Marcin Bąk: Podbój kosmosu – dalej drepczemy w miejscu

Gdy oglądamy filmy sci – fi z lat pięćdziesiątych czy sześćdziesiątych wydaje się, że wierzono wtedy dość powszechnie w bardzo szybki rozwój kosmonautyki i rychły podbój kosmosu. Podbój w dosłownym tego słowa znaczeniu. Wyobrażano sobie często odkrywanie i zasiedlanie obcych planet na podobieństwo wypraw podróżników europejskich do nowych lądów w poprzednich stuleciach. Owszem, będą nas czekały trudy i niebezpieczeństwa, niejeden statek zginie porwany przez kosmiczny sztorm, mogą nas czekać starcia z obcymi formami życia ale prędzej czy później skolonizujemy kosmos, tak jak skolonizowaliśmy Ziemię. Ten entuzjazm co do możliwości człowieka był szczególnie dobrze dostrzegalny po udanym wysłaniu pierwszej załogowej misji na Księżyc. Wystarczy sięgnąć do prasy z przełomu lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych, by się o tym przekonać.  Zwykłym ludziom wydawało się, że po zdobyciu Księżyca, następnym, logicznym krokiem będzie Mars. Nie zdawano sobie raczej sprawy a i dziś większość ludzi nie ma o tym pojęcia, jaka jest różnica skali między odkrywaniem nowych kontynentów a podbojem obcych planet. Dla przeciętnego człowieka Wszechświat zbudowany jest dość prosto. Centrum nadal stanowi Ziemia, później jest orbita ziemska, dalej Księżyc oraz pozostałe ciała niebieskie, które leżą tylko trochę dalej. Otóż nie, pozostałe planety, nie mówiąc już o gwiazdach, nie leżą „trochę dalej”. Leżą niewyobrażalnie daleko.

Równanie Ciołkowskiego

Jedynym jak na razie sposobem podróżowania w przestrzeni kosmicznej jest silnik oparty na drugiej i trzeciej zasadzie mechaniki Newtona, czyli silnik odrzutowy. Mówiąc w największym uproszczeniu, potrzebuje on źródła energii oraz tzw. czynnika roboczego, który wyrzucany z odpowiednią prędkością zapewni pożądaną siłę ciągu. Dla większości używanych przez nas silników podstawą jest chemiczna reakcja spalania, która wydziela dużo energii a gazy powstające w wyniku reakcji stają się zarazem czynnikiem roboczym. Problem w tym, że aby uzyskać odpowiedni ciąg, zdolny poruszyć dużą masę, potrzebujemy stosunkowo dużo paliwa, które stanowi znaczny odsetek masy startowej rakiety. Krótko mówiąc – rakieta kosmiczna wyposażona w silniki chemiczne to wielki zbiornik paliwa, wystarczającego na kilka minut pracy, z maleńkim obiektem na szczycie wielkości kiosku z gazetami, zwanym szumnie statkiem kosmicznym.  Im więcej damy paliwa, tym większa będzie masa startowa rakiety, do której poruszenia potrzeba będzie więcej paliwa... Tą trudność zauważył już i opisał, uważany za ojca kosmonautyki, Konstanty Ciołkowski, formułując tzw Równanie Ciołkowskiego.

Próby przezwyciężenia problemów

Oczywiście, w odróżnieniu od zwykłych ludzi, specjaliści zdawali sobie doskonale sprawę z trudności natury technologicznej i fizycznej, stojących przed lotami kosmicznymi. Takim rozwiązaniem, które miało ułatwić wykorzystanie bliskiej przestrzeni kosmicznej, były w założeniu wahadłowce kosmiczne.  Wielki szybowiec, czy też rakietoplan, wynoszony na niską orbitę przez rakiety nośne, miał znacząco obniżyć koszty lotów orbitalnych. W praktyce okazało się, że koszty i tak są wielkie, ilość wnoszonego na orbitę ładunku stosunkowo niewielka a zawodność samych wahadłowców – bardzo duża. Pierwsza katastrofa, która wydarzyła się w 28 stycznia 1986 roku pochłonęła życie siedmiorga astronautów. Kolejna w roku 2003 kazała się zastanowić głęboko nad sensem całego projektu, który został zresztą zamknięty w kilka lat później. Odpowiednik amerykańskich wahadłowców, radziecki prom kosmiczny „Buran”, wykonał tylko jeden, bezzałogowy lot i zaległ w hangarze. Wahadłowce nie okazały się wielkim krokiem na drodze do kosmicznego podboju. Obecnie trwają prace nad zmniejszeniem kosztów, prowadzone przez firmy komercyjne. Są to jednak głównie działania związane z niskimi orbitami i wynoszeniem różnych obiektów trochę ponad ziemską atmosferę. Cały czas wszystko odbywa się wokół napędu opartego na reakcji chemicznej i tutaj wiele nie da się zrobić. Można obniżyć nieco koszt wyniesienia tony ładunku, można poprawić o kilka procent wydajność paliwa ale nie rozwiązuje to nadal podstawowych problemów, związanych z niewyobrażalnymi odległościami do przebycia. Nic nie wskazuje na jakąś zmianę, związaną z przystąpieniem Chin do klubu państw eksplorujących kosmos. Chińskie sondy kosmiczne czy nagłaśniane z dumą misje załogowe, to w istocie powtarzanie drogi przebytej przez Amerykanów ponad pół wieku temu. Żadnej nowości tam nie ma.

Utwory sci – fi przedstawiają całą paletę różnych napędów dzięki którym statki bez problemów poruszają się w przestrzeni. Silniki plazmowe, atomowe, jonowe, fotonowe...napęd WARP. I co ciekawe, trwają nad nimi prace od kilku dziesięcioleci, niektóre nawet uwieńczone powodzenie. Silniki jonowe pracują już od wielu lat jako napęd sond bezzałogowych dalekiego zasięgu. Problem z nimi polega na tym, że ciąg takiego silnika jest bardzo mały. Nie wystarczy do przezwyciężenia pola grawitacyjnego Ziemi czy innych ciał, można go stosować tylko jako napęd kursowy małych,  kilkutonowych obiektów poruszających się w próżni.  

Jak na razie, nie wydaje się by Ludzkość miała poczynić jakieś wielkie kroki ku podbojowi Marsa...