Ekspert: w kosmicznych napędach potrzebujemy kopernikańskiej rewolucji

W lotach kosmicznych podstawą są paliwa kopalne, których spalanie daje największą siłę. Wiele do zaoferowania mają silniki jonowe, ale mają ograniczenia. Czy przyszłość należy do napędów atomowych, słonecznych czy laserowych żagli - mówił PAP dr Tomasz Barciński z CBK PAN.

We wszystkich kosmicznych podróżach najpierw trzeba oderwać się od Ziemi. To ogromne wyzwanie. Obecnie nie ma innych metod, aby sobie z nim radzić, niż znane od dawna rakiety o napędzie chemicznym.

- Aby wyruszyć w kosmos, nie ma drogi na skróty — trzeba odrzucić część obecnej na statku masy, aby się od niej odepchnąć. Siła tego odrzutu musi być na tyle duża, aby nie tylko wynieść pojazd na odpowiednią wysokość, ale także nadać mu prędkość orbitalną. To oznacza konieczność zgromadzenia ogromnej ilości energii na pokładzie. W praktyce działa to podobnie jak w samochodzie - potrzebujemy paliwa o dużej gęstości energetycznej, które w krótkim czasie odda dużo energii. Jak na razie nikt nie wymyślił niczego, co by choć trochę mogło dorównywać silnikom spalającym paliwo chemiczne – wyjaśnił w rozmowie z PAP dr Tomasz Barciński.

W historii lotów kosmicznych paliwa się trochę zmieniły, ale przełomu nadal nie ma. - Obecne rakiety wykorzystują tak naprawdę tę samą zasadę co pierwsze. Cały czas latamy w kosmos głównie na paliwach kopalnych – zwrócił uwagę ekspert.

Podobnie jest przy lądowaniu na Księżycu czy startach z jego powierzchni. - Na Księżycu też potrzebne są silniki chemiczne, choć tutaj jest o wiele łatwiej ze względu na wielokrotnie słabszą grawitację od ziemskiej. Wystarczą niewielkie, dużo słabsze napędy, ale nadal zasada jest taka sama jak na Ziemi – zaznaczył.

Chemiczne napędy to też podstawa lotów poza ziemską orbitę oraz ważny element sterowania satelitami. - W przypadku dalekich lotów powód jest ten sam, co przy startach rakiet czy lądowaniu. Obecnie często tylko dzięki tym napędom jesteśmy w stanie uzyskać odpowiednio dużą siłę i szybką zmianę prędkości. Na orbicie też jest często potrzebny duży impuls w krótkim czasie, np. do zmiany wysokości lub rozpoczęcia deorbitacji – wyjaśnił ekspert CBK PAN.

Zwrócił uwagę, że masę, od której odpycha się kosmiczny pojazd, można rozpędzać także w inny sposób. - Materię można rozpędzać np. polem elektromagnetycznym. Mowa o coraz częściej używanych silnikach jonowych, w których pole to rozpędza naładowane cząstki, czyli właśnie jony. To silniki, które mają wyjątkowe właściwości. Prędkość wyrzucanych cząstek jest gigantyczna w porównaniu do gazów odrzucanych z silników chemicznych. Jednak siła ciągu jest bardzo mała – rzędu ułamków lub pojedynczych niutonów (jeden kilogram waży na Ziemi niecałe 10 niutonów) – wyjaśnił inżynier.

To przynosi dwa najważniejsze skutki. - Silniki te przyspieszają pojazd bardzo wolno, ale za to ogromna prędkość wyrzucanej masy sprawia, że traci się jej bardzo mało i na długo jej wystarcza. Prąd się tymczasem nie kończy, bo pochodzi z paneli słonecznych. Silniki takie mogą pracować i rozpędzać pojazd nawet przez kilka lat. Silniki chemiczne w rakietach działają kilka minut, a w sondach, łącznie, maksymalnie przez kilka godzin – tłumaczył dr Barciński.

Ten rodzaj silników zyskuje na znaczeniu. - Stosuje się je więc głównie do manewrowania satelitami na orbicie, ale używane są też w dalekich misjach. Japonia wysłała międzyplanetarne sondy Hayabusa i Hayabusa2, napędzane w ten sposób - powiedział dr Barciński.

