Wiedza i Życie 07/2019
W numerze m.in.:
Medycyna
RNA przyszłością medycyny; Marcin Powęska

Technika
Nowy przepis na rakietę; Marek Matacz

Geografia
Raj włóczykijów; Andrzej Hołdys

Nietypowe zawody
Podwodne ekstremalne etaty; Maciej Bachorski

Internet
Sieć na pięć gwiazdek; Jakub Chabik  
Dlaczego coś truje? Jak ocenić toksyczność substancji? Która z nich jest najgorsza? Czy samozapłon człowieka to prawda? W 2006 r. media całego świata zamieszczały doniesienia o Aleksandrze Litwinience, który umierał w męczarniach, otruty polonem.
W czasach, kiedy Google Earth pokazuje zdjęcia większości powierzchni Ziemi, a nawet kawałek Marsa, zobaczenie odległych krain przestaje być najważniejszym powodem podróżowania.
Dzięki internetowi tworzenie sztucznych języków jeszcze nigdy nie było tak popularne. Dla lingwistów valyriański, mandaloriański, quenya czy khuzdûl to wyzwanie, dla zapaleńców – sztuka. Fanom SF nie trzeba przedstawiać serialu „Star Trek”. To jedna z najbardziej kasowych produkcji w historii kina i telewizji.
Aktualne numery
09/2019
08/2019
Kalendarium
Wrzesień
15
W 1682 r. pojawiła się Kometa Halleya. Edmund Halley odkrył jej periodyczność i przewidział powrót w 1758 roku.
Warto przeczytać
Dlaczego pobudka budzikiem szkodzi? Jak tańczą cząsteczki w porannej kawie? Czy smażąc jajecznicę na śniadanie, wzbogacamy ją o fluor? Tyle pytań, a jeszcze nawet nie wyszliśmy z domu!

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Marek Oramus | dodano: 2012-07-04
Nie ma czym lecieć do gwiazd

 

Prof. dr hab. inż. Piotr Wolański (fot. Marek Oramus)

W lipcu zeszłego roku obchodziliśmy 40-lecie lądowania człowieka na Księżycu. Wydawało się wtedy, że kosmos naprawdę stanął przed ludzkością otworem, ale w grudniu 1972 już było po herbacie: Amerykanie odwiedzili Księżyc po raz ostatni. Ku rozczarowaniu entuzjastów, którzy oczami wyobraźni widzieli już wyprawę na Marsa, astronautyka załogowa jakby stanęła w miejscu.

Przede wszystkim skończyło się paliwo polityczne. Wyścig na Księżyc miał oczywiście cele naukowe, ale był też spektakularnym wyczynem, którym obydwa ówczesne mocarstwa chciały się szczycić ze względów propagandowych. Kiedy więc jedno z nich wygrało, ustała rywalizacja i nagle okazało się, że statki Apollo za dużo kosztują, zaczęto więc zmniejszać liczbę zaplanowanych lotów i redukować ich program. Cel propagandowy został osiągnięty i Księżyc przestał polityków interesować.

Czy jednak da się wszystko zrzucić na politykę? Mam wrażenie, że przy ówczesnej "rowerowej" technice osiągnięto maksimum tego, co w astronautyce można było osiągnąć. I od tego czasu w technice rakietowej nie nastąpił żaden znaczący postęp.

Owa technika nie była taka rowerowa, jak się wydaje. Zmodyfikowane Sojuzy latają do dziś dnia, dostarczając ludzi i sprzęt do stacji kosmicznej. W wersji zmodernizowanej są też podstawą chińskiego programu kosmicznego. Budowane obecnie do lotów księżycowych statki Orion też są "większymi" kabinami Apollo z nowoczesną elektroniką. Jeśli chodzi o rakiety, to pewien postęp jednak się dokonał: są lepsze osiągi, większa niezawodność. Rozwój elektroniki zmienił całkowicie układy kontroli lotu. W Saturnie V układy sterowania ważyły 2,5 t - teraz w ich miejsce wprowadzono żyroskopy laserowe oraz superszybkie i lekkie komputery, które ważą prawie tyle co nic. Ale na masie rakiet niewiele się to odbiło - i tak najwięcej ważą pompy, silniki, układy zasilania i zbiorniki.

Silniki rakietowe są znane od XIII wieku, kiedy to Chińczycy odpalali rakiety na proch czarny. Później, w XVII wieku, w technice rakietowej zasłużył się nasz Kazimierz Siemienowicz, który wprowadził do rakiet stabilizatory, zaproponował rakiety wielostopniowe, a także łączył rakiety w wiązki w celu zwiększenia ich ciągu. I w tej dziedzinie zasłużyli się nasi uczeni: Ignacy Łukasiewicz pierwszy otrzymał naftę z ropy naftowej, a Wróblewski z Olszewskim skroplili tlen. Nafta i ciekły tlen są podstawowymi środkami napędowymi rakiet kosmicznych. Dziś najlepszy napęd to paliwo wodorowo-tlenowe, choć powoli dochodzimy do kresu możliwości napędów chemicznych. Można je jeszcze trochę poprawić, zwiększyć nieco wydajność, obniżyć koszty - ale skoku jakościowego trudno się spodziewać. Ciągi w zakresie od 4500 do 4800 N/kg/s, które są liczbowo równoważne prędkościom wylotowym z dysz silników, wydają się dziś szczytem tego, co można osiągnąć.

Może trzeba szukać innych paliw?

