Čekajući da budućnost počne
 |
| Jonski motor na letelici "Dawn" |
Kada su se Amerikanci krajem šezdesetih godina prošlog veka uspešno spustili na Mesec i taj podvig ponovili nekoliko puta, izgledalo je da nećemo dugo čekati na neku još ambiciozniju avanturu. Taj optimizam delili su ne samo obični ljudi već i zvaničnici NASA. Među njima prednjačio je Verner fon Braun, genijalni konstruktor nosača “Saturn V”, koji je verovao da razvoj novih raketnih sistema neće stati i da je let ljudi na Mars i druge udaljene objekte u Sunčevom sistemu sledeći logičan korak. Međutim, to vreme ushićenja i razbarušenog optimizma u kome su se sadašnjost, budućnost, realnost i mašta neodvojivo preplitali, vrlo brzo je prošlo.
Pola veka kasnije, mi još uvek čekamo da budućnost počne. Jedni bi rekli da je uzrok tome u nedostatku dobre volje kod američkih političara koji su nasledili projekat “Apolo”. Reklo bi se da u tome ima neke istine: Ričard Nikson nikad nije imao Kenedijevu viziju koja je bila duboko utkana u američki kosmički program. Okupiran ratom u Vijetnamu i aferom “Votergejt” koja će mu na kraju doći glave, Nikson nije imao ni vremena ni volje da se bavi skupim projektima koji donose političku korist samo na duge staze. “Saturn V” je prizemljen početkom 1973. godine, a poslednji izrađeni primerci su razmontirani i poslati u muzeje širom Amerike. Uslediće poluvekovni period u kome će se sve kosmničke sile ograničiti na letove astronauta u niskoj orbiti oko Zemljine kugle - dalje od toga ni “šatl” ni “Sojuz” nisu mogli da dobace.
 |
| Verner fon Braun ispred motora Saturna V |
Na prvi pogled, reklo bi se da Amerika danas nastavlja tamo gde je stala 1973. godine. Projekat “Artemis” čija je prva misija nedavno uspešno realizovana ima za cilj da ljude ponovo vrati na Mesec, da im tamo obezbedi trajno stanište i udari temelj za neke dalje, još ambicioznije letove. Ponovo se priča o letu na Mars, možda zahvaljujući i razbarušenim geniju biznismena kakav je Elon Mask čiji “Starship One”, najveća raketa ikada napravljena, treba da poleti tokom ove godine. I “Artemis” i “Starship One” svojom veličinom zasenjuju nakdašnji “Saturn V” pa su im i mogućnosti veće, bar na papiru. Ali, u stvarnosti, te veće mogučnosti teško da će doneti neki opipljivi napredak.
Jer, novi raketni nosači jesu veći i moćniji nego ikad, ali to ne znači da su i dovoljno efikasni za naredni kvalitativni skok u ljudskom istraživanju kosmosa. U pitanju su rakete koje i dalje koriste hemijski pogon za kretanje letelice. Kod hemijskog pogona, raketa sagoreva ogromnu količinu tečnog ili čvrstog goriva koristeći oksidator koji letelica takođe nosi sa sobom. Proizvodi sagorevenja izbacuju se velikom brzinom kroz mlaznike raketnih motora pri čemu letelica ostvaruje ubrzanje u suprotnom smeru od smera izbacivanja proizvoda sagorevanja. Da bi se generisala veća sila potiska, potrebno je ili da se poveća količina goriva koju raketa “prerađuje” u jedinici vremena ili da se poveća brzina kojom proizvodi sagorevanja napuštaju komoru za sagorevanje.
Oba faktora potiska imaju svoje tehničke granice - da biste ih značajnije povećali neophodno je da pravite sve veće i veće rakete a to je skopčano sa brojnim tehničkim izazovima. Zato ne čudi činjenica da su i “Starship One” i “Artemis” veći od “Saturna V” ali ta razlika, čak ni posle pedeset godina tehničkog napretka, nije spektakularna. U pitanju su letelice čija se veličina i snaga i dalje mogu porediti a razlike se mere procentima. To znači da se ni domet novih raketa ne razlikuju mnogo od dometa koji su imale “Apolo” letelice: Mesečeva orbita i ne mnogo dalje od toga.
