Elektrodynamiczne

48

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

Enrico Lorenzini i Juan Sanmartín

Wykorzystujàc podstawowe prawa fizyki,
za pomocà kosmicznych wi´zi mo˝na tanio
wytwarzaç energi´ elektrycznà i sztucznà grawitacj´

wi´zi w kosmosie

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

49

WIZJA PRZYSZ¸EJ WYPRAWY do Jowisza
i jego ksi´˝yców. Gdy statek kosmiczny
z umieszczonà na nim aparaturà przemierza
przestrzeƒ mi´dzy Europà a Kallisto,
wielokilometrowa wi´ê czerpie energi´
z pot´˝nego pola magnetycznego planety (w tle).
Zmieniajàc kierunek przep∏ywajàcego
przez nià pràdu, kontrolerzy misji mogà
zmieniaç orientacj´ statku i kierunek lotu.

Ka˝dy statek kosmiczny musi wi´c zabraç ze sobà taki zapas
energii (zwykle w postaci paliwa chemicznego, baterii fotoelek-
trycznych lub reaktora jàdrowego), jakiego wymaga ca∏a je-
go misja. Inna mo˝liwoÊç, czyli dowóz paliwa, jest niezwy-
kle kosztowna. Na przyk∏ad w ciàgu swej dziesi´cioletniej
misji Mi´dzynarodowa Stacja Kosmiczna zu˝yje 77 ton pali-
wa rakietowego tylko po to, by nie opadaç na ni˝sze orbity. Sta-
cja krà˝y na wysokoÊci oko∏o 360 km nad powierzchnià Zie-
mi. Za∏ó˝my, ˝e na dostarczenie do niej jednego kilograma
∏adunku trzeba wydaç 15 000 dolarów (co wed∏ug dzisiej-
szych standardów jest kwotà raczej zani˝onà). Przy takim za-
∏o˝eniu samo tylko utrzymanie status quo to koszt 1.2 mld
dolarów!

Podczas wypraw do planet zewn´trznych, takich jak Jo-

wisz, problem zapasów energii staje si´ jeszcze powa˝niej-
szy, gdy˝ ze wzgl´du na znaczne oddalenie od S∏oƒca baterie
fotoelektryczne dzia∏ajà mniej wydajnie, a ka˝dy gram pali-
wa trzeba przewieêç na dystansie ju˝ nie setek, lecz setek mi-
lionów kilometrów. Z tych powodów naukowcy zastanawia-
jà si´ nad zastosowaniem sprawdzonej ju˝ doÊwiadczalnie
technologii kosmicznych wi´zi. Wykorzystujàc podstawowe
prawa fizyki, umo˝liwia ona wytwarzanie sztucznej grawita-
cji i pràdu elektrycznego oraz dok∏adne sterowanie statkami
kosmicznymi; zmniejsza przy tym lub wr´cz eliminuje zapo-
trzebowanie na paliwa chemiczne.

Wi´ê to po prostu elastyczny kabel ∏àczàcy dwie masy, któ-

re poruszajà si´ w przestrzeni kosmicznej. Gdy kabel ten jest
przewodnikiem elektrycznym, okreÊla si´ jà jako wi´ê elektro-

dynamicznà (EDT – electrodynamic tether). Konwencjonalne
silniki statku kosmicznego (chemiczne bàdê jonowe) przeka-
zujà mu p´d uzyskany dzi´ki odrzuceniu w przestrzeƒ cz´-
Êci jego masy; natomiast EDT pobiera p´d od rotujàcej plane-
ty za poÊrednictwem jej pola magnetycznego [ilustracja na
sàsiedniej stronie].

EntuzjaÊci wypraw kosmicznych fascynowali si´ wi´ziami

ju˝ od dawna. Wizjonerzy kosmonautyki, Konstanty Cio∏kow-
ski i Arthur C. Clarke, sàdzili, ˝e znajdà one zastosowanie ja-
ko kosmiczne windy, które wywiozà ludzi na orbit´. W po∏o-
wie lat szeÊçdziesiàtych, podczas dwóch wypraw z serii
Gemini, testowano 30-metrowà wi´ê, próbujàc za jej pomo-
cà wytworzyç sztucznà grawitacj´. Od tego czasu przepro-
wadzono wiele innych prób i testów. Okaza∏o si´, ˝e najwi´k-
szà trudnoÊç sprawiajà problemy natury elektromechanicznej
– in˝ynierom do dziÊ nie uda∏o si´ opracowaç niezawodnej
techniki wykorzystywania wysokich napi´ç, jakie EDT gene-
rujà podczas pracy w kosmosie. Nie rozwiàzano te˝ proble-
mów zwiàzanych z niszczàcym dzia∏aniem Êrodowiska
kosmicznego ani nie wyeliminowano wibracji. Mimo to wie-
lu naukowców uwa˝a, ˝e EDT stwarzajà realnà szans´ zrewo-
lucjonizowania lotów kosmicznych. Mo˝na ich b´dzie u˝y-
waç zarówno w przestrzeni wokó∏ziemskiej, jak i podczas
misji mi´dzyplanetarnych. W pobli˝u Ziemi EDT mogà po-
s∏u˝yç do utrzymywania satelitów na zaplanowanych orbi-
tach i do usuwania orbitalnych Êmieci; mogà te˝ znaleêç za-
stosowanie jako wydajne generatory pràdu elektrycznego
(osiàgajà wi´kszà wydajnoÊç ni˝ ogniwa paliwowe).

