Od początku XX wieku przemysł lotniczo-kosmiczny rozwija się w zatrważającym tempie. Aż do pierwszego lotu braci Wright w 1903 roku nikt nie wierzył, że ludzie mogą oderwać się od Ziemi, a raptem w 1969 roku pierwszy człowiek postawił stopę na księżycu. W 1977 NASA wystrzeliła w kosmos sondy Voyager I oraz Voyager II, które w dalszym ciągu kontynuują swoje misje ponad 20 miliardów kilometrów od nas, poza Układem Słonecznym [1]. W 2010 roku Japońska Agencja Kosmiczna (JAXA) jako pierwsza zdołała pozyskać próbki asteroidy i bezpiecznie sprowadzić je na Ziemię w misji Hayabusa. Ale w jakim celu tak wiele inwestujemy w badanie kosmosu i jaki mamy z tego pożytek?

Rysunek 1. Sonda Voyager 1 [2].

Najbardziej oczywistymi zastosowaniami technologii kosmicznej są komunikacja, mianowicie super szybki internet, oraz nawigacja, np poprzez system GPS. Ale to nie wszystko. Technologia obserwacji Ziemi wykorzystywana jest między innymi do prognozy pogody, systemów wczesnego ostrzegania przed naturalnymi kataklizmami, obserwacja zasobów naturalnych i środowiska, nawet migracji zwięrząt. Co więcej, wyłaniają się nowe kosmiczne trendy. Zainspirowane misją Hayabusa górnictwo kosmiczne może przynieść niebywałe zyski. Szacuje się, że zawartość jednej dużej asteroidy w platynę może przekroczyć całe wydobyte zasoby platyny na Ziemi [2]. I chociaż w niektórych przypadkach sprowadzanie zasobów kosmicznych na Ziemię byłoby nieopłacalne, mogą one zostać wykorzystane do produkcji w kosmosie, w szczególności z użyciem druku 3D. Testy druku 3D trwają na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ang. International Space Station, ISS) od 2014 roku. Naukowcy planują go wykorzystać do tworzenia satelit, napędów rakietowych, księżycowych i marsjańskich habitatów, a nawet do produkcji kosmicznego jedzenia [3], [4]. Kosmos przyciąga uwagę coraz więcej zamożnych ludzi, którzy marzą o doświadczeniu nieważkości. Tak rodzi się turystyka kosmiczna, a wraz z nią coraz większego znaczenia nabiera medycyna kosmiczna.

Zastosowania technologii kosmicznej są niezliczone. Pytanie tylko, dlaczego osiągniecie komosu jest takie kosztowne? Odkąd SpaceX zademonstrował możliwość wielokrotnego odzysku rakiet, koszt wynoszenia ładunków w kosmos spadł 10-krotnie. Jednakże w dalszym ciągu wyniesienie malutkiej satelity typu Cubesat kosztuje przynajmniej $100,000, na co niewielu inwestorów może sobie pozwolić. Trudność i koszt lotów kosmicznych wynika z tego, że aby osiągnąć niską orbitę okołoziemską (ang. Low-Earth Orbit, LEO), trzeba spełnić dwa warunki. Po pierwsze, trzeba wyjść poza ziemską atmosferę, na wysokość minimum 100 km. Drugi warunek jest dużo trudniejszy – należy osiągnąć pierwszą prędkość kosmiczną, tj. 7,8 km/s, czyli 28000 km/h. Słynne równanie rakietowe Ciołkowskiego [5] głosi, że aby było to możliwe, rakieta w około 90% musi się składać z paliwa i utleniacza. Większość pozostałej masy (6-7%) to struktura rakiety, także zaledwie 3-4% całkowitej masy rakiety pozostaje na ładunek użyteczny (ang. payload), czyli na satelity, łaziki, astronautów, itp. Do dziś w kosmos można się dostać tylko za pomocą napędów rakietowych, które w zasadzie od stu lat się nie zmieniły. Rakieta Falcon 9 firmy SpaceX poza możliwością lądowania i wielokrotnego użytku, fundamentalnie niczym się nie różni od rakiety balistycznej V-2, która miała kluczowe znaczenie w przebiegu II wojny światowej. Dzisiejszy koszt lotu na księżyc jest taki sam co 50 lat temu, jak nie większy. Dlatego od zakończenia programu Apollo nikt nie postawił tam stopy. Najwyższa pora na wydajniejszą technologię!

Rysunek 2. Lądowanie stopni wspomagających rakiety Falcon Heavy, SpaceX [7].

Największą wadą rakiet jest to, że walczą z atmosferą, zamiast ją wykorzystywać, co czyni je ekstremalnie niewydajnymi. Około 60% masy rakiety orbitalnej stanowi utleniacz, który jest niezbędny do spalania, a przecież tlenu jest tak wiele w atmosferze. Gdyby można było się tego utleniacza pozbyć, rakiety byłyby o wiele mniejsze i tańsze. Tradycyjne samoloty pasażerskie używają powietrza do spalania oraz generacji siły nośnej, co czyni je bardzo lekkimi i wydajnymi. Jednak nie przekraczają prędkości dźwięku (prawie 1100 km/h), co nie wystarcza na opuszczenie atmosfery. Myśliwce z kolei osiągają maksymalnie 3500 km/h, co również jest nieporównywalne z prędkością kosmiczną.

