Nie ma czym lecieć do gwiazd

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. Trzeba by transportować wielotonowe agregaty i osadzać je precyzyjnie na powierzchni Marsa; a dzisiaj wysyłane próbniki są o wiele lżejsze. Oczywiście wszystko to musiałoby odbywać się automatycznie, bo astronauci lecieliby dopiero w trzecim rzucie. Jeśli coś by zawiodło - a z tym przy takich odległościach należy się liczyć - po wylądowaniu na Marsie zastaliby puste zbiorniki.

W planowaniu wyprawy na Marsa kluczowe wydają się dwa czynniki. Po pierwsze, czy człowiek jest w stanie wytrzymać podróż tam i z powrotem po dziewięć miesięcy nieważkości (w sumie 18), bo na Marsie, nawet przy tamtejszej grawitacji, trzykrotnie mniejszej od ziemskiej, jakoś się uda przetrwać. Niedoceniane wydają mi się problemy psychiczne: jak członkowie załogi się pokłócą, to nie będzie jak wrócić. Po drugie: trzeba mieć rakietę zdolną do pokonania dystansu Ziemia - Mars, i z powrotem. Z uwagi na jej wielkość należałoby ją montować na orbicie ziemskiej. Przedsięwzięcie tego kalibru jest możliwe do zrealizowania już teraz, ale przy zaangażowaniu całego świata. Żaden kraj w pojedynkę tego nie udźwignie ani finansowo, ani technicznie.

Mówi się o kosztach rzędu 800 mld dolarów.

- Właśnie. Do Marsa można dolecieć rakietą na paliwo chemiczne, ale należałoby się zastanowić, czy nie lepiej wykorzystać do tego celu silniki nuklearne. Zbudowano je i wypróbowano w latach 70. ubiegłego wieku, oczywiście nie w kosmosie, tylko na powierzchni Ziemi. NERVA, bo tak się nazywały, miały dwukrotnie lepsze osiągi od silników chemicznych, gazy wylotowe osiągały prędkość rzędu 9 km/s. Technicznie sprowadzałoby się to do wytransportowania na orbitę wodoru z Ziemi albo z Księżyca; zależnie od tego, co by się bardziej opłacało. Wodór księżycowy oczywiście pochodziłby z tamtejszych złóż lodu. Reaktor nuklearny stałofazowy podgrzewałby ten wodór do 1500 K, a reaktor w formie złoża fluidalnego nawet do 2000-2500 K. Rozprężając ten rozgrzany wodór w dyszach, uzyskujemy dużą siłę ciągu.

Ostatnio sporo się mówi o silnikach jonowych. Może one zawiozłyby naszą załogę na Marsa?

- Silniki jonowe wzięły nazwę od tego, że jonizujemy argon (lub inny czynnik), przyśpieszamy go w polu elektrycznym oraz dejonizujemy na wylocie z silnika - w ten sposób otrzymujemy prędkości wylotowe rzędu 30-50 km/s. Zaletą takiego napędu jest duży impuls, to znaczy, że do zmian manewrowych są wymagane małe ilości czynnika napędowego. Za to mamy dwie poważne wady: bardzo mały ciąg, rzędu niutonów, oraz duże zapotrzebowanie na energię elektryczną - a wszak w kosmosie elektrowni nie ma. Silniki te mogą być stosowane w kosmosie i były wykorzystywane w misjach automatycznych, jednak przy realizacji załogowych wypraw na Marsa będą nieprzydatne.

Teoretycznie można by jeszcze rozpatrywać silnik Vasimir, który pracuje na Ziemi od paru lat, impulsy i ciągi ma dotąd najlepsze, ale wymaga dużego źródła energii elektrycznej. Z baterii słonecznych tyle prądu się nie wyciągnie. Przy zastosowaniu go w kosmosie trzeba by mu domontować elektrownię jądrową - a wiadomo, że sprawność takiej elektrowni to jakieś 40 proc. Czyli że 60 proc. ciepła z takiego reaktora należałoby się pozbyć przez olbrzymie radiatory. To wyklucza dzisiaj zastosowanie Vasimira w kosmosie. NERVA zamienia na napęd całość odebranej z reaktora energii i przy okazji go schładza, więc korzyść jest tu podwójna.