Uk∏ad samonastawny

TECHNIKA WI

¢ZI

wykorzystuje sprzeczne z intuicjà skutki dzia-

∏ania praw mechaniki orbitalnej. Na ka˝dy obiekt znajdujàcy
si´ na stabilnej orbicie dzia∏ajà dwie przeciwstawne si∏y: skie-
rowana ku górze si∏a odÊrodkowa zwiàzana z ruchem po or-
bicie oraz skierowana w dó∏ si∏a grawitacji. W Êrodku masy
obiektu grawitacja i si∏a odÊrodkowa dok∏adnie si´ równo-
wa˝à: umieszczony tam obserwator znajduje si´ w stanie nie-
wa˝koÊci i nie odczuwa ˝adnego przyÊpieszenia.

Dwa po∏àczone ze sobà satelity, które poruszajà si´ po nie-

co ró˝nych orbitach, podlegajà temu samemu prawu, co obiekt
pojedynczy – grawitacja i si∏a odÊrodkowa równowa˝à si´ w
ich wspólnym Êrodku masy. Przy ka˝dym z satelitów si∏y te nie
sà jednak sobie równe. Na wy˝szej orbicie grawitacja jest

50

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

ALFRED T

. KAMAJIAN (

popr

zednie str

ony

)

n

Uk∏ad z wi´zià elektrodynamicznà, w którym dwie masy

po∏àczone sà d∏ugim, gi´tkim, przewodzàcym kablem, mo˝e
spe∏niaç te same funkcje, co konwencjonalny statek kosmiczny,
nie zu˝ywajàc przy tym paliwa chemicznego ani jàdrowego.

n

Na niskich orbitach wokó∏ziemskich wi´zi mogà generowaç

pràd elektryczny oraz sterowaç statkami za∏ogowymi
i bezza∏ogowymi, a tak˝e u∏atwiaç pozbywanie si´
niebezpiecznych szczàtków pojazdów kosmicznych.

n

W dalekich misjach mi´dzyplanetarnych, takich jak badania

Jowisza i jego ksi´˝yców, wi´zi umo˝liwiajà znaczne zmniejszenie
iloÊci paliwa potrzebnego do manewrowania, zapewniajàc
jednoczeÊnie sta∏y dop∏yw energii elektrycznej.

Przeglàd /

Rzut oka na wi´zi

W kosmosie nie ma stacji paliwowych.

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

51

ALFRED T

. KAMAJIAN

JAK DZIA¸A WI¢è ELEKTRODYNAMICZNA

WI¢è ELEKTRODYNAMICZNA mo˝e wykonywaç te same zadania, co konwencjonalne silniki statku kosmicznego, zu˝ywajàc przy
tym znacznie mniej paliwa. Wykorzystuje ona dwie podstawowe zasady elektromagnetyzmu: po pierwsze, w przewodniku porusza-
jàcym si´ w polu magnetycznym powstaje pràd; po drugie, pole magnetyczne wywiera si∏´ na przewodnik z pràdem.

Ruch po orbicie
z zachodu
na wschód

W JAKI SPOSÓB PRÑD MO˚E STEROWAå WI¢ZIÑ NA ORBICIE

Gdy podzas ruchu po niskiej orbicie wi´ê elektrodynamiczna przecina linie ziemskiego pola magnetycznego, elektrony sà zmuszane do po-
ruszania si´ w kierunku Ziemi (z lewej). Na powsta∏y w ten sposób pràd elektryczny pole magnetyczne dzia∏a si∏à skierowanà przeciwnie
do kierunku ruchu wi´zi. Pojawia si´ opór zmniejszajàcy energi´ wi´zi i obni˝ajàcy jej orbit´. JeÊli pràd (wytworzony przez baterie s∏onecz-
ne lub inne êród∏o) pop∏ynie przez wi´ê w kierunku przeciwnym, si∏a zmieni kierunek na zgodny z ruchem wi´zi (z prawej). W tej sytuacji
wi´ê b´dzie uzyskiwaç energi´ i podwy˝szaç swà orbit´.

