Kosmiczne przyspieszenie, czyli czym napędzać rakiety

Jak dzisiaj przebiega większość misji kosmicznych? Sonda jest dołączana do potężnej rakiety nośnej na paliwo chemiczne. Rakieta rozpędza się, by osiągnąć prędkość pozwalającą jej oderwać się od Ziemi, a po paru minutach wyrzuca niczym proca kamień to, co ma być wyniesione w kosmos. Oczywiście pojazdy, które mają lecieć w głąb Układu Słonecznego, mogą to robić jeszcze szybciej, wykorzystując tzw. asystę grawitacyjną mijanych po drodze planet. Zbliżając się do nich, zaczynają być silnie przyspieszane, okrążają je, po czym – używając niewielkich silników korekcyjnych – odchylają trajektorię lotu i lecą dalej już istotnie szybciej. Nawet w ten sposób daleko się jednak nie zajedzie. Stąd liczne próby inżynierów wynalezienia radykalnie innego napędu.

W literaturze anglojęzycznej nowa klasa silników, dzięki którym w zasadzie już dokonuje się przełom, jest nazywana napędem elektrycznym. Jego szczególnym typem są silniki jonowe. Możliwość ich budowy zaproponowali niezależnie już na początku XX w. pionierzy astronautyki Robert Goddard i Konstanty Ciołkowski. W latach 30. idei tej przyklasnął słynny niemiecki teoretyk napędów rakietowych Hermann Oberth. NASA miała prototyp takiego napędu w 1961 r., ale wyścig wygrali Rosjanie. Oni 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.

Taki silnik działa w ten sposób, że znajdujące się w komorze atomy lub cząsteczki gazu (ksenonu, kryptonu lub argonu) poddawane są jonizacji, czyli pozbawia się je elektronów lub o nie wzbogaca. Jony dodatnie, czyli kationy, są następnie przyspieszane do ogromnej prędkości ok. 30 tys. m/s w polu elektrostatycznym wytworzonym pomiędzy dwiema lub trzema naładowanymi elektrycznie siatkami o różnych potencjałach. Wysoka prędkość wylotowa jonów zapewnia bardzo efektywne wykorzystanie paliwa (w ciągu sekundy zużyciu ulega zwykle kilka mikrogramów gazu), ale niestety daje też bardzo małą siłę ciągu (rzędu ­miliniutonów). Jednak w próżni – gdy nie ma lub prawie nie ma oporów – to wystarcza, by korygować pozycję satelitów, a także powoli przyspieszać sondy i pojazdy kosmiczne do dużych prędkości (japońska Hayabusa 2 w drodze do asteroidy Ryugu osiągnęła prędkość 32 km/s). Silniki jonowe są nie tylko niezwykle wydajne, ale też długowieczne.

Pierwszą sondą, która je wykorzystywała jako główne źródło napędu, była wyniesiona w 1998 r. w kosmos amerykańska Deep Space 1. Dotarła do asteroidy Braille, a następnie w pobliże komety Borrelly’ego. Od 1998 r. do 1 września 2001 r. silnik przepracował łącznie 12 tys. godzin. To było znaczące osiągnięcie.

Nieco później powstały tzw. silniki Halla, w których kationy przyspieszane są przez pole magnetyczne. Jonizacja przebiega tu szybciej, a strumień wypływających jonów jest mniej rozproszony, pozwalając na uzyskanie większego ciągu (kilku niutonów). Silniki Halla poleciały w kosmos na początku lat 70. XX w. na radzieckich satelitach meteorologicznych. Pierwszą sondą napędzaną w ten sposób była amerykańska Smart 1, wyniesiona w kosmos w 2002 r. Początkowo była satelitą Ziemi, ale włączany w odpowiednich momentach silnik rozpędził ją do drugiej prędkości kosmicznej. Weszła na trajektorię w stronę Księżyca i doleciała do niego.

Szczególnym typem napędu elektrycznego jest silnik plazmowy. Flagowym przykładem jest amerykański VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), czyli silnik magnetoplazmowy o zmiennym impulsie właściwym. Został zbudowany w końcu lat 80. XX w. przez Franklina Changa-Díaza. Ten astronauta i fizyk wykorzystał wyniki badań plazmy termojądrowej prowadzonych w eksperymentalnych reaktorach fuzyjnych zwanych tokamakami.

W takim silniku plazmę uzyskuje się przez podgrzanie czynnika roboczego – ksenonu, argonu lub wodoru – do temperatury rzędu 2 mln st. C przy użyciu mikrofal i fal radiowych. Następnie oplatające silnik magnesy nadprzewodzące kierują ją do dyszy. Impuls właściwy, czyli prędkość, z jaką czynnik roboczy opuszcza silnik, to nawet 50 tys. m/s. Nigdy nie był testowany w kosmosie, ale wciąż dobrze rokuje. Prace nad jego udoskonaleniem we wspieranej przez NASA firmie Franklina Díaza – Ad Astra Rocket Company – trwają.

Kosmiczne silniki chemiczne i elektryczne mają ograniczenia. Uważa się, że częściowo pokona je jądrowy napęd termiczny (nuclear thermal propulsion, NTP). Stosunek wytwarzanego przez niego ciągu do masy może być nawet 10 tys. razy wyższy niż w elektrycznych systemach napędowych, a impuls właściwy – od dwóch do pięciu razy większy niż w konwencjonalnych chemicznych. Dlatego w styczniu szef NASA Bill Nelson zapowiedział, że agencja będzie ściśle współpracować z DARPA (Agencja Zaawansowanych Programów Badawczych Departamentu Obrony), by prototypową rakietę z takim napędem skonstruować do 2027 r. Dalszym celem będzie stworzenie silnika, który dowiezie ludzi na Marsa nie w 8 miesięcy, a w trzy, góra w cztery.