A może to turyści otworzą drogę w kosmos? Jak dobrze pójdzie, pojazdy SpaceShip 1 i 2 Burta Rutena dadzą początek małym i tanim samolotom kosmicznym, wywożącym turystów na orbitę. Cena za bilet spadnie z dzisiejszych 30 mln dolarów do 200-300 tys. Będzie to nadal przyjemność dla bogatych, ale klientela ulegnie znacznemu poszerzeniu.

- SpaceShip 1 i 2 to nie są jeszcze orbitery, lecz pojazdy suborbitalne, wznoszące się nieco powyżej 100 km, w których nieważkość trwa około pięciu minut. Cały lot, łącznie z dolotem samolotu matki (transportującym statek SpaceShip 2), trwa dwie godziny, z czego lot w kosmos zajmuje najwyżej kwadrans. Ale niewątpliwie turystyka kosmiczna jest kierunkiem rozwojowym. Rosjanie też budują takie pojazdy, podobnie jak Europa, z tym, że Amerykanie będą pierwsi, bo są najbardziej zaawansowani.

Jeżeli uda się stworzenie podobnych pojazdów orbitalnych i zrutynizowanie całej procedury, to oczywiście koszty wyprawienia jednego turysty na orbitę spadną, ale nie aż tak znacznie, bo tylko o rząd wielkości - prawdopodobnie do kilku milionów dolarów. Wiąże się to z prędkościami, które trzeba rozwinąć: lot suborbitalny wymaga prędkości rzędu 1 km/s, orbitalny aż 7,8 km/s. Oczywiście w miarę rozkręcania tego interesu cena za bilet będzie malała. Loty samolotem też kiedyś były bardzo drogie, a dziś w zasadzie każdy może sobie na nie pozwolić.

Jeżeli dobrze rozumiem, nie umiemy dziś wycisnąć z materii takich paliw i takich napędów, które by gwarantowały swobodne przemieszczanie się po kosmosie na te olbrzymie odległości, które są do pokonania.

- Dostałem niedawno z Niemiec pracę doktorską, w której autor rozpracowuje wykorzystanie antymaterii do napędzania silników rakietowych. Równie dobrze możemy rozważać wykorzystanie do tych celów energii termojądrowej. Bo to są wciąż tylko rozważania teoretyczne, a wprowadzenie takich napędów trudno umiejscowić nawet w dalekiej przyszłości. W latach 60. ubiegłego wieku rozpatrywano projekt Orion, mający wykorzystywać do napędu kosmicznego mikrowybuchy jądrowe, ale dziś o takich rozwiązaniach nawet się nie mówi - nikt rozsądny nie chciałby ich proponować.

Jak tu zbudować napędy fotonowe, kiedy antymaterię trudno w ogóle wytworzyć, a jeszcze trudniej (jest to praktycznie niemożliwe) ją przechowywać. Niezłe byłyby napędy rodnikowe, czyli coś o pośrednich osiągach między napędem chemicznym a jądrowym? Jeślibyśmy na przykład potrafili przechowywać wodór atomowy, lot na Marsa byłby zupełnie łatwy do zrealizowania, bo reakcja rekombinacji dwóch atomów wodoru jest najbardziej energetyczną reakcją chemiczną. Ale tego nie potrafimy.

A czy można się spodziewać jakiegoś przełomu?

- Ja go nie wykluczam, bo przykładów nie brakuje. Nieraz przecież ogłaszano takie "niemożności", np. lotu obiektów cięższych od powietrza, a teraz się z tego śmiejemy. Dzisiejsze rozumienie fizyki pewne rzeczy wyklucza, ale dzięki nowym odkryciom ten stan rzeczy może się zmienić. Na przykład teoria względności sprawdza się w ponad dziewięćdziesięciu paru procentach - może założenie o stałej prędkości światła jest niewystarczające? Również grawitację umiemy świetnie opisywać, ale de facto mechanizmu oddziaływania grawitacyjnego, tego co nim naprawdę rządzi, nie rozumiemy. Gdybyśmy to opanowali, może ta wiedza pozwoliłaby skonstruować napęd grawitacyjny - ale to już raczej domena fantastyki naukowej.

Wyobraźmy sobie, że jutro otrzymamy wiadomość od astronomów: na kursie kolizyjnym z Ziemią znajduje się ciało o takich gabarytach i prędkości, że zderzenie z nim unicestwi ludzkość. Chcąc temu zapobiec, trzeba zmienić orbitę intruza. Czy cywilizacja dysponuje pojazdami i silnikami, aby tam dolecieć, póki nie będzie za późno?