PRÑD INDUKOWANY

Gdy przewodnik porusza si´ w polu magnetycznym, na znajdujàce
si´ w nim czàstki na∏adowane dzia∏a si∏a prostopad∏a zarówno do
kierunku ruchu, jak i linii pola. Wi´ê elektrodynamiczna wykorzy-
stuje to prawo do generowania pràdu elektrycznego. Na przewod-
nik dzia∏a si∏a skierowana przeciwnie do kierunku jego ruchu.

PRÑD ZE èRÓD¸A ZEWN¢TRZNEGO

W∏àczona w obwód bateria mo˝e powstrzymaç pràd indukowany
i wytworzyç pràd p∏ynàcy w przeciwnym kierunku. Wi´ê elektro-
dynamiczna wykorzystuje ten efekt dla uzyskania si∏y ciàgu: na
rysunkach pokazano strumieƒ elektronów, który p∏ynie przeciwnie
do konwencjonalnie przyj´tego kierunku przep∏ywu pràdu.

OPÓR

Si∏a dzia∏a w kierunku
przeciwnym do ruchu wi´zi,
obni˝ajàc jej orbit´

GENEROWANIE CIÑGU

Si∏a dzia∏a w kierunku

zgodnym z ruchem wi´zi,

podwy˝szajàc jej orbit´

Ziemskie pole magnetyczne

Indukowany

strumieƒ

elektronów

Sztucznie
odwrócony
strumieƒ
elektronów

Wi´ê

Strumieƒ

elektronów

Si∏a

Linie pola
magnetycznego

Magnes

Si∏a

Przewodnik

Kierunek
ruchu

Strumieƒ
elektronów

s∏absza od si∏y odÊrodkowej, co oznacza, ˝e si∏a wypadkowa
wypycha satelit´ do góry. Na ni˝szej orbicie mamy sytuacj´ od-
wrotnà – satelita jest spychany w dó∏. Tak wi´c usi∏ujàc odda-
liç si´ od siebie, satelity napinajà wi´ê; napr´˝enia te jednak
nie sà du˝e.

Gdy wi´ê uk∏ada si´ wzd∏u˝ kierunku radialnego (tzw. pio-

nu lokalnego), uk∏ad po∏àczonych nià satelitów znajduje si´ w
stabilnym stanie równowagi. Po odchyleniu wi´zi od pionu
lokalnego pojawia si´ moment obrotowy, pod którego dzia∏a-
niem ca∏y uk∏ad zaczyna wykonywaç ruch wahad∏owy o ma-
lejàcej amplitudzie, by ostatecznie znów ustawiç si´ w pio-
nie. Ten w∏aÊnie rodzaj stabilizacji zastosowano w 1975 roku
w satelicie geodezyjnym GEOS-3: wyposa˝ono go w sztyw-

ny kilkumetrowy wysi´gnik, dzi´ki któremu by∏ zawsze w ta-
ki sam sposób zorientowany wzgl´dem Ziemi.

Ró˝nic´ si∏ dzia∏ajàcych na dwie masy naukowcy nazywa-

jà gradientem grawitacyjnym. Pasa˝erowie górnego satelity od-
czuliby ów gradient jako s∏abà grawitacj´ odpychajàcà ich
od Ziemi (nasza „góra” by∏aby dla nich „do∏em”), a pasa˝ero-
wie satelity dolnego – jako równie s∏abà grawitacj´ pchajà-
cà ich ku naszej planecie. Na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej
(od 200 do 2000 km nad powierzchnià Ziemi) 50-kilometro-
wa wi´ê wytwarza przyÊpieszenie 0.01 g (czyli 1% przyÊpie-
szenia ziemskiego). Nie wystarczy to, by astronauci mogli
chodziç – do tego potrzebne jest przyÊpieszenie co najmniej
0.1 g. Jednak dla wielu celów (u˝ywanie narz´dzi, pryszni-
ce, przelewanie p∏ynów) sytuacja, w której kierunki „w gór´”
i „w dó∏” sà dobrze okreÊlone, ma zdecydowanà przewag´
nad stanem kompletnej niewa˝koÊci. Co wi´cej, w odró˝nie-
niu od innych sposobów uzyskiwania sztucznej grawitacji
metoda wi´zi nie wymaga, aby satelity okrà˝a∏y si´ nawza-
jem [ilustracja na sàsiedniej stronie].

Wi´zi nieprzewodzàce sà zwykle wykonywane z lekkich,

mocnych materia∏ów, takich jak kevlar (poliamid aromatycz-
ny) lub spectra (polietylen). Praktycznie jedynym ich zastoso-
waniem jest wytwarzanie sztucznej grawitacji. Znacznie wi´k-
sze mo˝liwoÊci dajà sporzàdzane z przewodzàcego materia∏u
(np. z aluminium lub miedzi) EDT. Przede wszystkim mogà byç
generatorem pràdu elektrycznego, gdy˝ w przewodniku po-

ruszajàcym si´ w polu magnetycznym na czàstki na∏adowa-
ne dzia∏a si∏a elektrodynamiczna skierowana prostopadle za-
równo do kierunku ruchu, jak i do kierunku linii pola. JeÊli
wi´c po∏àczone za pomocà wi´zi elektrodynamicznej sateli-
ty przelatujà z zachodu na wschód, przecinajàc przy tym
ziemskie pole magnetyczne skierowane na pó∏noc, to elek-
trony sà zmuszane do przep∏ywu wzd∏u˝ wi´zi [ilustracja na
sàsiedniej stronie].