Silniki jonowe napędzały też słynne próbniki, np. sondę Deep Space 1, która dotarła do planetoidy Braille i w pobliże komety Borrelly'ego; sondę Dawn, która przeleciała obok Marsa, po czym dotarła w pobliże planetoidy Westa i planety karłowatej Ceres; Psyche, która leci właśnie w kierunku planetoidy o tej samej nazwie; czy też europejską BepiColombo, zmierzającą właśnie do Merkurego.

Dr Barciński zwrócił uwagę, że w kosmicznych podróżach - na szczęście - bardzo „pomagają” planety.

- Mamy do dyspozycji grawitacyjne asysty planet. Pomagają one nam w dwóch kwestiach. Po pierwsze planety poruszają się z ogromną prędkością. Odpowiednio ustawiona sonda może przejąć część ich pędu. Przypomina to sytuację, kiedy np. ciężarówka uderza w leżącą na drodze piłkę. Siły rozkładają się wtedy tak, że lekka piłka w zderzeniu z ciężkim samochodem odskakuje z dwukrotną prędkością pojazdu. Podobnie jest w przypadku sondy schwytanej przez grawitację pędzącej planety. Dodatkowo planety - dzięki swojej grawitacji - mogą powodować zmiany kierunku lotu sondy. Można więc zaoszczędzić mnóstwo paliwa, które trzeba byłoby wykorzystać na takie skręcanie – opisał.

Naukowcy i inżynierowie cały czas pracują jednak nad nowymi rozwiązaniami. - Warto tutaj wymienić napędy atomowe. Po pierwsze reaktor może być źródłem energii dla silnika jonowego. Takie urządzenie miałoby dużo większą moc od obecnych konstrukcji, a do tego mogłoby dużo łatwiej pracować daleko od Słońca. Po drugie reaktor może do bardzo wysokiej temperatury rozgrzewać gaz, np. wodór, od którego pojazd będzie się odpychał, podobnie jak od gazów wyrzucanych z rakiety czy od wystrzeliwanych jonów – wyjaśnił ekspert.

Bada się też np. żagle słoneczne. - Emitowane przez Słońce cząstki, nawet fotony, wywierają pewne, nieduże ciśnienie. W kosmicznej próżni, przy wykorzystaniu znacznej powierzchni, można uzyskać zauważalną siłę. Były już nawet organizowane demonstracyjne misje sond wyposażonych w takie żagle. Na przykład japońska sonda IKAROS, wyposażona w żagiel o powierzchni prawie 200 m2, manewrowała wykorzystując siłę promieniowania słonecznego. Systemy takie bada się także pod kątem sterowania satelitami na orbicie, np. do ich obracania czy nawet zmiany orbity – wspomniał.

Słońce można też zastąpić potężnym laserem. - Idąc dalej tym tropem, niektórzy proponują, aby wykorzystać światło silnych laserów. W takich systemach typu laser sail (laserowy żagiel), laser miałby rozpędzać miniaturowe sondy nawet do 20 proc. prędkości światła. Dzięki temu teoretycznie mogłyby w ciągu 20-25 lat dolecieć nawet do Alfa Centauri. Mowa jednak o sondach ważących tylko kilka gramów – wyjaśnił dr Barciński.

Jednak, aby kiedyś dolecieć do gwiazd, a nawet aby swobodnie przemierzać nasz system, potrzebujemy czegoś zupełnie nowego – podkreślił inżynier.

- Potrzebujemy rewolucji na miarę Kopernika. Niektórzy naukowcy mówią np. o możliwości zakrzywiania samej przestrzeni, co przy zachowaniu teorii względności pozwalałoby przekroczyć prędkość światła. Na dzisiaj to jednak raczej fantastyka i teoretyczne spekulacje. Bliżej rzeczywistości są dużo bardziej wydajne silniki jonowe. Gdyby udało się na pokładzie sondy zmieścić akcelerator podobny do CERN, kilka mikrogramów masy wystarczyłoby do praktycznie swobodnego poruszania się po Układzie Słonecznym. Tylko że akcelerator CERN ma długość wielu kilometrów. Aby z łatwością poruszać się po naszym systemie, nie mówiąc już o lotach do gwiazd, potrzebujemy czegoś o zupełnie innych możliwościach niż to, czym dysponujemy obecnie. Trudno nawet pomyśleć, co to by mogło być – podsumował specjalista.

Marek Matacz (PAP)

mat/ bar/ amac/