Nemojte me krivo shvatiti, znanstvena fantastika je sjajna. Kao i gotovo svi koji rade u području svemira i astronomije, bio sam pod dubokim utjecajem znanstvene fantastike. Za mene su to bile Zvjezdane staze i Ratovi zvijezda. Imao sam fejzer igračku koji je stvarao ovaj nevjerojatan jako glasan zvuk fejzera, i igrao sam se s njim bez prestanka dok nije jednog dana nestao. I bio sam siguran da sam ga ostavio nasred poda, kao što sam učinio sa svim svojim igračkama, ali pronašao sam ga nekoliko godina kasnije, skrivenog u ormaru do kojeg nisam mogao doći. I uvijek sam se pitao kako je to dospjelo tamo.
U svakom slučaju, vratimo se znanstvenoj fantastici. Usprkos svom nadahnuću, znanstvena fantastika je u naš mozak stavila nekoliko ideja koje nisu od velike pomoći. Znate, warp pogoni, umjetna gravitacija, teleportacija i rakete koje polijeću, lete u svemir, posjećuju druge planete koji kruže oko zvijezda, ponovno slijeću.
Millennium Falcon, Firefly i Enterprise Shuttles su svi primjeri svemirskih letjelica od jedne faze do orbite ili SSTO-ova.
Razmotrite rakete koje postoje u stvarnosti, znate, Atlase, Falcons i Delte. Polijeću s lansirne rampe, lete malo dok se gorivo ne potroši u stupnju rakete, zatim odbacuju taj stupanj i potiskuju sljedeći stupanj. Moćni Saturn V bio je toliko moćan da je imao tri stupnja, dok je krenuo u orbitu.
Dijagram lansirnog vozila Saturn V. Zasluge: NASA/MSFC
Kao što smo raspravljali u prethodnom članku, SpaceX radi na tome da prva faza, a možda čak i druga faza bude višekratna , što je veliko poboljšanje u odnosu na samo puštanje da sve izgori, ali ne postoje rakete koje zapravo lete u orbitu i natrag u jednoj fazi. Zapravo, korištenje tehnologije koju danas imamo, vjerojatno nije dobra ideja.
Je li itko ikada radio na jednoj pozornici u orbiti? Koji će se tehnološki napredak trebati dogoditi da bi ovo funkcioniralo?
Kao što sam ranije rekao, raketa s jednim stupnjem u orbiti bi bila nešto poput Millennium Falcona. Nosi gorivo, a onda to gorivo koristi za let u orbitu, i sa svijeta na svijet. Nakon što mu ponestane goriva, ponovno se puni, a zatim se ponovno gasi, čineći Kessel Run i izbjegavajući Imperial Blockade.
Ovaj koncept rakete odgovara našem osobnom iskustvu sa svakim drugim vozilom u kojem smo ikada bili. Vozite se uokolo i punite ga gorivom, isto s brodovima, zrakoplovima i svakim drugim oblikom zemaljskog prijevoza.
Ali let u svemir zahtijeva potrošnju energije koja prkosi razumijevanju. Dopustite mi da vam dam primjer. Raketa Falcon 9 može podići oko 22.800 kilograma u nisku orbitu Zemlje. To je otprilike isto kao i potpuno natovaren kamion s cementom - što je puno.
SpaceX Falcon 9 spreman za 14. siječnja 2017., lansiranje Return to Flight iz zračne baze Vandenberg u Kaliforniji noseći deset komsata Iridium NEXT u orbitu. Zasluga: SpaceX
Cijeli Falcon 9 s gorivom teži nešto više od 540.000 kg, od čega je više od 510.000 kg goriva, s malo dodatne mase za motore, spremnike goriva, itd. Zamislite da vozite automobil koji je u suštini bio 95% goriva.
Problem je specifičan impuls; maksimalnu količinu potiska koju može postići određena vrsta motora i vrsta goriva. Neću ulaziti u sve detalje, ali najučinkovitije kemijske rakete koje imamo, napajane tekućim vodikom i kisikom, jedva mogu isporučiti dovoljno potiska da vas odvedu u orbitu. Imaju maksimalni specifični impuls od oko 450 sekundi.