Nie bardzo wiadomo, z czym by można wiązać nadzieje. Oczywiście widać pewne prawidłowości, np. im lżejszy gaz w silniku, tym lepiej. Najlepiej, gdyby to był wodór rodnikowy, którego jednak ze względu na niemożność stabilnego przechowywania nie da się wykorzystać. Dziś najlepsze efekty daje spalanie wodoru przy niedomiarze tlenu. Stosuje się też naftę z ciekłym tlenem, hydrazynę N2H4 oraz N2O4. Te ostatnie mają jedną wadę: są żrące, trujące, stosowanie ich wymaga użycia specjalnych materiałów na zbiorniki, na zawory itp. Teraz prace idą w kierunku otrzymania materiałów pędnych przyjaznych dla środowiska - ekolodzy trafili nawet do astronautyki. Chodzi oczywiście o to, co na Ziemi, bo w kosmosie jest wszystko jedno...

Ostatnio Amerykanie dokonali udanej próby nowej rakiety Ares I z makietą stopnia drugiego, którego jeszcze nie zbudowano. Ma to być podstawowa rakieta nośna na potrzeby programu marsjańskiego, odpowiednik słynnego Saturna V. Dlaczego szło to jak po grudzie i trwało tak długo?

Ares I wykorzystuje silniki na paliwo stałe. Są one tańsze, ale mają gorsze osiągi. Dlatego stosuje się je jako bustery, czyli rakiety pomocnicze. W tych silnikach bardzo niekorzystnym zjawiskiem jest spalanie rezonansowe. Aby astronauci nie ucierpieli od wstrząsów, między stopniami Aresa I zbudowano nawet ważący około 2 t układ tłumiący drgania.

Ale pojawiają się też rozwiązania konkurencyjne. Firma Space-X zamierza zbudować bardzo tanie rakiety Falcon, a dodatkowo zmodyfikować procedury towarzyszące wystrzeliwaniu. Do tej pory rakiety stały na wyrzutni po kilka miesięcy. Prowadzono tam niezliczone próby, naprawiano różne rzeczy, które odmawiały posłuszeństwa, i wreszcie kiedy wszystko grało, dawano sygnał do startu. To tak, jakby montować samolot na pasie startowym. Zatem będzie się dążyć do tego, by rakiety jak najkrócej przebywały na wyrzutni. Tak robią to Rosjanie: wytaczają rakietę, która nawet po półtorej godzinie jest gotowa do startu. Amerykanie chcą skrócić tę procedurę do godziny.

Falcon 9 ma mieć udźwig około 10 t, do tego chcą zbudować statek załogowy i zaproponować NASA, aby ten właśnie statek poleciał początkowo do stacji kosmicznej Alfa, potem na Księżyc, a w końcu być może na Marsa. Na razie nic nie wydaje się przesądzone. Odbyły się już próby statyczne pierwszego stopnia, w tym roku ma dojść do lotu z makietą kabiny. Jak pójdą na emeryturę promy, to może zastąpią je właśnie Falcony, bo wtedy ani NASA, ani ESA nie będą miały możliwości wysyłania ludzi w kosmos za pomocą własnych rakiet, zachowają ją natomiast Rosjanie i Chińczycy.

Ale Rosjanie podobno latają na zmodyfikowanych rakietach starej konstrukcji. Czy Amerykanie nie mogą wrócić do Saturna V?

Wolą inwestować w nową generację. Z Saturna V wykorzystują silniki J2: w Aresie I jeden, a w Aresie V ma ich być pięć. Z kolei silniki SSME (z promów) należą do najdroższych, bo są wielokrotnego użytku. Taki prom przy starcie ma masę ponad 2000 t, orbiter (samolot kosmiczny powracający na Ziemię) około 100 t, a ładunek użyteczny wynoszony na orbitę Ziemi tylko około 20 t. Przeciążenia dochodzą do 3 g przy starcie i w locie, a zaledwie do 1,5 g przy powrocie - ale i tak astronauci wracają bardzo wymęczeni. Degradacja biologiczna w nieważkości postępuje niezwykle szybko.

W związku z tymi powrotami do przeszłości i emeryturą promów amerykańskich: czy nie można sięgnąć po rosyjskiego Burana? Dlaczego Buran po jednym zaledwie locie został odstawiony do muzeum?

Z powodu braku pieniędzy. Buran był nawet lepszy od promów amerykańskich. Rosjanie zastosowali konstrukcję, w której nie było silników na pokładzie promu, tylko w rakiecie. Do dziś dnia promy amerykańskie nie wykonały lotu bezzałogowego, tak jak Buran. Amerykanie stosowali silniki wielokrotnego użytku SSME, a koszt przeglądu takiego silnika to około 2 mln dolarów. Koncepcja rakiet nieodzyskiwalnych wydaje się lepsza, dziś się do tego wraca. Gdy Amerykanie to planowali, liczyli, że koszty zmaleją dziesięć razy, ale tak się nie stało. Koszty nawet wzrosły i w rezultacie jeden lot promu kosztuje dziś kilkaset milionów dolarów. Z powodu braku środków Rosjanie nie mogli sobie pozwolić nawet na tańsze w eksploatacji rakiety nieodzyskiwalne - były i tak za drogie na owe czasy.

Wróćmy do lotu na Marsa. Według koncepcji byłego inżyniera NASA Roberta Zubrina najpierw należy wysłać tam statek z wodorem. Po wylądowaniu wodór ten w połączeniu z CO2 z marsjańskiej atmosfery da metan i wodę. Z metanu robimy paliwo, wodę rozkładamy elektrolizą na wodór i tlen - w ten sposób dzięki surowcom miejscowym mamy zapewniony powrót i powietrze do oddychania. Co Pan o tym myśli?

Na papierze wygląda to nieźle, zapowiada duże oszczędności na transporcie, ale prawdopodobieństwo niepowodzenia jest stosunkowo duże.