Czym sięgniemy innych planet – czyli o przewadze Star Treka nad Gwiezdnymi Wojnami

Układając tytuł tego artykułu praktycznie wprowadziłem w życie powiedzenie „wsadzić kij w mrowisko”. Od razu powiem, że jestem fanem obydwu serii i tytuł miał po prostu sprowokować do otwarcia całości tekstu (przepraszam za przebiegłość). Jest jednak jeszcze jedna sprawa, która tłumaczy moje odważne posunięcie. George Lucas jak i Gene Roddenberry zbudowali wizję człowieka eksplorującego kosmos. Naturalną koleją rzeczy była konieczność poradzenia sobie ze sposobem w jaki ten człowiek będzie się przez przestrzeń kosmiczną poruszał.

Jest to także problem dotyczący w chwili obecnej nas jako cywilizacji, która opanowała manewry orbitalne i wylądowała na swoim naturalnym satelicie. Od 10 lat non-stop człowiek nieprzerwanie jest obecny na orbicie a od jakiegoś czasu mają tam nawet internet. Kolejne punkty są położone znacznie dalej i stosowany do tej pory napęd chemiczny to po prostu za mało. Z wielu możliwości wybrałem dwie szczególnie warte omówienia bo za sprawą wspomnianych filmów są przynajmniej ze słyszenia znane. Ciekawostką jest fakt, że jeden z nich faktycznie jest już w użyciu jednak jego cechy są trochę inne, niż pokazane w filmie a drugi pomimo, że teoretycznie jest bardziej wydajny to cały czas poza naszymi możliwościami technicznymi.

Zgodnie z definicją fanowskiego serwisu poświęconego uniwersum Gwiezdnych Wojen podstawą napędu statków jest Silnik jonowy opisany w następujący sposób: „system napędowy niemal każdego statku kosmicznego galaktyce. Stanowił podstawowy element napędu podświetlnego, który odpowiedzialny był za standardowe podróże kosmiczne (przypis 1)”. Gdy mamy zatem początkową bitwę na orbicie planety w Epizodzie 3 to myśliwce lawirując pomiędzy dużymi niszczycielami kosmicznymi używają właśnie napędu jonowego. Brzmi dobrze, ale jak wygląda praktyka? Ta sama scena, tylko tym razem zastosujemy prawdziwy silnik jonowy. Obi-wan Kenobi w swoim myśliwcu zauważa statek nieprzyjaciela. Włącza swój silnik jonowy na 100% i…. następnego dnia znajduje się metr dalej. Po tygodniu jego myśliwiec pokonał kilkanaście metrów. Obi-wan ma prawo być zniecierpliwiony jednak jest też dobra wiadomość, paliwa starczy mu na jakieś 3 lata nieustannego lotu. Z resztą floty też nie jest dobrze. Siła nacisku jaki wywiera kartka papieru na podłoże na którym leży stanowi maksimum przyspieszenia wielkich niszczycieli Imperium. Zapytacie się co zrobiłem z fabułą filmu robiąc tak niedorzeczne zmiany w konstrukcji statków. Nic oprócz tego, że silniki jonowe są faktycznie budowane i stosuje się je w pojazdach kosmicznych. Po prostu włożyłem im realnie istniejący napęd. Co się stało w związku z tym? Żeby tego się dowiedzieć musimy przyjrzeć się zasadzie działania takiego silnika (przypis 2).

Atrakcyjna nazwa tej konstrukcji wiąże się z tym, że czynnikiem roboczym są jony (w standardowych rakietach są to gazy będące wynikiem spalania paliwa chemicznego). Jony uzyskane z atomów ksenonu lub rtęci są rozpędzane w polu elektrycznym silnika sondy i wyrzucane z niego z wielką prędkością. Siła odrzutu pcha sondę w przeciwną stronę. Niewielki zapas paliwa wystarcza, by silnik działał kilka a nawet kilkadziesiąt lat. Jest to najbardziej wydajny silnik stosowany w pojazdach kosmicznych o skuteczności 10 krotnie większej niż wspomniany silnik chemiczny. Dlaczego zatem Obi-wan zanudził się w swoim myśliwcu a nigdzie jeszcze nie doleciał?