Wi´ê wymienia elektrony z jonosferà – obszarem atmosfe-

ry, w którym wysokoenergetyczne promieniowanie S∏oƒca
odrywa elektrony od atomów, wytwarzajàc mieszanin´ elek-
tronów i jonów zwanà plazmà. Jeden jej koniec (dodatnio na-
∏adowana anoda) chwyta swobodne elektrony, które z dru-

giego koƒca (ujemnie na∏adowanej katody) uciekajà w
przestrzeƒ kosmicznà. Obwód domyka si´ w przewodzàcej
elektrycznoÊç jonosferze. W rezultacie przez wi´ê stale p∏ynie
pràd, który mo˝e byç wykorzystany przez statek kosmiczny.
Na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej 20-kilometrowa EDT z od-
powiednio skonstruowanà anodà mo˝e osiàgaç moc 40 kW, co
prawie pokrywa potrzeby laboratoriów Mi´dzynarodowej
Stacji Kosmicznej.

Z mo˝liwoÊci wykorzystania wi´zi jako generatorów zda-

no sobie spraw´ ju˝ w latach siedemdziesiàtych, gdy Mario
Grossi z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Giu-
seppe Colombo z Universita degli Studi di Padova we W∏o-
szech dokonali pierwszych prób z EDT. Do dziÊ w kosmosie
przeprowadzono 16 eksperymentów zwiàzanych z wi´ziami
– zarówno przewodzàcymi, jak i nieprzewodzàcymi [ramka
na stronie 55].

We wczesnych konstrukcjach przewodzàca cz´Êç EDT by-

∏a ca∏kowicie odizolowana od jonosfery przez warstw´ teflo-
nu, a jako chwytajàcej elektrony anody u˝ywano przewodzà-
cej kuli (lub podobnego urzàdzenia). Takie anody okaza∏y si´
jednak ma∏o wydajne. W latach dziewi´çdziesiàtych NASA i
W∏oska Agencja Kosmiczna wspólnie umieÊci∏y na orbicie
dwie wersje 20-kilometrowego Powiàzanego Uk∏adu Satelitów
(TSS – Tethered Satellite System). TSS, który chwyta∏ elektro-
ny za pomocà kuli o rozmiarach pi∏ki pla˝owej, udowodni∏,
˝e mo˝liwoÊç generowania pràdu elektrycznego w kosmosie
jest realna. Naukowcy stan´li jednak przed problemem, któ-
ry musi zostaç rozwiàzany, zanim EDT znajdà zastosowanie
w praktyce. Okaza∏o si´, ˝e wokó∏ sferycznej anody powsta-
je warstwa ujemnego ∏adunku, która przeszkadza dotrzeç do
niej kolejnym elektronom. Przypomina to nieco sytuacj´, w któ-
rej t∏um próbuje opuÊciç sal´ przez drzwi i ludzie nawzajem
blokujà sobie wyjÊcie.

Jeden z nas (Sanmartín) i jego wspó∏pracownicy uwa˝ajà,

˝e problem ten mo˝na rozwiàzaç za pomocà wi´zi nieizolo-
wanych. PodkreÊlajà przy tym, ˝e EDT wcale nie muszà byç
zrobione z okràg∏ego drutu; taki sam pràd mo˝na wytworzyç
w cienkiej taÊmie, znacznie l˝ejszej od drutu, lecz równie wy-
trzyma∏ej. Nieizolowane EDT chwyta∏yby elektrony nie tylko

52

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

ENRICO LORENZINI i JUAN SANMARTÍN od 10 lat wspólnie pra-
cujà nad zagadnieniami dotyczàcymi wi´zi. Lorenzini zajmuje si´
badaniami kosmicznymi w Harvard-Smithsonian Center for Astro-
physics w Cambridge (Massachusetts). Od 1995 roku kieruje gru-
pà badawczà zorganizowanà przez nie˝yjàcych ju˝ pionierów wi´-
zi kosmicznych, Maria Grossiego i Giuseppe Colomba. Doktorat z
aeronautyki uzyska∏ w 1980 roku w Universit∫ degli Studi di Pado-
va we W∏oszech. Sanmartín jest od 1974 roku profesorem fizyki w
Universidad Politécnica de Madrid w Hiszpanii, a wczeÊniej praco-
wa∏ w Princeton University i w Massachusetts Institute of Techno-
logy. Stopnie doktorskie uzyska∏ w University of Colorado i Univer-
sidad Politécnica de Madrid.

