko do lekkich zmian kursu, względnie lawirowania wokół planet z księżycami (np. Cassini).
– Wciąż korzystamy głównie z tradycyjnego chemicznego napędu rakietowego, który umożliwia umieszczanie obiektów na orbitach Ziemi lub na trajektoriach docierających do innych planet – mówi prof. Piotr Wolański, wybitny ekspert w dziedzinie napędów lotniczych i kosmicznych, przewodniczący Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych przy Prezydium PAN. – Rakiety mogą być lepiej wykonane, tańsze, większe, bardziej opłacalne, ale bez nowego paliwa nie osiągniemy nic więcej. Dlatego w lotach kosmicznych coraz częściej zaczyna się stosować rakietowe silniki elektryczne.
Goddard i Ciołkowski
W literaturze anglojęzycznej nowa klasa silników, dzięki którym w zasadzie już dokonuje się przełom w misjach kosmicznych, bywa nazywana zwykle napędem elektrycznym – bo do wytworzenia siły ciągu potrzebują energii elektrycznej. U nas jednak silniki elektryczne kojarzą się bardziej z typowymi elektrycznymi napędami obrotowymi, dlatego częściej te nowe napędy kosmiczne nazywa się plazmowymi. Szczególnym typem silników plazmowych są silniki jonowe. Możliwość ich budowy zaproponowali niezależnie już na początku XX w. Robert Goddard i Konstanty Ciołkowski. Były to jednak tylko luźne pomysły. W latach 30. idei tej przyklasnął słynny niemiecki teoretyk napędów rakietowych Hermann Oberth. Potem, po wojnie, pomysł zaczęto realizować, głównie w USA (Ernst Stuhlinger) i w ZSRR (Instytut im. Kurczatowa w Moskwe). W 1961 r. NASA miała już prototyp takiego silnika, ale wyścig wygrali Rosjanie, którzy pierwsi w 1964 r. wysłali w kosmos sondę Zond 2 z jonowymi silnikami do kontroli orientacji w przestrzeni. Dzisiaj urządzenia tego typu są wykorzystywane głównie w satelitach – do kompensacji oporu występującego na niższych orbitach okołoziemskich – ale także w misjach kosmicznych. Budują je największe potęgi technologiczne świata.
W typowym – tzw. elektrostatycznym, z siatkami – silniku jonowym znajdujący się w komorze gaz (ksenon, krypton lub argon) ulega jonizacji w zderzeniach z elektronami, w stałym lub zmiennym polu elektrycznym. Jony dodatnie są następnie oddzielane z powstałej plazmy i przyspieszane do ogromnej prędkości 30–40 tys. m/s w polu elektrostatycznym wytworzonym pomiędzy dwiema lub trzema spolaryzowanymi elektrycznie siatkami o różnych potencjałach. Wysoka prędkość wylotowa jonów zapewnia bardzo efektywne wykorzystanie paliwa – w ciągu sekundy zużyciu ulega kilka mikrogramów gazu – ale niestety daje też zwykle bardzo małą siłę ciągu. Przy powierzchni czynnej, emitującej jony, o wielkości np. 10 cm2 i różnicy potencjałów między siatkami równej 1000 V, ciąg takiego silnika to ledwie 7–10 mN (można by go poprawić, dostarczając więcej paliwa, ale wtedy należałoby powiększyć cały silnik). To prawie nic, tyle, by na Ziemi unieść monetę ważącą gram, ale już w próżni kosmicznej sprawa wygląda zupełnie inaczej. W sytuacji, gdy nie ma lub prawie nie ma oporów, ten ciąg całkowicie wystarcza, by korygować pozycję satelitów, a także przyspieszać sondy i pojazdy kosmiczne do dużych prędkości. Do tego silniki jonowe są nie tylko niezwykle wydajne, ale też niezwykle długowieczne. Mogą pracować bez przerwy w przestrzeni kosmicznej dziesiątki tysięcy godzin. To daje im możliwość coraz większego przyspieszania obiektu, nawet do zawrotnych kilkudziesięciu kilometrów na sekundę.
Pierwszą w historii sondą, która wykorzystywała jako główne źródło napędu silnik jonowy, była wyniesiona w 1998 r. w kosmos amerykańska Deep Space 1. Miała ona silnik elektrostatyczny, a więc z siatkami. Napęd działał niemal bez przerwy w kosmosie i pozwolił Deep Space 1 dotrzeć do asteroidy Braille, a potem w pobliże komety Borelly’ego. Od 1998 r. do 1 września 2001 r. silnik przepracował łącznie 12 tys. godzin. Odniesiono spektakularny sukces, po którym nie było już wątpliwości, że silniki jonowe to przyszłość. Dzisiaj często stanowią one napęd w misjach NASA, ESA czy JAXA, ale agencje jednocześnie ciągle pracują nad ich udoskonaleniem. NASA przez sześć lat testowała w komorze próżniowej w Glenn Research Center elektrostatyczny silnik jonowy NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster), który osiągał ciąg 236 mN i zużył przez ten czas 770 kg ksenonu. Ale pracował nieustannie przez 48 tys. godzin, czyli 5 lat i 6 miesięcy.