Budući da je količina goriva koja je potrebna za lansiranje rakete tako velika, moderne rakete koriste etažni sustav. Nakon što faza isprazni sve svoje gorivo, ona se odvaja i vraća na Zemlju kako bi druga faza mogla nastaviti ići bez potrebe da vučete dodatnu težinu praznih spremnika goriva.
Nakon odvajanja stupnja rakete Falcon 9, plamen je jedva vidljiv oko mlaznice jer se motor drugog stupnja pali, a prvi stupanj pada natrag na Zemlju ispod. Zasluga: SpaceX
Možda ćete se iznenaditi kada znate da su mnoge moderne rakete zapravo sposobne doći u orbitu s jednim stupnjem. Problem je u tome što ne bi mogli nositi nikakav značajniji teret.
Na kraju krajeva, s obzirom na kemijske rakete koje danas imamo, profil s više stupnjeva je najučinkovitija i najisplativija strategija za prijenos najvećeg tereta u svemir uz najniže moguće troškove.
Je li netko pokušao razviti SSTO u prošlosti? Definitivno. Vjerojatno najšire publiciran bio je NASA-in program X-33/VentureStar, koji je razvio Lockheed Martin 1990-ih.
Predložena letjelica X-33. Zasluge: NASA
Svrha X-33 bila je testirati niz novih tehnologija za NASA-u, uključujući kompozitne spremnike goriva, autonomni let i novi dizajn podiznog tijela.
Kako bi to uspjeli, razvili su novu vrstu raketnog motora pod nazivom 'aerospike'. Za razliku od običnog raketnog motora koji daje fiksnu količinu potiska, aerospike bi se mogao prigušiti kao mlazni motor, koristeći manje goriva na nižim visinama, gdje je atmosfera najgušća.
Test dvostrukih Linear Aerospike XRS-2200 motora, izvorno napravljenih za program X-33, obavljen je 6. kolovoza 2001. u NASA-inom svemirskom centru Sternis, Mississippi. Motori su palili planiranih 90 sekundi i postigli su planiranu maksimalnu snagu od 85 posto. Zasluge: NASA-in centar za svemirske letove Marshall
Lockheed Martin je radio na prototipu veličine 1/3, ali su se borili s mnogim novim tehnologijama. Na kraju, njihov neuspjeh u izradi kompozitnog spremnika za gorivo koji bi mogao sadržavati tekući kisik i vodik prisilio ih je da odustanu od projekta.
Čak i kad bi uspjeli pokrenuti tehnologiju, tako da je X-33 bio u potpunosti za ponovnu upotrebu, njegova sposobnost nošenja tereta bila bi dramatično niža od tradicionalne višestupanjske rakete.
Kako bismo stvarno ostvarili san o jednostupanjski u orbiti, moramo se odmaknuti od kemijskih raketa i prijeći na tip motora koji može učinkovitije isporučiti potisak.
Znamo da mlaznice rade učinkovitije od raketa, jer trebaju nositi samo gorivo. Oni uvlače kisik iz atmosfere, kako bi spalili gorivo. Dakle, jedna intrigantna ideja je napraviti raketu koja se ponaša kao mlazni motor dok je u atmosferi, a zatim se ponaša kao raketa kada je vani u svemiru.
A to je plan s britanskom raketom Skylon. Uzletio bi s obične uzletno-sletne staze, ubrzao do oko 6600 km/h do visine od 26 kilometara. Cijelo to vrijeme njegov motor SABRE crpio bi kisik iz atmosfere, kombinirajući ga s vodikovim gorivom.
Umjetnička koncepcija svemirske letjelice Skylon tvrtke Reaction Engines. Zasluge: Reakcioni motori
Od ove točke, prešao bi na unutarnji spremnik s tekućim kisikom kako bi osigurao oksidator i završio let u orbitu. Cijelo vrijeme koristeći isti fleksibilni SABRE motor. Jednom u orbiti, oslobodio bi svoj teret od 15 tona, a zatim bi se vratio na Zemlju, slijetajući na pistu kao što je to učinio orbiter space shuttlea. To je stvarno kreativna ideja.
Nažalost, razvoj Skylona je dugo trajao, sa smanjenim proračunima koji su ograničavali količinu testova koje su mogli napraviti. Ako sve bude u redu, prvi prototip mogao bi poletjeti u roku od nekoliko godina, stoga pratite ovu priču.