Rewolucyjny napęd został zaproponowany w czasach II wojny światowej, mianowicie ramjet, zwany po polsku silnikiem strumieniowym. Jest to rodzaj silnika odrzutowego, który osiąga wystarczającą kompresję wyłącznie poprzez wlot powietrza przy prędkościach naddźwiękowych. Silnik ten nie zawiera ani tradycyjnego kompresora, ani turbiny, ani żadnych ruchomych elementów, przez co jest niezwykle prosty w konstrukcji. Jego główną wadą jest bezużyteczność przy niskich prędkościach. Z tego powodu silnik ten musi być powiązany z innym napędem, który będzie w stanie go rozpędzić do wystarczającej prędkości. Słynny samolot zwiadowczy SR-71 Blackbird wykorzystywał właśnie ten koncept. Chociaż SR-71 był ograniczony do 3500 km/h, szacuje się że silnik strumieniowy może się rozpędzić do ponad 7000 km/h [6].

Około 20 lat później ramjet został zmodyfikowany tak, aby spalanie wewnątrz silnika przebiegało naddźwiękowo. Tak powstał supersonic combustion ramjet, w skrócie scramjet. Silnik ten zadebiutował w 1967 roku, zainstalowany na samolocie X-15 napędzanym rakietowo. Osiągnął 6.7 Macha, co odpowiada prędkości niemal 7300 km/h. Artystyczna wizja tego silnika ukazała się również w filmie Top Gun: Maverick, w którym Tom Cruise grając głównego bohatera miał rozpędzić tajemniczy samolot testowy, Darkstar, do 10 Machów, czyli około 10600 km/h. W rzeczywistości rekordowa prędkość osiągnięta przez scramjet to 9.6 Macha, ustanowiona w 2004 roku przez pojazd X-43 [7]. Maksymalna prędkość teoretyczna silników scramjet jest nieznana. Szacuje się, że leży ona w pobliżu 17 Machów (około 18000 km/h), czyli trochę mniej niż pierwsza prędkość kosmiczna [8]. Podobnie jak ramjet, scramjet musi wpierw zostać rozpędzony do bardzo wysokich prędkości, aby zaczął działać. Ponadto, silnik ten jest bardzo wrażliwy na odchylenia od nominalnej pracy i podlega niesamowitym obciążeniom termalnym i strukturalnym. Z powodu tych wyzwań technicznych, scramjet nie znalazł jeszcze komercyjnego zastosowania, ale jest w dalszym ciągu rozwijany. 

Rysunek 3. Pojazd testowy X-51A Waverider wyposażony w silnik scramjet [11].

W ciągu ostatnich 20 lat wśród rakietowych naukowców niezwykle popularny stał się silnik wirującej detonacji (ang. rotating detonation engine, RDE). Pod wpływem bardzo wysokiego ciśnienia reakcja spalania, może ewoluować do detonacji. Detonacja różni się tym od konwencjonalnego spalania, że przebiega ponaddźwiękowo i jest około 25% wydajniejsza. Potencjał silników detonacyjnych został zaprezentowany już w latach 40-tych, chociażby przez tzw. latającą bombę V-1, napędzaną przez pulsacyjny silnik detonacyjny. Silniki te były niezwykle głośne, generowały silne wibracje i wymagały częstej inicjacji detonacji [8]. Problemy te można by rozwiązać, gdyby detonacja odbywała się w sposób ciągły. I tu z pomocą przychodzi RDE. Geniusz tego rozwiązania polega na tym, że komora spalania ma kształt pierścienia, po obwodzie którego „wędruje” fala detonacyjna, podczas gdy paliwo jest stale wtryskiwane do komory. Co ciekawe, silnik ten ma zdolności samoregulacyjne. Jeżeli fala detonacyjna zwolni, to obieg fali zajmie więcej czasu. W tym czasie więcej paliwa dotrze do komory spalania, przez co uwolni się więcej energii i fala ta ponownie przyspieszy. I vice versa, jeżeli fala za bardzo przyspieszy, to będzie zmuszona zwolnić do nominalnej prędkości. Dzięki temu praca silnika jest bardzo stabilna w szerokim zakresie prędkości (1.5 – 5 Machów) [9], a przy tym wydajniejsza niż jakikolwiek inny silnik tutaj wspomniany.  W 2014 roku Polacy jako pierwsi na świecie wystrzelili niewielką rakietę napędzaną RDE [10], a w 2021 roku Japończycy jako pierwsi przetestowali RDE w kosmosie [11]. 

Rysunek 4. Silnik Wirującej Detonacji (RDE) na Uniwersytecie Centralnej Florydy [15].

Silniki RDE oraz scramjet mają potencjał zastąpić główne stopnie rakiet orbitalnych, dzięki czemu rozmiar rakiet jak i również ich cena powinna spaść kilkukrotnie. Szkoda tylko, że nie ma alternatywnego silnika, który byłby wydajniejszy od silników rakietowych i zdolny do osiągnięcia prędkości orbitalnych. Ale czy na pewno?

