199904 w poszukiwaniu nowej dro

W poszukiwaniu

nowej drogi w kosmos

Aby si´gnàç dalej w kosmos, ludzkoÊç musi najpierw nauczyç si´
docieraç tam taniej i sprawniej. Pomys∏ów nie brakuje

30 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

ok 1996 by∏ prze∏omowy w historii
lotów kosmicznych. Wed∏ug badaƒ
prowadzonych przez firm´ KPMG

Peat Marwick w∏aÊnie wtedy po raz pierw-
szy przychód firm komercyjnych z dzia∏alno-
Êci kosmicznej przekroczy∏ w skali Êwiatowej
nak∏ady poniesione przez sektor paƒstwo-
wy i wyniós∏ oko∏o 77 mld dolarów. Tenden-
cja rozwojowa si´ utrzymuje. W roku 1997
na orbit´ wyniesiono oko∏o 150 satelitów cy-
wilnych i wojskowych, w tym 75 komercyj-
nych, co oznacza trzykrotny wzrost w po-
równaniu z rokiem poprzednim. Wed∏ug
analityka Jonathana McDowella z Harvard
University liczba wyniesionych na orbit´
obiektów w roku 1998 by∏a zbli˝ona do tej
z 1997. Badania rynkowe wskazujà, ˝e coraz
wi´cej b´dzie startów komercyjnych w ciàgu
najbli˝szych kilku lat – jeden z szacunków
przewiduje wys∏anie 1200 satelitów teleko-
munikacyjnych w latach 1998–2007. Krótko
mówiàc, w kosmosie zaczyna si´ goràczka
z∏ota, przy której kalifornijska z ubieg∏ego
wieku pójdzie w zapomnienie.

EntuzjaÊci lotów kosmicznych wyglàda-

jà dnia, kiedy nie tylko zawodowi astronau-
ci czy kongresmani, ale i zwykli Êmiertelni-
cy b´dà mogli opuÊciç Ziemi´, udajàc si´ na
wypoczynek do orbitalnego sanatorium al-
bo do bazy na Ksi´˝ycu lub Marsie. Lobby
Space Transportation Association utwo-
rzy∏o ostatnio oddzia∏ promocji turystyki
kosmicznej w nadziei, ˝e stanie si´ ona sty-
mulatorem pozaziemskich przedsi´wzi´ç
gospodarczych.

Powa˝nà przeszkodà na drodze do

gwiazd jest jednak trudnoÊç dostania si´
tam w ogóle. Ju˝ samo wejÊcie na orbit´ to
przedsi´wzi´cie kosztowne i niebezpieczne.
Obecne systemy nap´dowe statków ko-
smicznych z ledwoÊcià wystarczajà na wy-
s∏anie próbników do odleg∏ych cia∏ Uk∏a-
du S∏onecznego. Muszà one podà˝aç po
d∏ugich, okr´˝nych trajektoriach wokó∏ kil-
ku planet, wykorzystujàc ich pole grawita-
cyjne do zwi´kszenia swej pr´dkoÊci. U ce-

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 31

STATKI KOSMICZNE za kilkadziesiàt lat b´-
dà zapewne wyglàdaç zupe∏nie inaczej ni˝
obecnie. Orbitalna elektrownia s∏oneczna
(z lewej u góry) przesy∏a wiàzk´ mikrofalo-
wà do statku Êwietlnego (z lewej na dole)
nap´dzanego przez si∏y magnetohydrodyna-
miczne; staromodny wahad∏owiec (w tle na
dole) wypuÊci∏ w∏aÊnie satelit´, który zosta∏
przechwycony przez obracajàcy si´ uk∏ad li-
nowy (z prawej u góry). Rotacyjny jedno-
stopniowy statek noÊny uwalnia innego sa-
telit´ (poÊrodku na dole). Tymczasem ku
odleg∏emu celowi wyrusza ˝aglowiec Êwietl-
ny (z prawej na dole).

Tim Beardsley,

cz∏onek zespo∏u redakcyjnego

Scientific American

SLIM FILMS

lu podró˝y brakuje im ju˝ energii na po-
wrót. Dotarcie do innych uk∏adów pla-
netarnych zaj´∏oby im wiele stuleci.

Na szcz´Êcie konstruktorom nie bra-

kuje pomys∏ów na nowe systemy nap´-
dowe, dzi´ki którym w przysz∏oÊci lu-
dzie – w przenoÊni lub dos∏ownie –
zaznaczà silniej swojà obecnoÊç w ko-
smosie. Niektóre dotyczà radykalnych
zmian w obecnych silnikach rakietowych
i odrzutowych, inne – wykorzystania
energii jàdrowej lub wiàzek laserowych
wielkiej mocy. Konstruktorzy kreÊlà ju˝
nawet projekty „wind kosmicznych” do
wynoszenia ∏adunków na orbit´.

„Wejdê na niskà orbit´, a znajdziesz

si´ w po∏owie drogi do dowolnego miej-
sca Uk∏adu S∏onecznego” – te pami´tne
s∏owa napisa∏ autor powieÊci science fic-
tion Robert A. Heinlein. I rzeczywiÊcie,
wszyscy analitycy zgadzajà si´, ˝e tani
dost´p na niskà orbit´ wokó∏ziemskà to
krok najwa˝niejszy, poniewa˝ wi´kszoÊç
projektów ekspansji cz∏owieka w ko-
smosie opiera si´ na monta˝u wielkich
statków kosmicznych na orbicie, który
wymaga wielu lotów rakiet noÊnych.