Još jedna ideja koja je bila testirana je ideja nuklearne rakete. Za razliku od kemijske rakete, koja sagorijeva gorivo i izbacuje ga s leđa radi potiska, nuklearna raketa bi nosila reaktor na brodu. Zagrijao bi neku vrstu radnog goriva, poput tekućeg vodika, a zatim ga izbacio straga radi pogona.
Ključni elementi NERVA nuklearno-toplinskog motora s čvrstom jezgrom. Zasluge: NASA
NASA je prije nekoliko desetljeća provela neke testove s nuklearnom termalnom raketom zvanom NERVA i otkrila da mogu izdržati visoke razine potiska kroz vrlo dugo vremensko razdoblje. Njihov je konačni prototip pružao kontinuirani potisak više od 2 sata, uključujući 28 minuta pri punoj snazi.
NASA je izračunala da bi raketa na nuklearni pogon bila otprilike dvostruko učinkovitija od tradicionalne kemijske rakete. Imao bi specifičan impuls duži od 950 sekundi. Ali let nuklearnom raketom u svemir ima značajnu lošu stranu. Rakete eksplodiraju. Loše je kada eksplodira kemijska raketa, ali ako bi nuklearni reaktor detonirao dok se probijao kroz atmosferu, padao bi radioaktivni otpad. Za sada se to smatra prevelikim rizikom; međutim, buduće međuplanetarne misije mogu vrlo dobro koristiti nuklearne rakete.
Postoji još jedan egzotični sustav goriva koji je stvarno uzbudljiv - metalni vodik. Ovaj čvrsti oblik prirodno se pojavljuje u srcu Jupitera, pod nevjerojatnim pritiskom gravitacije planeta. No, ranije ove godine, istraživači s Harvarda konačno su ih stvorili u laboratoriju. Koristili su sićušni škripac kako bi istisnuli atome vodika s većom snagom od pritiska u središtu Zemlje.
Mikroskopske slike faza u stvaranju atomskog molekularnog vodika: Transparentni molekularni vodik (lijevo) na oko 200 GPa, koji se pretvara u crni molekularni vodik, i konačno reflektirajući atomski metalni vodik na 495 GPa. Zasluge: Isaac Silvera
Bila je potrebna ogromna količina energije da se vodik tako čvrsto stisne, ali u teoriji, kada se jednom izradi, trebao bi biti relativno stabilan. A evo najboljeg dijela. Kad ga zapalite, tu energiju dobivate natrag.
Kada bi se koristio kao raketno gorivo, dao bi specifičan impuls od 1700 sekundi. Usporedite to sa samo 450 kemijskih raketa. Raketa pokretana metalnim vodikom lako bi došla u orbitu s jednim stupnjem i učinkovito putovala do drugih planeta.
Jednostupanjske rakete u orbitu bile bi sjajne. Znanstvena fantastika je to prorekla. Ipak, na kraju dana, ono što u orbitu dobije najveću količinu tereta za najnižu cijenu je najzanimljiviji raketni sustav. A upravo sada, to su inscenirane rakete.
Međutim, veći problem može biti pouzdanost i ponovna upotreba. Ako možete dobiti jedno vozilo koje uzlijeće, putuje u orbitu i zatim se vraća na svoju lansirnu platformu, ne možete dobiti ništa jednostavnije od toga. Nema raketa za ponovno slaganje, nema teglenica za navigaciju. Jednostavno uvijek iznova koristite i ponovno koristite isti sustav, a to je stvarno uzbudljiva ideja.
U ovom trenutku, višekratne rakete kao što je SpaceX imaju prednost, ali ako i kada Skylon počne letjeti, mislim da ćemo imati ozbiljnu konkurenciju.
Kada svladamo metalni vodik, letovi u svemir će izgledati vrlo različito. Znanstvena stvarnost gotovo će odgovarati znanstvenoj fantastici, a ja ću konačno moći letjeti svojim osobnim Millenium Falconom.
Podcast (audio): preuzimanje datoteka (Trajanje: 11:30 — 4,0 MB)
Pretplatite se: Apple podcasti | RSS
Podcast (video): preuzimanje datoteka (Trajanje: 11:33 — 150,7 MB)
Pretplatite se: Apple podcasti | RSS