O

AUTORACH

Wizjonerzy kosmonautyki sàdzili,

˝e wi´zi znajdà zastosowanie jako kosmiczne windy,

które zawiozà ludzi na orbit´.

na jednym koƒcu, lecz na ca∏ej swej d∏ugoÊci. Co wi´cej, elek-
trony nie grupowa∏yby si´ w pobli˝u anody i dlatego ich zbior-
cze pole elektryczne nie blokowa∏oby wychwytu nast´pnych
takich czàstek.

Energia za pó∏darmo

WSZYSTKIE EDT

majà wspólnà zalet´: wykorzystujàc podstawo-

wà zasad´ elektrodynamiki, mogà zwi´kszaç lub zmniejszaç
pr´dkoÊç poruszania si´ po orbicie. Na kabel, przez który p∏y-
nie pràd, pole magnetyczne wywiera si∏´ skierowanà zgodnie
ze znanà „regu∏à kciuka”. W przypadku EDT lecàcej na
wschód, w której elektrony przep∏ywajà z góry na dó∏, si∏a ta
dzia∏a przeciwnie do kierunku ruchu. Na po∏àczone wi´zià
satelity dzia∏a wi´c si∏a podobna do oporu stawianego przez
powietrze, dzi´ki czemu ich orbita ulega obni˝eniu.

Na pozór efekt ten wydaje si´ niepo˝àdany, mo˝na go jed-

nak wykorzystaç do usuwania kosmicznych Êmieci krà˝àcych
wokó∏ Ziemi. Sà to nieczynne satelity, zu˝yte ostatnie cz∏ony
rakiet noÊnych i ró˝nego rodzaju od∏amki. Problem Êmieci
jest jednym z g∏ównych motywów badaƒ nad EDT, które sà
obecnie prowadzone przez NASA, uniwersytety i niewielkie
firmy. Niskie orbity wokó∏ziemskie sà dziÊ zaÊmiecone przez
wiele tysi´cy obiektów, z których oko∏o 1500 ma mas´ wi´k-
szà ni˝ 100 kg. Opór rzadkich górnych warstw atmosfery po-
woduje, ˝e orbita takiego obiektu stopniowo si´ obni˝a a˝ do
chwili, w której wchodzi on w g´ste warstwy atmosfery i spa-
la si´. Taki „naturalny” proces usuwania Êmieci z orbity 200-

-kilometrowej trwa zwykle kilka dni, z 400-kilometrowej –
kilka miesi´cy, z 1000-kilometrowej zaÊ – oko∏o 2000 lat. Je-
Êli satelita zostanie wyposa˝ony w EDT, którà rozwinie pod
koniec swojej misji, dodatkowy opór znacznie przyÊpieszy
moment wejÊcia w g´stà atmosfer´. To samo sta∏oby si´ ze
Êmieciami, które zosta∏yby zebrane przez jakieÊ automatycz-
ne urzàdzenie i dostarczone do orbitujàcego uk∏adu z EDT
[ilustracja na nast´pnej stronie].

Za pomocà paneli fotoelektrycznych lub innego êród∏a ener-

gii mo˝emy zmieniç kierunek przep∏ywu pràdu przez EDT
krà˝àcà po niskiej orbicie wokó∏ziemskiej. Uzyskamy wtedy
efekt przeciwny – na wi´ê zadzia∏a si∏a zgodna z kierunkiem
jej ruchu, a zaopatrzony w nià satelita podwy˝szy swà orbi-
t´. Wi´zi mogà wi´c s∏u˝yç jako kosmiczne holowniki przeno-
szàce ∏adunki na wy˝sze orbity i przeciwdzia∏ajàce opadaniu
satelitów. Przypomnijmy sobie ogromne koszty zwiàzane z
utrzymywaniem Mi´dzynarodowej Stacji Kosmicznej na or-
bicie. Gdyby wyposa˝ono jà w EDT generujàce zaledwie 10%
mocy potrzebnej do funkcjonowania stacji, zamiast 77 zu˝y-
∏aby zaledwie 17 ton paliwa. Oszcz´dnoÊci mogà byç jeszcze
wi´ksze, poniewa˝ w∏àczenie w odpowiednim momencie wi´-
zi nap´dowej prowadzi do powstania si∏y bocznej, dzi´ki któ-
rej mo˝na zmieniç nachylenie stacji na orbicie. U˝ywane
obecnie w tym celu silniki chemiczne spalajà znaczne iloÊci
paliwa.