KoniecznoÊç opracowania lepszych

systemów wynoszenia ∏adunków na or-

bit´ istnieje ju˝ teraz i wynika z zapo-
trzebowania zarówno sektora prywat-
nego, jak i publicznego. Wi´kszoÊç sate-
litów komercyjnych wysy∏ana jest na
zat∏oczonà orbit´ geostacjonarnà, gdzie
walczà o miejsce na wysokoÊci 36 tys. km
nad równikiem, albo na niskà orbit´ za-
ledwie kilkaset kilometrów nad Ziemià.
Niskie orbity wokó∏ziemskie szybko sta-
jà si´ kosmicznà strefà gospodarczà, po-
niewa˝ z tak niewielkich odleg∏oÊci sa-
telity mogà nadawaç sygna∏y bezpo-
Êrednio do odbiorników na biurku, a na-
wet mieszczàcych si´ w kieszeni.

Szybko roÊnie równie˝ liczba sateli-

tów naukowych. W ciàgu najbli˝szych
10 lat wystartuje niemal 50 du˝ych ko-
smicznych laboratoriów i próbników
mi´dzyplanetarnych. Ich liczba b´dzie
z pewnoÊcià wzrastaç, jako ˝e NASA
wprowadza nowà polityk´, a mianowi-
cie k∏adzie nacisk na szybszà i taƒszà
budow´ coraz lepszych statków; obecne
misje naukowe kosztujà zaledwie jed-
nà trzecià tego, co typowe tego rodza-
ju przedsi´wzi´cia z poczàtku lat dzie-
wi´çdziesiàtych. Mi´dzynarodowa Sta-
cja Kosmiczna podczas 15 lat planowa-
nego funkcjonowania b´dzie wymaga-

∏a kilkudziesi´ciu lotów – w celu dowie-
zienia za∏ogi, paliwa i innych ∏adun-
ków; nie mówiàc ju˝ o 43 lotach nie-
zb´dnych do jej zmontowania. W naj-
bli˝szych latach ponad atmosfer´ wznie-
sie si´ równie˝ ca∏a flotylla satelitów
obserwacyjnych – od szpiegowskich i
meteorologicznych po technicznie za-
awansowane platformy monitorujàce
zmiany globalne. Tak wielkie zapotrze-
bowanie na transport na orbit´ sk∏oni∏o
zajmujàcy si´ komercyjnym wykorzy-
staniem kosmosu oddzia∏ Boeinga do
nawiàzania wspó∏pracy z RSC-Energia
z Moskwy i Kvaerner Maritime z Oslo.
Razem majà przebudowaç platform´
wiertniczà na p∏ywajàcà wyrzutni´
o wypornoÊci 34 tys. t, którà da si´ przy-
holowaç w korzystne z balistycznego
punktu widzenia miejsca startu.

Gdy minie goràczka

Nawet najbardziej trzeêwo myÊlàcy

naukowcy chcieliby mieç do dyspozycji
jak najliczniejszà flotyll´ statków ko-
smicznych do monitorowania Êrodowi-
ska naturalnego Ziemi i badania Uk∏a-
du S∏onecznego. Obdarzeni wi´kszà wy-
obraênià widzà przed oczyma duszy
kwitnàcy przemys∏ kosmiczny oparty na
eksploatacji minera∏ów z planetoid i pla-
net oraz pozyskiwania z ich atmosfer
gazów, które mia∏yby s∏u˝yç jako êró-
d∏a energii i zapewniç warunki do ˝ycia.
K. R. Sridhar z University of Arizona
przyjà∏ za dobrà monet´ retoryk´ entu-
zjastów Marsa twierdzàcych, ˝e kosmi-
czni pionierzy „b´dà musieli zadowoliç
si´ tym, co zastanà”: opracowa∏ ogniwo
elektrochemiczne do wytwarzania tle-
nu z atmosfery Czerwonej Planety. Jed-
na z firm, SpaceDev, zacz´∏a ju˝ nawet
rozwa˝aç sposoby wydobycia minera-
∏ów z planetoid, otrzymujàc zresztà za
swój przedwczesny zapa∏ reprymend´
od Komisji Papierów WartoÊciowych i
Gie∏dy. Niektórzy marzyciele szukajà
wr´cz sposobu wys∏ania próbników po-
za dominium S∏oƒca, w otch∏aƒ prze-
strzeni mi´dzygwiezdnej.

Domaganie si´ biletu w kosmos jest

szczególnie warte odnotowania z po-
wodu jego niezwykle wysokiej ceny.
W przypadku lotu na niskà orbit´ i ra-
kiet konwencjonalnych, opracowywa-
nych najcz´Êciej za pieniàdze paƒstwo-
we, wynosi ona oko∏o 20 tys. dolarów
za kilogram. Tani transport mia∏ zapew-
niç wahad∏owiec eksploatowany obec-
nie przez prywatne przedsi´biorstwo
United Space Alliance, joint venture
Boeinga i Lockheeda Martina; ostatecz-
nie jednak cena wyniesienia przezeƒ ∏a-
dunku nie odbiega od kosztu transpor-
tu rakietà konwencjonalnà. Zresztà od

32 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

ZASILANY ENERGIÑ S¸ONECZNÑ POJAZD do transportu ∏adunków z niskiej orbi-
ty na wysokà budowany jest obecnie przez Boeinga. Wielki reflektor skupia pro-
mienie s∏oneczne na bloku grafitowym, ogrzewajàc go do temperatury 2100°C. Gra-
fit ogrzewa nast´pnie czynnik roboczy w postaci ciek∏ego wodoru, który odparowuje,
wytwarzajàc ciàg. Statek powoli, przez kilka tygodni, wynosi ∏adunki z niskiej orbi-
ty wokó∏ziemskiej na wy˝szà. Poniewa˝ nie jest ci´˝ki, do umieszczania satelitów
na orbicie mo˝e pos∏u˝yç si´ rakietami l˝ejszymi ni˝ dotychczas stosowane.