Jer, kad stvari stavite na papir, videćete da su brojke prilično poražavajuće. Sa današnjim raketnim motorima na hemijski pogon let do Marsa u jednom pravcu trajao bi između 6 i 9 meseci (gornja granica je verovatnija). Dodajte na to da bi posada koja stigne na Mars na njemu morala da provede bar tri meseca čekajući da Mars i Zemlja ponovo dođu u povoljan međusobni položaj, zatim vreme potrebno za povratni let pa ćete videti da bi let na Mars i nazad trajao skoro dve godine u svojoj najskromnijoj varijanti. Za to vreme, letelica je potpuno “bespomoćna”, ograničena samo na sopstvene resurse, bez ikakve mogućnosti da se u slučaju nekog nepredviđenog događaja osloni na pomoć sa Zemlje. Dodajte na to i faktore rizika koje je nemoguće u potpunosti kontrolirasti (bolest nekog od članova posade, intenzivno kosmičko zračenje, psihološki problemi izazvani dugotrajnim boravkom u skučenom prostoru, kvalitet vazduha, vode i namirnica, neželjeni efekti mikro-gravitacije na ljudski organizam) pa ćete shvatiti da nam je, sa “Artemisom” ili bez njega, Mars skoro jednako daleko kao što je bio pre pedeset godina.
Prosto rečeno, sa dosadašnjim raketama koje koriste hemijski proces sagorevanja kao izvor potiska nećemo daleko stići. Potrebno nam je nešto revolucionarno novo, pogonski sistem koji će biti zasnovan na nekom naprednijem konceptu. O tom više u tekstu koji sledi.
Nuklearna fisija predstavlja jedno od mugućih rešenja. Iako ideja o korišćenju nuklearne energije na kosmičkim letelicama nije nova (vidi okvir), sada se po prvi put nagoveštava mogućnost slanja čitavog atomskog reaktora u kosmos koji treba da obezbedi energiju kako za pokretanje letelice tako i za dugotrajno snabdevanje energijom posade i opreme tokom dugotrajnih kosmičkih misija.
 |
| Nuklearni raketni motor, vizija "Rols Rojsa" |
Ovakvu ideju upravo je predstavio “Rols Rojs” koji u saradnji sa Britanskom kosmičkom agencijom radi na novom, revolucionarnom, konceptu propulzije koji bi mogao drastično da skrati vreme potrebno za let na Mars i obezbedi postojan izvor energije za sve potrebe. Fisija je, da se podsetimo, proces cepanja teških atoma (tipično uranijuma ili plutonijuma) u lakše pri čemu se oslobađa značajna količina toplotne energije. Ova energija može se konvertovati u električnu energiju koja podmiruje sve energetske potrebe letelice ili astronauske naseobine na Mesecu ili Marsu. Takođe, ova energija može se upotrebiti za generisanje potiska, pri čemu bi se kao radni fluid koristila super-zagrejana plazma, jonizovani plemeniti gas ili tečni vodonik.
Iako koncept korišćenja atomskog reaktora na kosmičkim letelicama izgleda tehnički izvodljiv, tek ostaje da se vidi kako će ova ideja biti realizovana u praksi. Jer, vodećim kosmičkim silama nedostaje iskustvo. Amerika je samo jednom do sada, 1965. godine, lansirala atomski reaktor u kosmos dok je SSSR to učinio više puta tokom sedamdesetih. To su, međutim, bila neka druga vremena kada se mnogo manje brinulo o bezbednosti i ekološkim aspektima. Jasno je da lansiranje nuklearnog reaktora u kosmos može da ima neslućene posledice (zamislite samo razmere katastrofe u slučaju neuspešnog lansiranja i pada atomskog reaktora napunjenog uranijumom nazad na zemlju). Zato je predviđeno da lančana reakcija u nuklearnom reaktoru bude započeta tek kada letelice bude sigurno smeštena u Zemljinu orbitu. Takođe, uranijumske granule koje služe kao nuklearno gorivo biće presvučene višeslojnom zaštitom načinjenom od visoko otpornuh legura čime će se sprečiti rasipanje opasnog materijala u slučaju totalne havarije.