Niezwykły silnik Halla
Nieco później niż silniki elektrostatyczne z siatkami powstały tzw. silniki Halla, w których pole magnetyczne działające poprzecznie do kierunku przepływu prądu daje podobny efekt jak siatki w silniku elektrostatycznym. Jonizacja przebiega tu szybciej, a strumień wypływających jonów jest mniej rozproszony. To wszystko decyduje o tym, że silniki Halla pozwalają na uzyskanie większego ciągu. Niestety nie są tak długowieczne – mogą pracować zaledwie 7–10 tys. godzin. W zeszłym roku uczeni z Michigan University, testujący dla NASA silnik Halla X3, donieśli, że udało im się wytworzyć siłę ciągu równą 5,5 N. To absolutny rekord.
Pierwsze silniki Halla poleciały w kosmos na początku lat 70. XX w. na radzieckich satelitach meteorologicznych. Pierwszą sondą wyposażoną w to urządzenie była amerykańska sonda Smart 1, wyniesiona w kosmos w 2002 r., która początkowo była satelitą, ale włączany w odpowiednich momentach silnik potrafił ją rozpędzić do drugiej prędkości kosmicznej (Smart 1 weszła na otwartą trajektorię skierowaną w stronę Księżyca i doleciała do niego). My także możemy pochwalić się własnym silnikiem Halla – to silnik KLIMT (Krypton Large Impulse Thruster), zbudowany w warszawskim Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy przez dr. Jacka Kurzynę. – KLIMT to typowy nieduży silnik Halla, o powierzchni czynnej wyładowania 10 cm2. Wykorzystuje krypton i można z niego uzyskać siłę ciągu do 20 mN przy impulsie właściwym wynoszącym ok. 15 tys. m/s. Silnik przepracował już 500 godz. i zużył zaledwie 2 kg kryptonu, co dobrze pokazuje jego wydajność. Tego rodzaju urządzenia mogą pracować do kilku (pięciu, sześciu) tysięcy godzin. Potem następuje zbyt silna erozja ścianek komory plazmowej – wyjaśnia dr Kurzyna.
Jeszcze bardziej niezwykły – VASIMR
Innym typem napędu plazmowego jest amerykański VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), czyli silnik magnetoplazmowy o zmiennym impulsie właściwym. VASIMR został zbudowany w latach 80. XX w. przez amerykańskiego astronautę i fizyka plazmy Franklina Changa Díaza. Díaz wykorzystał w swojej konstrukcji badania plazmy termojądrowej w eksperymentalnych reaktorach fuzyjnych, zwanych tokamakami. W silniku VASIMR nie następuje przyspieszanie wybranych jonów, choć oczywiście czynnik roboczy (ksenon lub argon) uzyskuje postać plazmy, rozgrzewanej do bardzo wysokich temperatur rzędu 2 mln °C przy użyciu mikrofal lub fal radiowych. Cały silnik oplatają magnesy nadprzewodzące, kierujące tę mocno rozgrzaną plazmę do dyszy, z której następnie jest ona wyrzucana.
Doskonaleniem silnika VASIMR i jego testami zajmuje się założona przez Díaza firma Ad Astra Rocket Company. NASA zawarła z Ad Astra kontrakt wart 10 mln dol. na ulepszenie silnika i doprowadzenie go do stanu, w którym mógłby ruszyć w kosmos. Początkowo planowane jest przyłączenie VASIMR-a do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w celu skorygowania jej orbity. VASIMR charakteryzuje się najlepszym ciągiem wśród silników plazmowych, jednak wymaga potężnego zasilania, co jest jego główną wadą, ponieważ tradycyjne źródła energii, jak panele fotowoltaiczne czy generatory typu RTG, są tu niewystarczające. Innymi słowy, silnik świetnie sprawdza się w warunkach laboratoryjnych, gdy energii jest pod dostatkiem, natomiast w kosmosie musiałby mieć jakieś nowe, potężniejsze źródło zasilania, np. niewielki reaktor jądrowy. Sęk w tym, że takich małych reaktorów jeszcze się nie buduje. Badacze z NASA i Ad Astra szacują, że taki tandem, a więc niewielki reaktor jądrowy i silnik VASIMR, mógłby dostarczyć wyprawę załogową na Marsa w 40 dni.
Przyszłość
Choć wydaje się, że przyszłość napędów kosmicznych należy do silników plazmowych różnego rodzaju, to nawet te o największej sile ciągu absolutnie nie poradzą sobie ze startem z Ziemi i dotarciem na orbitę. W tym względzie jeszcze długo będziemy musieli polegać na tradycyjnych rakietach na paliwo chemiczne. Jednak już z orbity coraz częściej będą latały w kosmos sondy i statki napędzane plazmowo. W przestrzeni znajduje się coraz więcej takich obiektów. Najdłużej, bo aż 10 lat, pracuje silnik jonowy sondy Dawn, która w 2007 r. wyruszyła na spotkanie asteroidy Westa oraz Ceres i jej misja wciąż trwa. Natomiast napęd jonowy Hayabusa 2 – leci ona na spotkanie z asteroidą Ryugu i dotrze do niej w 2018 r. – już teraz zdołał rozpędzić tę japońską sondę do 32 km/s. Silnik jonowy miała też jej poprzedniczka, sonda Hayabusa. Doleciała ona do planetoidy Itokawa, pobrała z niej próbki i przetransportowała na Ziemię. Ciągle jednak czekamy na rewolucyjne napędy, które przesuną granice naszych kosmicznych podbojów.
Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”