Pojazd s∏oneczny
do transportu ∏adunków
z orbity na orbit´

Przybli˝ona data startu:

2002 rok

Orientacyjny koszt:

30 mln dolarów

èród∏o zasilania:

s∏oneczna energia cieplna

Za zgodà BOEINGA

katastrofy Challengera w 1986 roku wa-
had∏owca nie u˝ywa si´ do wynoszenia
w kosmos ∏adunków komercyjnych.
Gdyby jednak wyposa˝enie pozwoli∏o
mu zabraç jednorazowo na orbit´ 50 pa-
sa˝erów, to ka˝da z osób musia∏aby za-
p∏aciç 8.4 mln dolarów, aby przewoê-
nik nie dop∏aci∏ do lotu.

Wyprawy w kosmos sà tak kosztow-

ne, poniewa˝ pojazdy noÊne muszà za-
bieraç w swojà krótkà podró˝ zarówno
paliwo, jak i utleniacz; ponadto niemal
wszystkie (z wyjàtkiem wahad∏owca na-
dajàcego si´ cz´Êciowo do ponownego
wykorzystania) po pierwszych kilku mi-
nutach ognistego triumfu zostajà porzu-
cone i spalajà si´ w atmosferze. Konstruk-
torzy od dawna usi∏ujà ograniczyç koszty
startu przez zbudowanie statku wielo-
krotnego u˝ycia, który przed kolejnym
lotem wymaga∏by tylko uzupe∏nienia pa-
liwa i stosunkowo prostego przeglàdu,
podobnie jak wspó∏czesne samoloty pa-
sa˝erskie. W ostatnich latach powsta∏o
wiele przedsi´biorczych firm, które sta-
wiajà sobie za cel zmniejszenie kosztów
lotu w kosmos. Kierujà nimi cz´sto byli
wysocy urz´dnicy NASA. Wi´kszoÊç
tych firm stara si´ uczyniç dost´pne tech-

niki wynoszenia niewielkich ∏adunków
na niskà orbit´ op∏acalnymi z handlowe-
go punktu widzenia.

Ryzyka zwiàzanego z budowà rakiet,

nawet tych opartych na dobrze spraw-
dzonych rozwiàzaniach, w ˝adnym ra-
zie nie wolno lekcewa˝yç. Pierwszy
egzemplarz rakiety Delta 3 Boeinga, b´-
dàcy zarazem pierwszà od kilkudzie-
si´ciu lat du˝à rakietà noÊnà zbudowanà
z funduszy niepaƒstwowych, eksplo-
dowa∏ w sierpniu ub. r. wkrótce po star-
cie z Przylàdka Canaveral, opóêniajàc
realizacj´ planów koncernu. Zaledwie
dwa tygodnie wczeÊniej nad przylàd-
kiem wybuch∏a rakieta Titan 4A, nale˝à-
ca do U.S. Air Force i zbudowana przez
Lockheeda Martina. Europejska firma
Arianespace natomiast ponios∏a kosz-
townà pora˝k´ w 1996 roku, kiedy za-
wiod∏a jej nowa rakieta noÊna Ariane 5.
W Stanach Zjednoczonych w ciàgu
ostatniego dziesi´ciolecia ró˝nice zdaƒ
co do potrzeb i kosztów doprowadzi∏y
do zarzucenia kilku sponsorowanych
przez paƒstwo projektów zbudowania
nowych rakiet jednorazowego u˝ytku.

Przedsi´biorcy nie zniech´cajà si´ jed-

nak tak ∏atwo. Jednà z przodujàcych

i najlepiej stojàcych finansowo firm no-
wej generacji jest Kistler Aerospace
z Kirkland (stan Waszyngton), która bu-
duje pierwsze dwie z pi´ciu planowa-
nych rakiet wyposa˝onych w rosyjskie
silniki.

Âwie˝e pomys∏y

Pierwsze stopnie tych rakiet b´dà wra-

ca∏y do miejsca startu, drugie przed po-
wrotem majà okrà˝yç Ziemi´. Oba stop-
nie b´dà opada∏y na spadochronach
i làdowa∏y na nadmuchiwanych podusz-
kach powietrznych. Firma zgromadzi∏a
ju˝ 440 mln dolarów i szuka nast´pnych
setek milionów; twierdzi, ˝e mimo trud-
noÊci finansowych loty powinny rozpo-
czàç si´ w tym roku. Finansowana z fun-
duszy prywatnych Beal Aerospace Tech-
nologies z Teksasu pracuje nad trzystop-
niowà rakietà, która ma polecieç w trze-
cim kwartale roku 2000. Byç mo˝e póê-
niej zostanie skonstruowana wersja na-
dajàca si´ do wielokrotnego u˝ytku – mó-
wi wiceprezes firmy David Spoede.