Na jednom sličnom projektu (“Kilopower”) radi i Nacionalna laboratorija Los Alamos u Novom Meksiku, pod pokroviteljstvom NASA. Reč je o fisionom reaktoru pod imenom “Krusty” koji treba da obezbedi energiju za potrebe dugotrajne kosmičke misije. Iako su testovi na Zemlji prošli uspešno, još uvek se očekuje “leteća” proba koja je inicijalno bila zakazana za prethodnu godinu.
 |
| Mini-nuklearni reaktori na Marsu |
Reaktor je modularan i svaki modul može da obezbedi oko 10 kilovata električne energije tokom najmanje 15 godina. Ceo reaktor visok je oko 3,5 metara od čega najveći deo otpada na oklop i zaštitu od zračenja. Samo jezgro reaktora u kome se odvija nuklearna fisija nije veće od rolne papirnih ubrusa. Reaktor je, i pored svoje modularnosti i minijaturizacije, i dalje težak na kosmičkoj skali (preko dve tone u verziji sa maksimalnom zaštitom od radijacije). S obzirom da 70% energije ostaje zarobljeno u vidu toplote, ona mora efikasno da se raspe u Marsovoj tanušnoj atmosferi. U tu svrhu, svaki reaktor opremljen je radijatorima za disipaciju toplote nalik na rasklopljeni kišobran. Reaktori su projektovani da budu maksimalno autonomni i sigurni za eksploataciju: brzina nuklearne reakcije automatski se reguliše korišćenjem spregnute Stirlingove mašine.
Novim idejama tu nije kraj. NASA je upravo objavila da u saradnji sa DARPA, Agencijom za napredne projekte iza kojih stoji Pentagon, počinje rad na razvoju nuklearne termičke rakete koja će omogućiti da brodovi sa ljudskom posadom zađu mnogo dublje u Sunčev sistem. DARPA ima zadatak da isprojektuje nuklearni reaktor i čitav motor koje će NASA iskoristiti na probnom letu koji je zakazan za 2027. godinu.
Sam projekat nije potpuno nov - NASA je razrađivala ideju o letu na Mars pomoću raketnog motora na nuklearni pogon tokom projekta NERVA koji je okončan bez konkretnih rezultata 1979. godine. Nuklearni raketni motor ima centralni nuklearni reaktor u kome se toplota generiše nekim od poznatih nuklearnih procesa (fisija ili fuzija). S obzirom da fuzioni nuklearni rekator još nisu razvijeni ni za “zemaljsku” upotrebu, reklo bi se da je fisija jedino logično rešenje. Toplota koju generiše lančana nuklearna reakcija koristi se za zagrevanje hladnog tečnog vodonika koji se zatim u obliku gasa izbacuje kroz mlaznik stvarajući tako potisak koji ubrzava čitavu letelicu. Može se pokazati da je ovakav način stvaranja potiska mnogo efikasniji nego da istu količinu vodonika kombinujete s kiseonikom i sagorevate u klasičnim raketnim motorima.
 |
| "VASIMR", motor na plazmu |
Možda se u kosmosu još uvek ne dešava ništa novo, ali bismo rekli da su pripreme za nešto veliko uveliko u toku.
Pouzdan izvor energije na duge staze
Upotreba nuklearne energije u kosmičkim letovima nije velika novost jer se ona koristi već decenijama. Reč je o tzv. “radio-izotopskim termo-električnim generatorima” (RTG) koji kao izvor energije koriste toplotu oslobođenu tokom radio-aktivnog raspada. U te svrhe najčešće se upotrebljava plutonijum Pu238 koji se proizvodi u atomskim reaktorima i predstavlja stratešku sirovinu čije se ukupne svetske količine mere kilogramima. Ovaj izotop plutonijuma je snažan izvor alfa-čestica koje se lako blokiraju što omogućava relativno bezbedan rad sa ovim materijalom. Toplota oslobođena tokom radioaktivnog raspada toliko je velika da komad plutonijuma dostiže crveno usijanje čak i na sobnoj temperaturi.