Rzecz jasna, zgodnie z zasadà zachowania energii nie ma

nic za darmo. Energia elektryczna jest generowana w wi´zi

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

53

ALFRED T

. KAMAJIAN; ZA ZGODÑ NA

V

AL RESEARCH L

ABORA

TORY

SZTUCZNA GRAWITACJA

KA˚DY OBIEKT znajdujàcy si´ na stabilnej orbicie jest
poddany dzia∏aniu dwóch przeciwstawnych si∏: skiero-
wanej w gór´ si∏y odÊrodkowej i skierowanej w dó∏ si∏y gra-
witacji. W uk∏adzie z∏o˝onym z pary kul po∏àczonych wi´-
zià si∏y te równowa˝à si´ w jego Êrodku masy. Wewnàtrz
górnej kuli si∏a odÊrodkowa jest nieco wi´ksza od si∏y
grawitacji, dzi´ki czemu astronauta odczuwa s∏abà sztucz-
nà grawitacj´ o kierunku przeciwnym do grawitacji ziem-
skiej (co oznacza, ˝e nasza „góra” jest dla niego „do-
∏em”). W dolnej kuli sytuacja jest odwrotna. Sztuczne
przyciàganie grawitacyjne wytworzone przez 50-kilome-
trowà wi´ê jest oko∏o 100 razy s∏absze od przyciàgania
grawitacyjnego na powierzchni Ziemi. RoÊnie ono w przy-
bli˝eniu proporcjonalnie do d∏ugoÊci wi´zi.

MOZAIKA FOTOGRAFII testowanego uk∏adu
z wi´zià o nazwie ATEx. Uk∏ad pokazano
w stanie cz´Êciowo roz∏o˝onym.

Lokalny dó∏

Lokalny dó∏

Si∏a odÊrodkowa

Si∏a odÊrodkowa

Si∏a grawitacyjna

Si∏a grawitacyjna

Kierunek ruchu

po orbicie

Kierunek ruchu

po orbicie

Ârodek masy

Wi´ê d∏ugoÊci 50 km

kosztem obni˝enia orbity statku kosmicznego, która zosta∏a
osiàgni´ta dzi´ki energii chemicznej zawartej w paliwie i wy-
zwolonej w silnikach rakietowych. Na pierwszy rzut oka mo-
˝e si´ wi´c wydawaç, ˝e EDT zamieniajà tylko jeden rodzaj
energii na drugi. Co gorsza, pobierajàc elektrycznoÊç z wi´-
zi, satelita obni˝a orbit´ i potrzebuje nieustannego podnosze-
nia, podczas gdy praca ogniw paliwowych, które przekszta∏-
cajà paliwo na elektrycznoÊç w sposób bezpoÊredni, nie
powoduje ˝adnych zmian orbity. Po co wi´c zawracaç sobie
g∏ow´ wi´ziami?

Okazuje si´, ˝e – choç wyglàda to na paradoks – wi´zi mo-

gà osiàgaç wi´kszà wydajnoÊç. Kombinacja rakieta–wi´ê mo-
˝e generowaç pràd o mocy nawet trzykrotnie wi´kszej ni˝
ogniwa paliwowe, poniewa˝ w przeciwieƒstwie do niej ogni-
wa nie wykorzystujà swej energii orbitalnej. Co wi´cej, taka
kombinacja zu˝ywa mniej paliwa ni˝ zestaw ogniw wytwa-
rzajàcy pràd o takiej samej mocy; z jednym wszak˝e zastrze-
˝eniem: poniewa˝ wi´ê jest ci´˝sza ni˝ ogniwa, wykorzysta-
nie jej jako generatora elektrycznego staje si´ op∏acalne
dopiero wtedy, gdy lot trwa d∏u˝ej ni˝ 5–10 dni.

Wi´zi, na Jowisza!

DODATKOWE KORZYÂCI

z zastosowania wi´zi pojawià si´ przy wy-

prawach do Jowisza i jego ksi´˝yców. Wykorzystujàc za po-
mocà EDT fizyczne cechy tej olbrzymiej planety, mo˝na znacz-
nie zmniejszyç iloÊç paliwa potrzebnà do zrealizowania takich

misji. Podobnie jak Ziemia Jowisz jest otoczony namagne-
sowanà jonosferà, która rotuje wraz z planetà. Jednak w od-
ró˝nieniu od naszej jonosfera Jowisza rozciàga si´ poza or-
bit´ stacjonarnà (obiekt krà˝àcy po takiej orbicie „wisi” przez
ca∏y czas nad tym samym punktem powierzchni planety).
Ziemska orbita stacjonarna przebiega na wysokoÊci oko∏o
35 800 km nad powierzchnià naszej planety, jowiszowa
– oko∏o 88 500 km nad powierzchnià jowiszowych chmur.