Kilka firm planuje pokonaç konku-

rencj´ dzi´ki wykorzystywaniu podczas
lotu tlenu atmosferycznego i tym samym

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 33

ROTON jest budowany przez firm´ Rotary Rocket z Redwood City (Kalifornia). Startuje pionowo, a nap´dza go lekki wirujàcy sil-
nik rakietowy. Po umieszczeniu ∏adunku na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej odwraca si´ ty∏em do kierunku ruchu i rozk∏ada wirnik
podobny jak w Êmig∏owcu. Do atmosfery wchodzi rufà do przodu. Wirnik poczàtkowo obraca si´ autorotacyjnie (bez nap´du), lecz
przed làdowaniem rozkr´cajà go ma∏e silniki rakietowe umieszczone na koƒcówkach ∏opat. Statek làduje pionowo.

Wirujàca rakieta Roton

Przybli˝ona data startu:

2000 rok

Orientacyjny koszt:

100 mln dolarów

èród∏o zasilania:

wirujàcy silnik rakietowy

Roton wznosi si´
w atmosferze
nap´dzany
przez wirujàcy
silnik rakietowy

Roton umieszcza ∏adunek
na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej

Pojazd zaczyna si´ odwracaç
i rozk∏ada wirnik

Roz∏o˝ony swobodny wirnik
gotowy do przejÊcia przez atmosfer´

Roton wchodzi
w atmosfer´ rufà
do przodu

Wirnik nap´dzany przez ma∏e
silniki rakietowe na koƒcach
∏opat; statek stabilizujà
rakietowe silniczki korekcyjne

ALFRED T. KAMAJIAN

(ilustracja)

; wstawka za zgodà ROTARY ROCKET COMPANY

zmniejszeniu iloÊci materia∏ów p´dnych,
jakie rakieta musi ze sobà zabraç. Naj-
∏atwiej osiàgnàç ten cel w przypadku
statku startujàcego i làdujàcego pozio-
mo. Pioneer Rocketplane z Vandenberg
(Kalifornia) projektuje lekki dwuosobo-
wy pojazd, nap´dzany silnikiem rakieto-

wym oraz konwencjonalnymi turbino-
wymi silnikami dwuprzep∏ywowymi.
Samolot taki z ∏adunkiem i drugim stop-
niem w niewielkiej ∏adowni (podobnej
jak w wahad∏owcu) b´dzie startowa∏
z pasa, wykorzystujàc silniki turbinowe,
i wzniesie si´ na wysokoÊç 6100 m. Tam

oczekujàcy go powietrzny zbiornikowiec
przeka˝e mu 64 t ciek∏ego tlenu. Po roz-
dzieleniu obu maszyn tlen pos∏u˝y do
zasilania silników rakietowych statku
noÊnego – nadadzà mu one pr´dkoÊç
15-krotnie wi´kszà od pr´dkoÊci dêwi´-
ku (tzn. Mach 15) i wyniosà go na wy-

34 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

d wielu lat konstruktorzy marzyli o zbudowaniu statku po-
wietrznego osiàgajàcego hipersonicznà pr´dkoÊç wi´kszà

ni˝ Mach 5, czyli poruszajàcego si´ ponadpi´ciokrotnie szybciej
ni˝ dêwi´k. Statek taki, nap´dzany odrzutowym silnikiem przelo-
towym specjalnego typu, móg∏by dotrzeç nawet na wokó∏ziemskà
orbit´. Pierwsze projekty maszyn tego typu rozwa˝ano ju˝ przesz∏o
40 lat temu. Coraz wi´ksze zapotrzebowanie na taƒszy system
wynoszenia ∏adunków na orbit´ i post´p techniczny w ostatnich
latach sprawi∏y, ˝e naukowcy zacz´li powa˝nie rozpatrywaç wy-
korzystanie takiego nap´du do lotów w kosmos.

Pod pewnymi istotnymi wzgl´dami silniki przelotowe sà lep-

sze od silników rakietowych. Poniewa˝ pobierajà tlen z atmo-
sfery, statek potrzebuje mniej materia∏ów p´dnych – tylko pa-
liwo bez utleniacza – i dzi´ki temu mo˝e byç mniejszy, l˝ejszy
i taƒszy. Do wytworzenia takiego samego ciàgu silniki przelo-
towe wymagajà przesz∏o siedmiokrotnie mniej materia∏ów p´d-
nych ni˝ silniki rakietowe. Ponadto statki nap´dzane tymi pierw-
szymi korzysta∏yby nie tylko z samego ciàgu silnika jak rakiety,
ale tak˝e z si∏ aerodynamicznych. Dzi´ki temu ∏atwiej da∏oby
si´ nimi manewrowaç i by∏yby bezpieczniejsze – mo˝na by na-
wet przerwaç start i sprowadziç pojazd lotem szybowym z po-
wrotem na Ziemi´. Pozwala∏yby tak˝e na bardziej elastyczne kie-
rowanie przebiegiem misji.

W porównaniu jednak z klasycznymi silnikami rakietowymi,

intensywnie udoskonalanymi od lat czterdziestych, silniki prze-
lotowe do nap´du kosmicznych pojazdów noÊnych sà jeszcze nie
dopracowane. Hipersoniczne silniki przelotowe dopiero zaczy-
najà przybieraç dojrza∏à form´.

OczywiÊcie klasyczne silniki odrzutowe – wytwarzajàce ciàg na

zasadzie rozpr´˝ania przez dysz´ spalonej mieszanki paliwa
i skompresowanego powietrza atmosferycznego – znane sà od
dawna. Silniki turboodrzutowe jednak, stosowane na przyk∏ad

do nap´du samolotów pasa˝erskich i bojowych, nie nadajà si´
do lotów z pr´dkoÊcià przekraczajàcà Mach 3 lub Mach 4, po-
niewa˝ ich turbiny i ∏opatki spr´˝arek przegrzewa∏yby si´ i ule-
ga∏y uszkodzeniu.