 |
| Radio-izotopski termo-električni generator |
U RTG uređajima, oslobođena toplota konvertuje se u električnu energiju koja se koristi za pogon uređaja na letelici. Efikasnost konverzije nije naročito velika (ne dostiže 10%), ali je zato uređaj dugovečan. Da bi snaga plutonijumskog toplotnog izvora pala na polovinu, potrebno je da prođe skoro 90 godina! Samo deset kubnih centimetara plutonijuma u stanju je da decenijama pokreće sijalicu od 100 vati. Upravo zato, plutonijumski RTG predstavlja nezamenljivi deo skoro svake letelice koja je namenjena dugotrajnom istraživanju kosmosa, naročito na velikim rastojanjima od Sunca gde je efikasnost solarnih električnih panela nedovoljna.
 |
| Usijani plutonijum 238 |
Pogon na alternativni način
Uz raketne motore na hemijski pogon koji su i dalje nezamenljivi i na koje će se sve kosmičke velesile i dalje oslanjati u budućnosti, tu su i raketni motori sa alternativnim vidovima pogona koji tek treba da budu detaljno ispitani u praksi. Već smo pomenuli koncept termalne nuklearne rakete na kojem zajednički rade NASA i DARPA. Postoje i brojne druge mogućnosti od kojih su neke već isprobane u praksi.
Elektro-termički pogon: Ovi motori koriste električnu energiju za zagrevanje radnog fluida. Na visokim temperaturama gasoviti fluid prelazi u jonizovano stanje, tj. plazmu koja se kroz supersonični mlaznik izbacuje napolje čime se generiše sila potiska. Metod je odavno u upotrebi ali ima ograničenu upotrebnu vrednost zbog relativno malog potiska. Danas se ovakvi motori upotrebljavaju za male, precizne promene u orijentaciji letelice, ređe kao izvor primarnog pogona.
Jonski pogon: Raketni pogon generiše se tako što se naelektrisani atomi (joni) plemenitog gasa (najčešće ksenona) ubrzavaju u elektromagnetnom polju i izbacuju iz letelice ogromnim brzinama čime se generiše sila potiska. Potrebna električna energija dobija se iz solarnih panela. I pored velikih izlaznih brzina, ovi motori ostvaraju relativno mali potisak jer je protok goriva veoma mali. Taj potisak uporediv je s težinom koju osećate kada na vrh svog kažiprsta stavite bubamaru. Glavna prednost ovakvih motora je u njihovom dugotrajnom, stabilnom radu i većoj efikasnosti: impuls kretanja koji generiše jonski motor oko deset puta je veći u odnosu na klasičan hemijski motor sa istom količinom goriva. Koncept je uspešno isproban na sondi “Dawn” koja je posetila dve patuljaste planete: Vestu (2011) i Ceres (2015).
Solarno jedro: Svetlost je sastavljena od fotona koje u ovom kontekstu možemo da predstavimo ping-pong lopticama. Kada ove loptice nalete na ravnu površinu, nastaje sila slično kao što vetar koji naleće na jedra generiše silu koja gura brod napred. Pritisak svetlosti veoma je mali: da biste pomoću solarnog jedra proizveli svega jedan kilogram potiska, potrebno vam je kvadratna površina širine 110 metara. Samim tim, i rezultujuće ubrzanje je malo. Ali, solarno jedro ima jednu veoma značajnu prednost: Sunčeve svetlosti ima neograničeno mnogo. I pored malog ubrzanja, kosmički brod sa dovoljno velikim solarnim jedrom i dovoljno vremena na raspolaganju na kraju će dostići ogromnu brzinu iako sa sobom ne nosi nikakvo gorivo. Koncept su prvi uspešno isprobali Japanci (projekt “Ikaros”). Smatra se da bi jedno berilijumsko jedro, inicijalno postavljeno u neposredu blizinu Sunca, moglo da dostigne brzinu od 1.000 km/s za manje od jednog dana (ilustracije radi, najbrže letelice današnjice ne dostižu ni deseti deo ove brzine). Problem nastaje u dubinama Sunčevog sistema gde je Sunčeva svetlost suviše slaba. Potrebni pritisak svetlosti mogli bi da obezbede super-snažni laseri locirani na Zemlji ili u orbiti oko nje. Dovoljno jak laserski sistem mogao bi obasjano kosmičko jedro da odenese do Ortovog oblaka, same granice Sunčevog sistema, za svega nekoliko decenija.