Obiekt umieszczony na orbicie stacjonarnej okrà˝a Jowisza

z tà samà pr´dkoÊcià co jonosfera. JeÊli statek kosmiczny nie-
co obni˝y swà orbit´, b´dzie poruszaç si´ szybciej ni˝ nama-
gnesowana plazma w jego otoczeniu. Na wi´ê zacznie dzia-
∏aç si∏a oporu i pop∏ynie w niej pràd elektryczny. Z kolei jeÊli
statek znajdzie si´ ponad orbità stacjonarnà, b´dzie poruszaç
si´ wolniej ni˝ plazma. Wytworzy si´ wówczas si∏a ciàgu oraz
– tak jak w poprzednim przypadku – pràd elektryczny, który
mo˝na b´dzie wykorzystaç.

Na pozór znów dostajemy energi´ za darmo. Tak jednak

nie jest: w obu przypadkach wykorzystujemy energi´ rotacji
planety. Ca∏kowity moment p´du Jowisza jest jednak tak wiel-
ki, ˝e planeta nawet nie zauwa˝y, i˝ statek kosmiczny ode-
bra∏ jego niewielkà cz´Êç.

Zgodnie z zasadami dynamiki si∏a oporu i si∏a ciàgu dzia-

∏ajà najefektywniej w dwóch punktach orbity: po∏o˝onym naj-
bli˝ej planety (tzw. perycentrum) i najbardziej od niej odda-
lonym (tzw. apocentrum). Jak ju˝ wiemy, opór pojawi si´, gdy

54

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

ALFRED T

. KAMAJIAN

SPRZÑTANIE KOSMOSU

OBSZAR rozciàgajàcy si´ na wysokoÊci od 200 do 2000 km nad powierzchnià Ziemi jest zaÊmiecony przez dziesiàtki tysi´cy obiek-
tów – sà to nieczynne satelity, silniki rakietowe, od∏amki pojazdów kosmicznych rozerwanych przez eksplozj´ i narz´dzia zgubione
przez astronautów. Muszà minàç dziesiàtki lub setki lat, zanim przedmioty te opadnà w dolne warstwy atmosfery, gdzie sp∏onà. Wy-
posa˝ajàc nowo wystrzeliwane satelity w wi´zi, mo˝emy tanim kosztem znacznie przyÊpieszyç ten proces.

1

Satelita umieszczony
na orbicie 1000 km

nad powierzchnià Ziemi
potrzebuje oko∏o
2000 lat, aby opaÊç
w g´ste warstwy
atmosfery i sp∏onàç

2

Skoƒczywszy prac´
na orbicie, satelita

rozwija swojà wi´ê.
Dzia∏a na nià si∏a oporu,
która spycha satelit´
w g´ste warstwy
atmosfery

3

Znalaz∏szy si´
wystarczajàco blisko

powierzchni Ziemi,
satelita gwa∏townie nurkuje
w g´stej atmosferze
i spala si´

Rozwini´ta wi´ê

MISJE Z WI¢ZIAMI

DOÂWIADCZALNE UK¸ADY Z WI¢ZIAMI sà ju˝ od dziesi´cioleci wystrzeliwane – z ró˝nym powodzeniem. Niekiedy wi´zi nie uda∏o si´
w pe∏ni rozwinàç. Jednak nawet niezbyt udane eksperymenty zademonstrowa∏y obiecujàce mo˝liwoÊci tej techniki i zaowocowa∏y wie-
loma ulepszeniami konstrukcyjnymi. Misje wykorzystujàce wi´zi elektrodynamiczne oznaczono kolorem bràzowym.

statek znajdzie si´ wewnàtrz orbity stacjonarnej, ciàg zaÊ –
gdy znajdzie si´ na zewnàtrz. Wyobraêmy sobie, ˝e wypo-
sa˝ony w EDT statek kosmiczny zbli˝a si´ do Jowisza ze
wzgl´dnà pr´dkoÊcià oko∏o 6 km/s. JeÊli nie zacznie hamo-
waç, przeleci obok niego i pomknie dalej w kosmos. JeÊli jed-
nak w odpowiednim momencie w∏àczymy EDT, statek wytra-
ci pr´dkoÊç na tyle, by osiàÊç na bardzo wyd∏u˝onej orbicie
eliptycznej. Aby przeprowadziç ten manewr, nale˝y zmniejszyç
pr´dkoÊç zaledwie o kilkaset metrów na sekund´, co mo˝na
osiàgnàç, stosujàc EDT d∏ugoÊci kilkudziesi´ciu kilometrów.

Przy kolejnych okrà˝eniach Jowisza kontrolerzy lotu b´dà

w∏àczaç EDT w pobli˝u perycentrum, co wywo∏a efekt ha-
mowania. W innych punktach orbity EDT pozostanie wy∏àczo-
na. Dzi´ki temu poczàtkowa, silnie wyd∏u˝ona orbita elip-
tyczna stopniowo przekszta∏ci si´ w prawie ko∏owà orbit´ o
stosunkowo niewielkiej Êrednicy. Wystarczy wówczas niewiel-
ka si∏a elektrodynamiczna, by skierowaç statek ku czterem
najwi´kszym ksi´˝ycom Jowisza, poczynajàc od najdalszego
(Kallisto), a koƒczàc na najbli˝szym (Io). Poniewa˝ okres obie-
gu Kallisto wynosi oko∏o pó∏ miesiàca, taki manewr potrwa∏-
by nieca∏y rok.