Na szcz´Êcie w przypadku tak znacznych pr´dkoÊci nad-

dêwi´kowych turbiny nie sà niezb´dne, gdy˝ dzi´ki odpowied-
niemu zaprojektowaniu silnika kompresj´ powietrza wywo∏uje
sam napór. Silnik zwany strumieniowym ma wlot specjalnie wy-
profilowany w taki sposób, aby spowalnia∏ i kompresowa∏ po-
wietrze podczas szybkiego ruchu pojazdu w atmosferze. Ponie-
wa˝ silniki strumieniowe nie dzia∏ajà, dopóki pojazd nie nabierze
odpowiedniej pr´dkoÊci, scalane sà we wspólnej obudowie z sil-
nikami turboodrzutowymi jak we francuskim samolocie doÊwiad-
czalnym Griffon II, który w 1959 roku ustanowi∏ rekord pr´dko-
Êci na trasie zamkni´tej – 1640 km/h. Silniki strumieniowe by∏y
tak˝e ∏àczone z silnikami rakietowymi w pociskach ziemia–po-
wietrze i powietrze–ziemia. Przestajà one jednak dzia∏aç powy-
˝ej szybkoÊci odpowiadajàcej Mach 6, poniewa˝ komora spala-
nia rozgrzewa si´ tak bardzo, ˝e produkt reakcji (woda) ulega
chemicznemu rozk∏adowi.

Aby uzyskaç jeszcze wy˝sze pr´dkoÊci, w naddêwi´kowych sil-

nikach strumieniowych, czyli superstrumieniowych (scramjets),
redukuje si´ kompresj´ powietrza we wlocie, dzi´ki czemu jego
przep∏yw jest spowalniany o wiele s∏abiej. Poniewa˝ pozostaje
on naddêwi´kowy, temperatura powietrza nie wzrasta tak bar-
dzo jak w silniku strumieniowym. Paliwo wtryskiwane do nad-
dêwi´kowego strumienia powietrza musi si´ z nim zmieszaç
i spaliç w czasie rz´du milisekund. Górna granica pr´dkoÊci,
przy której mo˝e dzia∏aç silnik superstrumieniowy, nie zosta-
∏a jeszcze okreÊlona, ale teoretycznie przekracza pr´dkoÊç
niezb´dnà do wyniesienia ∏adunku na orbit´ (Mach 20–25). Jed-
nak wtedy przewaga silników superstrumieniowych nad rakieto-

wymi staje si´ problematycz-
na ze wzgl´du na ogromne
napr´˝enia konstrukcji.

Silnik superstrumieniowy

mo˝e byç zasilany ró˝nymi
paliwami, m.in. zarówno czy-
stym wodorem, jak w´glo-
wodorami. Ciek∏y wodór na-
p´dzajàcy amerykaƒski wa-
had∏owiec dobrze nadaje si´
do pojazdów wynoszàcych
∏adunki na orbit´, poniewa˝
przed spaleniem s∏u˝y do
ch∏odzenia silnika i pojazdu.
W´glowodorów nie da si´
w ten sposób wykorzystaç,
a ponadto ich zastosowanie
jest ograniczone do pr´dko-
Êci mniejszych od Mach 8.

W przypadku statku nap´-

dzanego silnikiem superstru-
mieniowym, który musi po-
bieraç z atmosfery ogromne

Silniki przelotowe

Charles R. McClinton

MODEL KOMPUTEROWY silnika superstrumienio-
wego przedstawia miejsca najwi´kszego przep∏y-
wu ciep∏a (pomaraƒczowy). Naddêwi´kowy prze-
p∏yw powietrza pod statkiem przyczynia si´ do
zmniejszenia obcià˝enia termicznego.

MA¸Y

FDC/NYMA,INC.

PRZEP¸YW CIEP¸A

DU˚Y

sokoÊç 113 km, gdzie b´dzie móg∏ zwol-
niç ∏adunek i drugi stopieƒ. Z technicz-
nego punktu widzenia najtrudniejsze
jest opracowanie bezpiecznego mechani-
zmu przetaczania ciek∏ego tlenu – mó-
wi wiceprezes firmy ds. rozwoju stosun-
ków handlowych Charles J. Lauer.

Równie˝ Kelly Space and Technology

pracuje nad startujàcym poziomo samo-
lotem do wynoszenia ∏adunków na or-
bit´, takim jednak, który zabiera∏by
wi´ksze ci´˝ary – do 32 t. Wyglàdajàcy
jak ma∏y wahad∏owiec Astroliner firmy
Kelly musi byç najpierw zaholowany

na 6100 m. Na tej wysokoÊci jego silni-
ki rakietowe przejdà test i zapadnie de-
cyzja, czy ma on wznieÊç si´ na 122 km,
czy wracaç na miejsce startu. Pierwsze
dwie maszyny powinny kosztowaç oko-
∏o 500 mln dolarów i Kelly szuka obec-
nie inwestorów.