Plazma motor: Ovo bi, zapravo, bila unapređena verzija jonskog motora. Umesto da koristi inertan fluid, motor bi koristio elektromagnetno polje za ubrzavanje pozitivnih i negativnih jona u vreloj plazmi generišući tako potreban potisak. Ideja još uvek nije isprobana u praksi iako jedna kompanija iz Teksasa uveliko razvija koncept motora sa plazma pogonom koji bi ljude mogao da odnese na Mars za samo 39 dana (Projekat “VASIMR”).
Kontinuirana fuzija: Koncept koji i dalje pripada (dalekoj) budućnosti jer je za tako nešto potreban fuzioni reaktor koji generiše više energije nego što troši. Rakete koje bi koristile kontinuiranu fuziju za generisanje potiska bile bi stotinama puta efikasnije od postojećih hemijskih raketa. Imale bi i jednu značajnu prednost: čak i naizgled prazan kosmički prostor sadrži dovoljno lakih elemenata (vodonika i helijuma) za održavanje kontinuiranog procesa fuzije.
Pulsna fuzija: Motori zasnovani na ovom konceptu generisali bi potisak sukcesivnim kontrolisanim eksplozijama kuglica nuklearnog goriva, dovoljno malih da njihova eksplozija ne ugrozi konstrukciju letelice i dovoljno velikih da prozivodu željeni nivo potiska. Koncept je idejno razrađen tokom pedesetih godina (projekat “Orion”) ali ga do sada nijedna letelica nije isprobala u praksi. Jedna Vašingtonska kompanija trenutno razmatra nacrt motora koji bi koristio sačmu načinjenu od litijumske košuljice i kombinacije vodonikovih izotopa u jezgru. Kada se granula goriva nađe u komori za sagorevanje, snažno magnetno polje izazvalo bi kolaps košuljice što bi vodonik u jezgru ugrejalo do temperature potrebne za otpočinjanje nuklearne fuzije. Jedan ovakav motor bio bi izuzetno efikasan: eksploziija nuklearne kapsule veličine zrna peska generisala bi potisak koji ostvaruje čitav kanister konvencionalnog hemijskog goriva. Dalja istraživanja komplikuje činjenica da važeće međunarodne konvencije zabranjuju detnoiranje nuklearnog goriva, bez obzira na veličinu punjenja.
Antimaterija: Antimaterija predstavlja idealno pogonsko sredstvo jer se njenom anihilacijom (kombinacijom sa “običnom” materijom) oko 40% njene mase može konvertovati u kinetičku energiju letelice. Takvu efikasnost nemaju ni fisioni ni fuzioni reaktori. Jedno istraživanje pokazuje da bi deset miligrama antimaterije bilo dovoljno da odnese letelicu sa astronautima na Mars za samo 45 dana. Problem je, međutim, što u kosmosu nema antimaterije ni za lek: ona se mora prozivesti veštačkim putem u nuklearnim akceleratorima. Današnji akceleratori jednostavno nisu dovoljno efikasni: količina do sada prozivedene antimaterije bukvalno se meri atomima. Čak i tako male količine teško je izolovati i sačuvati na duži period jer antimateriju ne možete da držite u kutiji sa čvrstim zidovima - svaki kontakt materije i antimaterije praćen je momentalnom eksplozivnom anihilacijom. Zbog svega navedenog, antimaterijski pogon najverovatnije će još dugo ostati u domenu naučne fantastike.
Vreme #1675