Amerykanie nie muszą tak naprawdę wiele wymyślać, ponieważ już kiedyś, w końcu lat 60. XX w., stworzyli dobrze działający jądrowy napęd rakietowy, który był z powodzeniem testowany na pustyni Nevada. Nowy będzie więc tylko udoskonaloną i zapewne mocno zmodernizowaną wersją tamtego.

Amerykanie realizowali dwa programy jądrowe: Kiwi i NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications). W tym pierwszym badano „nielotne” rakietowe silniki nuklearne. NERVA natomiast dotyczył budowy silników do misji na Księżyc i Marsa. Wielkim zwolennikiem pomysłu był ówczesny szef amerykańskiego programu kosmicznego Wernher von Braun.

Reaktor podgrzewał ciekły wodór do wysokiej temperatury, a ten, rozszerzając się, gwałtownie uchodzi przez dyszę – generując ciąg. Generalna zasada działania jest identyczna jak w silniku chemicznym, ale prędkości wylotowe gazu są ponaddwukrotnie wyższe, rzędu 10 tys. m/s. Cała energia silnika pochodzi z reaktora rozszczepialnego, a wodór jest tzw. czynnikiem roboczym – który służy też do chłodzenia reaktora, korpusu silnika i dyszy.

– To proste. Tak to wyglądało w silniku NERVA i tak będzie wyglądać teraz. Tyle że dzisiaj mamy nowe technologie i materiały, którymi nie dysponowaliśmy 50 lat temu. Z takim napędem misja na Marsa potrwa o rzeczywiście połowę krócej. Staje się więc jak najbardziej realna – komentuje prof. Piotr Wolański, wieloletni kierownik Zakładu Silników Lotniczych Politechniki Warszawskiej i przewodniczący Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN.

Rakiety z napędem NTP (nuclear thermal propulsion) nie wystartują z Ziemi. Będą miały wciąż zbyt słaby ciąg, by wynieść na orbitę setki lub tysiące ton. Polecą tam rakietami na paliwo chemiczne. Ale dzięki temu nie muszą być bardzo duże, co również działa na ich korzyść – mniejsze obiekty łatwiej napędzać. Wodór będzie dowożony z Ziemi lub pozyskiwany z wody księżycowej – czemu służy program Artemis: lądowania ludzi w okolicach południowego bieguna Księżyca. W tamtejszych wiecznie zacienionych kraterach jest jej dużo. W przypadku misji na Marsa wodór czerpany będzie z wody marsjańskiej.

Pozostaje pytanie, dlaczego w 1973 r. Amerykanie zarzucili program NERVA tuż po skonstruowaniu pierwszego jądrowego napędu termicznego rakiet kosmicznych? Odpowiada prof. Wolański: – Amerykanie wygrali wyścig na Księżyc i to im w zasadzie wystarczyło. Pokazali, że są potęgą gospodarczą i kosmiczną. Poza tym w grę wchodziły – i wciąż zresztą wchodzą – koszty. Wyprawa na Marsa to wydatek pewnie bilionów dolarów, 50 lat temu zupełnie nie do udźwignięcia. Ameryka postawiła na bliskie użyteczne loty – na orbitę, by budować flotyllę satelitów, oraz do stacji ISS. I na mniejsze naukowe misje niedużych próbników i sond.

Opisane wyżej napędy kosmiczne to tylko część przygody. Niedawno NASA poinformowała, że pracuje nad obrotowym rakietowym silnikiem detonacyjnym (RDRE). Składa się on z koncentrycznych cylindrów, pomiędzy które wpływa paliwo i tam zostaje zapalone. To wywołuje uwolnienie się ciepła w postaci fali uderzeniowej. Proces spalania to tak naprawdę seria eksplozji, których ciśnienie i temperatura generują ciąg. Kilkanaście testów tego silnika udało się już przeprowadzić w Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Alabamie.

Największe agencje kosmiczne świata – NASA, ESA i JAXA – pracują wciąż nad udoskonaleniem napędu żagla słonecznego, czyli wykorzystania energii fotonów słonecznych do wprawiania w ruch pojazdu wyposażonego w rozpostartą powłokę. LightSail 2 należący do amerykańskiego Planetary Society, japońska sonda IKAROS czy NanoSail-D2 z NASA już potwierdziły, że tego typu napęd może działać. A jest najtańszym sposobem przemieszczania się w Układzie Słonecznym, przy czym nadaje się w zasadzie tylko do długich i dalekich misji. Jednak to, co jest napędzane żaglem, z powodu braku oporu stale przyspiesza, więc z czasem może osiągnąć prędkości nieporównywalne z żadnym innym napędem – sięgające setek lub tysięcy km/s. Daleko od Słońca żagiel już nie działa, więc trzeba go odrzucić. Ale prędkość pozostaje.

Jeden z najbardziej zuchwałych scenariuszy zakłada wysłanie pojazdu o masie jednej tony w trwającą 40 lat podróż do układu Alfa Centauri, znajdującego się 4,4 lat świetlnych od Ziemi najbliższego nam systemu trzech gwiazd z planetą typu ziemskiego wokół najmniejszej z nich (Proximy Centauri). Żagiel statku musiałby mieć aż 3,6 km średnicy i być wykonany z czystego aluminium o grubości 0,016 mikrometra (czego obecnie wykonać nikt nie jest w stanie).

Taki pojazd mógłby z czasem osiągnąć maksymalną prędkość jednej dziesiątej prędkości światła. Pokonywałby 36 tys. km w jedną sekundę! Byłaby to oczywiście podróż tylko w jedną stronę. Tylko czy jest jakiś powód, żeby wysyłać do Alfa Centauri tonową sondę? Na razie nie ma.