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 35

iloÊci powietrza, ró˝nica mi´dzy p∏atowcem a silnikiem si´ za-
ciera. Wi´kszoÊç powietrza naporowego jest odchylana pod spód
statku, a ciÊnienie tego powietrza wzrasta. Zmiana ciÊnienia jest
zwykle tak du˝a, ˝e powstaje nieciàg∏oÊç przebiegu, zwa-
na falà uderzeniowà, zaczynajàca si´
na dziobie statku i rozchodzà-
ca nast´pnie w atmosferze.
Wi´kszoÊç spr´˝onego powie-
trza znajdujàcego si´ pomi´-
dzy spodem statku a falà uderzenio-
wà jest kierowana do silnika. Powietrze
ogrzewa si´ w miar´ spowalniania jego przep∏ywu
i spalania paliwa w komorze silnika. Mieszanina powie-
trza i spalonego paliwa wyp∏ywa przez dysze wewn´trz-
nà i zewn´trznà, dajàc ciàg. Zwi´kszone ciÊnienie pod
spodem statku wytwarza dodatkowo si∏´ noÊnà.

Aby poszerzyç zakres dzia∏ania silnika superstrumie-

niowego, konstruktorzy zaprojektowali statek, którego
silnik mo˝e dzia∏aç albo jak zwyk∏y silnik strumieniowy,
albo jak superstrumieniowy. Prac´ w dwóch trybach da
si´ uzyskaç dzi´ki zastosowaniu komory spalania
o zmiennej geometrii lub te˝ dzi´ki zmianom miejsca
wtrysku paliwa przez rozmieszczone w ró˝nych punk-
tach silnika wtryskiwacze.

Poniewa˝ ani silnik strumieniowy, ani superstru-

mieniowy nie mogà dzia∏aç przy pr´dkoÊciach poni˝ej
Mach 2–3, do startu trzeba u˝yç nap´du innego typu
(prawdopodobnie turboodrzutowego lub rakietowe-
go). Silniki hybrydowe nadajàce si´ do zastosowania
w statkach kosmicznych konstruuje si´ jako silniki rakie-
towe zintegrowane z komorà spalania silnika superstru-
mieniowego. Po starcie wytwarzajà one najpierw ciàg
w zakresie pr´dkoÊci poddêwi´kowych, potem niskich
naddêwi´kowych, a nast´pnie przechodzà w tryb stru-
mieniowy. Z kolei powy˝ej Mach 10–12 z trybu stru-
mieniowego prze∏àczajà si´ na superstrumieniowy, po
czym ponownie uruchamia si´ silnik rakietowy wspo-
magajàcy silnik superstrumieniowy do poziomu Mach18. Powy-
˝ej niego dzia∏a ju˝ tylko nap´d rakietowy, nadajàcy statkowi
pr´dkoÊç niezb´dnà do wejÊcia na orbit´ i wykorzystywany do dal-
szego manewrowania. NASA testuje obecnie kilka wersji takie-
go systemu.

Ostateczne sprawdzenie silników superstrumieniowych wy-

maga jednak jeszcze wiele pracy. Wyrafinowane komputerowe
modele mechaniki p∏ynów i specjalne metody projektowania
umo˝liwi∏y ju˝ opracowanie pojazdu noÊnego z wkomponowanym
w konstrukcj´ silnikiem superstrumieniowym. Wcià˝ jednak nie
wynaleziono odpowiednio lekkich i wytrzyma∏ych oraz odpor-
nych na wysokie temperatury materia∏ów pozwalajàcych na szyb-
kie i efektywne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, a tak-
˝e nie opracowano metod ograniczania nagrzania si´ ca∏ej
konstrukcji.

W latach siedemdziesiàtych Langley Research Center NASA

zademonstrowa∏o model nap´du superstrumieniowego dzia∏a-
jàcy w tunelu aerodynamicznym. Testy naziemne prototypów
wykonano w innych oÊrodkach amerykaƒskich, a tak˝e w An-
glii, Francji, Niemczech, Rosji, Japonii i Australii. Podobne bada-

nia prowadzi si´ tak˝e w Chinach, we W∏oszech i w Indiach.
Obecnie nie sà niczym niezwyk∏ym testy naziemne silników
superstrumieniowych dla symulowanych pr´dkoÊci odpowiada-
jàcych Mach 15. Rosjanom uda∏o si´ wykonaç testy silnika
strumieniowo-superstrumieniowego w locie z maksymalnà pr´d-
koÊcià Mach 6.4.

Na razie jednak ˝aden statek nie wykona∏ lotu z wykorzystaniem

nap´du superstrumieniowego, choç nied∏ugo testy takie si´ od-
b´dà. Langley Research Center NASA w zwiàzku z programem
badawczym Hyper-X buduje obecnie samolot doÊwiadczalny
X-43A d∏ugoÊci 3.6 m, który w ciàgu trzech lat ma wykonaç loty
z nap´dem superstrumieniowym z pr´dkoÊcià odpowiadajàcà
Mach 7 i Mach 10. JeÊli wszystko dobrze pójdzie, otworzà one
drog´ do praktycznego zastosowania nap´du superstrumienio-
wego, byç mo˝e w pojeêdzie przeznaczonym do hipersonicz-
nych lotów w kosmos.

CHARLES R. McCLINTON, kierownik techniczny programu

Hyper-X w Langley Research Center NASA, pasjonuje si´ tech-
nicznymi problemami hipersonicznego nap´du przelotowego od
lat szeÊçdziesiàtych.

WYSOKOÂå (KILOMETRY)

RAKIETOWY,

STRUMIENIOWY

ZE WSPOMAGANIEM

RAKIETOWYM

LUB TURBOOD-

RZUTOWY

SUPERSTRUMIENIOWY,

SUPERSTRUMIENIOWY

ZE WSPOMAGANIEM

RAKIETOWYM

LUB

RAKIETOWY

SYSTEM NAP¢DU

STRUMIENIOWO-SUPERSTRUMIENIOWY

PR¢DKOÂå STATKU (LICZBA MACHA)

STRU-

MIENIOWY

SUPERSTRUMIENIOWY

RAKIETOWY

125

100

SUPERSTRUMIENIOWIEC (u góry) – aby spaliç na przyk∏ad ciek∏y wo-
dór – musi pobieraç spod siebie du˝o powietrza. Silnik strumieniowo-
-superstrumieniowy mo˝na po∏àczyç z rakietowymi (wykres), by otrzy-
maç pojazd, który „poszybuje” w kosmos.