Aby powróciç na Ziemi´, trzeba b´dzie postàpiç odwrotnie.

Kontrolerzy w∏àczà wi´ê w apocentrum po∏o˝onym na ze-
wnàtrz orbity stacjonarnej, przy czym statek dozna przyÊpie-
szenia. Po wielokrotnym przeprowadzeniu tego manewru
perycentrum orbity tak˝e znajdzie si´ na zewnàtrz orbity sta-
cjonarnej. Mo˝na b´dzie wtedy (znowu „za darmo”) przyÊpie-
szaç statek w pobli˝u perycentrum, co stopniowo zwi´kszy od-
leg∏oÊç apocentrum. Koƒcowe pchni´cie skieruje statek na
orbit´ powrotnà do Ziemi. Rotacja Jowisza zapewni energi´

potrzebnà do przeprowadzenia tych manewrów, a tak˝e do
zasilania wszystkich urzàdzeƒ. Dzi´ki ograniczeniu zu˝ycia
paliwa koszty ca∏ej misji zostanà znacznie zmniejszone.

W ciàgu ostatnich 30 lat technologia wi´zi kosmicznych

poczyni∏a znaczne post´py. Zanim jednak znajdzie ona prak-
tyczne zastosowanie w lotach wokó∏ Ziemi, Jowisza i innych
planet, trzeba b´dzie jeszcze rozwiàzaç wiele problemów. In-
˝ynierowie muszà opracowaç metody chroniàce wi´zi przed
skutkami znacznej ró˝nicy potencja∏ów elektrycznych, jaka
wyst´puje mi´dzy nimi a jonosferà, a tak˝e przeciwdzia∏ajà-
ce powolnej degradacji materia∏ów na orbicie. Muszà te˝ wy-
eliminowaç najró˝niejsze wibracje, które pojawiajà si´ w wi´-
ziach. TrudnoÊci te sà jednak do przezwyci´˝enia i wielu
naukowców spodziewa si´, ˝e w niezbyt odleg∏ej przysz∏oÊci
wi´zi b´dà powszechnie wykorzystywane w kosmosie.

n

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

55

ZDJ¢CIA ZA ZGODÑ NA

V

AL RESEARCH L

ABORA

TORY

Active Charging Control and Tethers. J. R. Sanmartín; Environnement

Spatial: Prévention des Risques Liés aux Phénom¯nes de Charge.
CNES/ONERA course, Toulouse, 2002. Cépadu¯s Éditions; 2002.

Overview of Future NASA Tether Applications. L. Johnson, B. Gilchrist,

R. D. Estes i E. Lorenzini; Advances in Space Research, tom 24, nr 4,
s. 1055-1063; 1999.

Tethers in Space Handbook. M. L. Cosmo i E. C. Lorenzini. Wyd. III;

Smithsonian Astrophysical Observatory; 1997. Podr´cznik dost´pny
pod adresem:

http://cfa-www.harvard.edu/spgroup/handbook.html

Bare Wire Anodes for Electrodynamic Tethers. J. R. Sanmartín, M. Mar-

tinez-Sanchez i E. Ahedo; Journal of Propulsion and Power, tom 9, nr 3,
s. 353-360; 1993.

In-Orbit Experimentation with the Small Expendable-Tether Deployment

System. E. C. Lorenzini i J. A. Carroll; ESA Journal, tom 15, nr 1, s. 27-
33; 1991.

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

TiPS

ATEx

MISJA

ROK

ORBITA

D¸UGOÂå

AGENCJA

Gemini 11

1967

niska

30 m

NASA

Gemini 12

1967

niska

30 m

NASA

H-9M-69

1980

suborbitalna

< 500 m

NASA

S-520-2

1981

suborbitalna

< 500 m

NASA

Charge-1

1983

suborbitalna

500 m

NASA i ISAS (Japonia)

Charge-2

1984

suborbitalna

500 m

NASA i ISAS (Japonia)

Oedipus-A

1989

suborbitalna

958 m

NRC (Kanada) i NASA

Charge-2B

1992

suborbitalna

500 m

NASA i ISAS (Japonia)

TSS-1

1992

niska

< 500 m

NASA i W∏oska Agencja Kosmiczna

SEDS-1

1993

niska

20 km

NASA

PMG

1993

niska

500 m

NASA

SEDS-2

1994

niska

20 km

NASA

Oedipus-C

1995

suborbitalna

1 km

NRC (Kanada) i NASA

TSS-1R

1996

niska

19.6 km

NASA i W∏oska Agencja Kosmiczna

TiPS

1996

niska

4 km

NRO i NRL

ATEx

1999

niska

6 km

NRL