O dziwo, NASA w latach 60 prowadziła badania nad napędem o wiele wydajniejszym niż dzisiejsze silniki rakietowe. Był to napęd nuklearny. W ramach projektu NERVA (ang. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) zbudowano potężny reaktor, który miał zastąpić wyższy stopień rakiety Saturn V, która dostarczyła astronautów na księżyc. Silnik ten był wielokrotnie testowany, nawet przez pół godziny z pełną mocą. Wyniki mocno przekroczyły oczekiwania. Zademonstrowano jego wydajność i niezawodność. NASA ogłosiła plan lądowania na Marsie do 1978 roku i założenia permanentnej bazy na Księżycu do 1981 roku. I chociaż silnik był gotowy do lotu na Księżyc, nigdy nie oderwał się od ziemi. Po łącznej inwestycji 1.4 miliarda dolarów w program NERVA, został on wstrzymany w 1973 roku z powodu dziury budżetowej po programie Apollo i rosnących kosztach wojny wietnamskiej. Po katastrofie elektrowni jądrowej w Czarnobylu w 1986 roku podobne projekty nigdy nie zyskały uznania [6]. 

Rysunek 5. Jądrowy silnik rakietowy NERVA [16].

Jak by wyglądał dzisiaj nasz świat, gdybyśmy się nie bali energii jądrowej i gdyby program NERVA doszedł do skutku? A czy może jednak doszłoby do katastrofy w kosmosie na skalę eksplozji w Czarnobylu?

Bibliografia:

1. NASA, „voyager.jpl.nasa.gov,” 15 01 2023. [Online]. Available: https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/.
2. CNN, „Voyager 1 becomes first human-made object to leave solar system,” 02 10 2013. [Online]. Available: https://edition.cnn.com/2013/09/12/tech/innovation/voyager-solar-system/index.html. [Accessed 16 01 2023].
3. MIT, „Asteroid Mining,” [Online]. Available: https://web.mit.edu/12.000/www/m2016/finalwebsite/solutions/asteroids.html. [Accessed 15 01 2023].
4. 3D Natives, „What Are the Applications for 3D Printing in Space?,” 27 01 2022. [Online]. Available: https://www.3dnatives.com/en/top-10-3d-printing-space/#!. [Accessed 16 01 2023].
5. NASA, „Solving the Challenges of Long Duration Space Flight with 3D Printing,” 17 12 2019. [Online]. Available: https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/3d-printing-in-space-long-duration-spaceflight-applications. [Accessed 16 01 2023].
6. Wikipedia, „Wzór Ciołkowskiego” [Online]. Available: https://pl.wikipedia.org/wiki/Wz%C3%B3r_Cio%C5%82kowskiego. [Accessed 16 01 2023].
7. Wired.com, „The Physics of SpaceX’s Wicked Double Booster Landing,” 08 02 2018. [Online]. Available: https://www.wired.com/story/the-physics-of-spacex-falcon-heavy-wicked-double-booster-landing/. [Accessed 16 01 2023].
8. Wikipedia, „Ramjet” 07 01 2023. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Ramjet. [Accessed 07 01 2023].
9. D. P. D. D. U. M. W. Heiser, Hypersonic Airbreathing Propulsion, AIAA, 1994.
10. A. F. El-Sayed, Fundamentals of aircraft and rocket propulsion, London: Springer, 2016.
11. US Air Force, „X-51A Waverider,” [Online]. Available: https://www.af.mil/About-Us/Fact-Sheets/Display/Article/104467/x-51a-waverider/. [Accessed 16 01 2023].
12. F. K. L. D. R. W. J. A. C. Eric M. Braun, „Airbreathing rotating detonation wave engine cycle analysis,” Aerospace Science and Technology, vol. 27, no. 1, pp. 201-208, 2013.
13. J. K. P. W. Adam Okninski, „Rocket rotating detonation engine flight demonstrator,” Aircraft Engineering and Aerospace Technology , vol. 88, no. 4, pp. 480-491, 2016.
14. Interesting Engineering, „Japan Tests Rotating Detonation Engine in Space for the First Time,” 20 08 2021. [Online]. Available: https://interestingengineering.com/science/japan-tests-rotating-detonation-engine-in-space-for-the-first-time. [Accessed 16 01 2023].
15. University of Central Florida, „UCF Researcher Receives NASA Award to Develop Revolutionary Rocket Engine Technology,” 26 10 2022. [Online]. Available: https://www.ucf.edu/news/ucf-researcher-receives-nasa-award-to-develop-revolutionary-rocket-engine-technology/. [Accessed 16 01 2023].
16. Wikipedia, „NERVA,” 10 12 2022. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/NERVA. [Accessed 16 01 2023].
17. T. E. W. P. J. T. P. B. P. T. E. E. S. A. C. J. T. C. E. M. C. G. A. Wurden, „A New Vision for Fusion Energy Research: Fusion Rocket Engines for Planetary Defense,” Springer, 2015.