JOHANN ROSARIO

NASA LANGLEY

Inne firmy sà technicznie bardziej od-

wa˝ne. Na szczególnà uwag´ zas∏uguje
Rotary Rocket z Redwood City (Kalifor-
nia), która buduje za∏ogowà rakiet´ star-
tujàcà i làdujàcà pionowo. Najbardziej
nowatorskim elementem tej konstrukcji,
zwanej Rotonem, jest silnik. Paliwo i utle-

niacz sà podawane do 96 komór spala-
nia znajdujàcych si´ we wn´trzu pozio-
mego dysku o Êrednicy 7 m, który przed
startem osiàga pr´dkoÊç 720 obrotów na
minut´. CiÊnienie niezb´dne do spalania
wytwarzane jest przez si∏´ odÊrodkowà,
dzi´ki czemu nie trzeba korzystaç z ci´˝-

kich i kosztownych turbopomp, a statek
orbitalny mo˝e mieç konstrukcj´ jedno-
stopniowà. Roton wytraca wysokoÊç, ko-
rzystajàc z si∏y noÊnej wytwarzanej przez
sk∏adany wirnik, nap´dzany z kolei przez
maleƒkie silniki rakietowe na koƒców-
kach ∏opat. Firma zapewnia, ˝e b´dzie

36 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

dy ludzie rozpocznà kolonizacj´ Ksi´˝yca i planet, byç mo-
˝e wcale nie b´dà korzystali z najnowszych osiàgni´ç tech-

niki rakietowej. Niewykluczone, ˝e kosmiczni osadnicy pos∏u˝à
si´ wynalazkiem jeszcze z czasów prehistorycznych, a miano-
wicie linami.

Jakim cudem zwyk∏y sznur b´dzie nap´dzaç statki kosmiczne?

Rozwa˝my dwa scenariusze. W pierwszym dzi´ki grubej linie ∏à-
czàcej dwa satelity mo˝liwe jest przerzucenie jednego z nich na
innà orbit´; podobnie dawny myÊliwy rozkr´ca∏ nad g∏owà kamieƒ
w skórzanej procy, aby nadaç mu wi´kszà si∏´. W ten sposób
zdo∏amy przetransportowaç ∏adunki na Ksi´˝yc, a nawet dalej.
Zgodnie z drugim scenariuszem lina zostanie wykonana z ma-
teria∏u przewodzàcego, a p∏ynàcy w niej pràd b´dzie oddzia∏y-
wa∏ z ziemskim polem magnetycznym, dajàc w efekcie si∏´ na-
p´dowà dla satelity. Wielkà zaletà obu systemów lino-
wych – uk∏adu przekazywania momentu p´du oraz elek-
trodynamicznego – jest ich ekonomicznoÊç. Zamiast zu-
˝ywaç ogromne iloÊci paliwa wykorzystujà one ener-
gi´ elektrycznà generowanà przez baterie s∏oneczne lub

przejmujà niewielkà cz´Êç momentu p´du satelity znajdujàce-
go si´ ju˝ na orbicie.

Eksperymenty z satelitami na uwi´zi przeprowadzono na ra-

zie podczas 17 misji kosmicznych. Wi´kszoÊç z nich zakoƒczy-
∏a si´ pomyÊlnie, nag∏oÊniono jednak tylko dwa niepowodzenia.
W roku 1992 z dala od Ziemi, na d∏ugiej uwi´zi wykonanej z izo-
lowanego miedzianego przewodu, mia∏ zostaç wypuszczony
z wahad∏owca Atlantis w∏oski satelita; zakleszczy∏ si´ jednak
mechanizm szpulowy i eksperyment trzeba by∏o przerwaç.

Cztery lata póêniej NASA podj´∏a nast´pnà prób´. Tym ra-

zem, gdy lina rozwin´∏a si´ prawie na ca∏à zaplanowanà d∏u-
goÊç 20 km, jej ruch w wyniku przemieszczenia si´ wahad∏ow-
ca w ziemskim polu magnetycznym wywo∏a∏ w niej ró˝nic´
potencja∏ów 3500 V. Urzàdzenia elektroniczne wahad∏owca

Kosmiczne liny

Robert L. Forward i Robert P. Hoyt

¸ADUNKI NA KSI¢˚YC dostarczano by za pomocà systemu trzech lin.
Przesy∏ka wyniesiona na niskà orbit´ wokó∏ziemskà by∏aby przejmo-
wana przez pierwszà kozio∏kujàcà lin´ (wstawka). Ta przerzuca∏aby
∏adunek do drugiej liny na wy˝szej orbicie (1). Druga lina, niczym
myÊliwy rozkr´cajàcy kamieƒ w procy, wyrzuca∏aby ∏adunek (2) w kie-
runku Ksi´˝yca (3), gdzie przechwytywa∏aby go lina trzecia (4) z or-
bity wokó∏ksi´˝ycowej i opuszcza∏a na powierzchni´ (5).