- Zderzeniami planetoid z Ziemią zajmowałem się już w połowie lat 70., kiedy nikt jeszcze o tym nie pisał. Uważano mnie prawie za wariata, gdy sugerowałem, że wyginięcie dinozaurów 65 mln lat temu i inne podobne wyginięcia były związane z upadkiem planetoid.

Czyli wpadł Pan na to grubo przed Alvarezem?

- Alvarez to udowodnił, u mnie była to raczej hipoteza. W tej chwili przygotowuje się wiele systemów obrony Ziemi przed planetoidami. Jeżeli takie ciało wykryjemy na wiele lat przed domniemanym zderzeniem, to można tam wysłać atraktor grawitacyjny, czyli statek o masie paru ton, który będzie krążył wokół i sprawi, że orbita intruza nieznacznie się odchyli - a to już wystarczy, by do impaktu nie doszło. Można uderzyć w planetoidę ładunkiem nuklearnym tak dobranym, by nie rozwalić jej w kawałki, ale tylko zepchnąć ją z toru kolizyjnego. Do wykonania takiej czynności wystarczy parotonowy statek automatyczny, jeśli zagrożenie wykryjemy odpowiednio wcześnie.

W Wiedniu, podczas obrad Komitetu ds. Pokojowego Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej ONZ, na którego posiedzenia jeżdżę dwa razy do roku, dyskutuje się o potrzebie powołania międzynarodowej organizacji, która podejmie określone działania w takim przypadku. Co innego, gdybyśmy wykryli zagrożenie późno; wtedy pozostaje tylko doraźne uderzenie jądrowe, aby zniszczyć taką kometę czy planetoidę jeszcze przed jej zderzeniem z Ziemią. Istnieje wtedy zagrożenie bombardowaniem Ziemi przez odłamki, ale lepsze to niż całkowita zagłada.

Podobno Pańscy studenci projektują wielkie pojazdy orbitalne. W budowie jest też mały satelita do testowania pomysłu usuwania śmieci z kosmosu. Czy nie jest to porywanie się z motyką na słońce? Przecież mocarstwem kosmicznym nigdy nie będziemy, chociażby z braku środków.

- Studenci z Politechniki Warszawskiej kończą obecnie budowę satelity PW-Sat, który znajdzie się na orbicie w tym roku jako pierwszy polski satelita. Polska oczywiście wysłała w kosmos wiele znacznie bardziej złożonych instrumentów naukowych (ponad 60), ale stanowiły one tylko część całego satelity czy próbnika kosmicznego. Dodatkowo studenci już uczestniczyli w misjach organizowanych przez ESA (Europejską Agencję Kosmiczną). W ramach prac dyplomowych projektują silniki rakietowe i rakiety kosmiczne.

To oczywiście tylko nauka, ale jestem głęboko przekonany, że gdy za parę lat będziemy członkiem ESA, kadry wykształcone w naszych uczelniach włączą się w europejskie programy kosmiczne. Czechy, choć to znacznie mniejszy kraj, już należą do ESA, ale tam zrozumiano wagę tego problemu. Dziś z naszej składki do UE na budowę europejskiego systemu kosmicznego Galileo i GMES płacimy około 125 mln euro rocznie, ale te nasze pieniądze nie są lokowane w Polsce, lecz w innych krajach UE. Czy zawsze musimy tylko płacić za możliwości korzystania z osiągnięć kosmicznych, a nie sami na tym zarabiać?

Podobno 25 proc. populacji świata zużywa 70 proc. jego zasobów. Oznacza to, że gdyby wszyscy chcieli żyć "po amerykańsku", niezbędne byłyby trzy planety wielkości Ziemi. Czy rozpatrywane w tym kontekście wyjście człowieka poza Ziemię nie stanie się wkrótce koniecznością?

- W najbliższym czasie chyba nie, ale po wyczerpaniu zasobów ziemskich po nowe będziemy zmuszeni wyruszyć w kosmos. O przyszłości należy myśleć już dziś. Kopernik, Heweliusz, Siemienowicz i inni Polacy byli pionierami w pogłębianiu wiedzy o kosmosie i w rozwoju technik rakietowych. Nie możemy wiecznie żyć wspomnieniami, pomyślmy o przyszłości!

Dziękuję za rozmowę.