W prawdzie prędkość wyrzucanych jonów daje dużą siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy emitowanych substancji to ze względu ma małą masę atomów masa wydalonego czynnika roboczego jest mała i co za tym idzie całkowita siła ciągu rakiety nie jest duża. Statek wyposażony w taki silnik porusza się początkowo bardzo powoli (kilka milimetrów na sekundę), więc nie może być wykorzystywany, gdy potrzebne jest gwałtowne przyspieszenie. Jego siła polega na tym, że gdy robi to długo i bez przerwy może osiągać znaczne prędkości przy niedużym zużyciu paliwa. Jak wspomniałem silniki jonowe zostały użyte w rzeczywistości: „wykorzystano do napędu wystrzelonej w 1998 sondyDeep Space 1 lecącej w kierunku komety Borrely’ego. Napęd, zaprojektowany tak, aby pracował przez 200 godzin, w praktyce działał ponad 50 razy dłużej. Silnik Halla z kolei był wykorzystany w sondzie SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej. Silniki jonowe służą obecnie jako główny napęd japońskiej sondy Hayabusa i amerykańskiej Dawn.

Silnik tego typu posłużył, między innymi, do uratowania misji satelity Artemis, który 13 lipca 2001 został przez rakietę Ariane 5 umieszczony na niewłaściwej orbicie. Pierwsze manewry zmiany orbity wykonano klasycznym napędem chemicznym, ze względu na konieczność szybkiego opuszczenia pasów radiacyjnych Van Allena. Zużyto na to 95% paliwa chemicznego. Ostatnie 5 tysięcy kilometrów satelita pokonał używając napędu jonowego. Pod koniec stycznia 2003 Artemis osiągnął docelową orbitę geostacjonarną.” (przypis 2)

Jak widać powyżej trochę namieszałem bohaterom sagi Lucasa. Teraz zgodnie z treścią tytułu zobaczmy jak to wygląda w świecie Star Trek. Tam do napędu statków używany jest silnik Impulsowy (dla prędkości klasycznych). Ze stron fanowskich wygląda to na podrasowaną wersję również istniejącej konstrukcji mianowicie impulsowego silnika plazmowego (przypis 3). Prototypowy istniejący obecnie silnik VASMIR ma mieć możliwość osiągnięcia impulsów właściwych w zakresie od 10.000-300.000 m/s, gdzie dolna granica jest równa wydajności klasycznego silnika jonowego omówionego wyżej, więc widzimy tu znaczny przyrost mocy. Docelowo miał być umieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej już w tym roku. Trzeba jednak pamiętać, że silnik plazmowy jest odmianą silnika jonowego a nie alternatywnym rozwiązaniem. Szczegóły budowy pominę odsyłając do już opracowanych tekstów (przypis 4). W mediach podaje się optymistycznie, że czas lotu na Marsa za pomocą pełnowymiarowego silnika plazmowego zająłby 39 dni (przypis 5), więc są to już terminy akceptowalne dla statków załogowych. (Żeby być dokładniejszym to według osób odpowiadających za fizykę w uniwersum Start Trek wysoka wydajność tych silników jest połączona z fikcyjnym polem, który zmniejsza masę statku. Ten fakt przytaczam tylko dla porządku, gdyż nie ma znaczenia dla ogólnego zamysłu artykułu.)

Jak więc widzimy pomysły filmów fantastyczno-naukowych nie są całkowicie fantastyczne. Nad silnikami jonowymi prace trwają od lat 60tych a wspomniany plazmowy silnik impulsowy VASMIR jest już gotowy. Opracowane wyżej napędy pozwoliłyby podróżowanie człowiekowi po naszym układzie słonecznym w rozsądnych okresach czasowych. Zupełnie inną kwestią jest opanowanie fizyki podróży międzygwiezdnych, ale to temat na zupełnie oddzielny artykuł, gdyż dotyczy fizyki teoretycznej i rozwiązań hipotetycznych a do tego wymagane będzie parę dodatkowych wymiarów. W obydwu filmach również nieco odmiennie poradzono sobie z tą kwestią.

Zdaję sobie sprawe, że również rozważana jest konstrukcja silnika nuklearnego, którego omówienia się tutaj nie podjąłem.

Źródła:

przypis 1: http://ossus.pl/biblioteka/Silnik_jonowy

przypis 2: http://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_jonowy

przypis 3: http://en.memory-alpha.org/wiki/Impulse_drive

przypis 4: http://pl.wikipedia.org/wiki/VASIMR

przypis 5: http://gadzetomania.pl/2009/10/08/rakieta-plazmowa-z-ziemi-na-marsa-w-39-dni-wideo

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s