LINA

¸ADUNEK

LINA NA NISKIEJ ORBICIE WOKÓ¸ZIEMSKIEJ

NISKA ORBITA
WOKÓ¸ZIEMSKA

WYSOKA WOKÓ¸ZIEMSKA
ORBITA ELIPTYCZNA

ALFRED T. KAMAJIAN

wynosiç ∏adunki na niskà orbit´ wokó∏-
ziemskà po cenie dziesi´ciokrotnie ni˝-
szej ni˝ obowiàzujàca obecnie. Pierwszy
lot orbitalny jest planowany na rok 2000;
przetestowano ju˝ poszczególne komo-
ry spalania, a loty w atmosferze sà prze-
widziane na ten rok. Realizacja projektu

wymaga pokonania wielu trudnoÊci – za-
uwa˝a Mark R. Oderman, dyrektor CSP
Associates z Cambridge (Massachusetts),
który dokona∏ przeglàdu nowych tech-
nik rakietowych. Twierdzi on, ˝e wiele
cech Rotona „pociàga za sobà ryzyko
techniczne lub finansowe”.

Space Access z Palmdale (Kalifornia)

projektuje zupe∏nie odmienny, ale rów-
nie Êmia∏o pomyÊlany pojazd. Jej ci´˝-
ki samolot kosmiczny startowa∏by i là-
dowa∏ poziomo za pomocà specjalnie
skonstruowanego silnika w uk∏adzie
zwanym e˝ektorowym silnikiem stru-

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 37

i w∏oskiego satelity umo˝liwi∏y odp∏yw ∏adunków do magnetosfe-
ry i przez przewód pop∏ynà∏ pràd o nat´˝eniu rz´du ampera.
Eksperyment ten dowiód∏, ˝e dzi´ki d∏ugim przewodom rozpi´-
tym w przestrzeni kosmicznej mo˝liwe jest elektrodynamiczne
przetwarzanie energii ruchu wahad∏owca na kilowaty energii
elektrycznej – i na odwrót.

Niestety, z powodu przerwy w izolacji dosz∏o do pot´˝nego spi´-

cia mi´dzy przewodem a manipulatorem wahad∏owca i lina si´
przepali∏a. Choç wypadek ten uniemo˝liwi∏ dokoƒczenie elektroma-
gnetycznej cz´Êci programu, to jednak pozwoli∏ zaobserwowaç
przekazanie momentu p´du. W chwili zerwania si´ liny w∏oski sa-
telita znajdowa∏ si´ 20 km nad wahad∏owcem i by∏ przezeƒ cià-
gni´ty z szybkoÊcià przekraczajàcà pr´dkoÊç orbitalnà dla tej wy-
sokoÊci. Kiedy wi´c lina p´k∏a, nadwy˝ka momentu p´du satelity
spowodowa∏a, ˝e wzniós∏ si´ on nad wahad∏owiec na wysokoÊç
siedmiokrotnie przekraczajàcà d∏ugoÊç przewodu – 140 km.

Inne próby by∏y bardziej udane. W 1993 roku w celu przetesto-

wania koncepcji Josepha A. Carrolla z firmy Tether Applications
z San Diego z du˝ego satelity na orbicie wokó∏ziemskiej spusz-
czono w dó∏ na 20-kilometrowej linie subsatelit´. Poniewa˝ jego
pr´dkoÊç by∏a mniejsza ni˝ lokalna pr´dkoÊç orbitalna, przeci´-
cie uwi´zi w odpowiedniej chwili spowodowa∏o, ˝e subsatelita
wylàdowa∏ w okreÊlonym wczeÊniej miejscu na Ziemi. Tether
Applications pracuje nad kapsu∏à powrotnà i linà; na Mi´dzyna-
rodowej Stacji Kosmicznej wykorzystywano by je do transportu
na Ziemi´ niewielkich pilnych przesy∏ek, w tym wyników doÊwiad-
czeƒ naukowych, które nie powinny czekaç na ponowne przyby-
cie wahad∏owca.

W innym eksperymencie tego rodzaju, przeprowadzonym w ro-

ku 1994, subsatelit´ pozostawiono na uwi´zi d∏ugoÊci 20 km
i gruboÊci sznurka od latawca, aby sprawdziç, ile czasu takie
po∏àczenie przetrwa w warunkach bombardowania mikromete-
oroidami i drobinami py∏u kosmicznego. Oczekiwano, ˝e lina,
którà mo˝e przerwaç szybko si´ poruszajàca czàstka o rozmia-
rach ziarnka piasku, przetrzyma jakieÊ 12 dni. Okaza∏o si´ jed-
nak, ˝e p´k∏a ju˝ po czterech.

Eksperyment ten podsunà∏ pomys∏ budowania po∏àczeƒ z wie-

lu linek oddzielonych od siebie, by nie mog∏a ich wszystkich prze-
rwaç jedna czàstka, tak jednak wzajemnie powiàzanych, ˝e po
przerwaniu jednej z nich pozosta∏e przejmà jej obcià˝enie. Kie-
rujàc si´ tymi wytycznymi, Naval Research Laboratory (NRL)
i National Reconnaissance Office (NRO) wyprodukowa∏y z w∏ók-
na spectra (bardzo mocnego polimeru u˝ywanego do produkcji
˝y∏ek w´dkarskich) oplot o Êrednicy 2.5 mm luêno wypchany
prz´dzà. Czterokilometrowa lina z takiego materia∏u przetrwa∏a
w kosmosie prawie trzy lata, ∏àczàc ze sobà dwa satelity wy-
strzelone w czerwcu 1996 roku.

W kolejnym eksperymencie, przeprowadzonym w paêdzierniku

ub. r., NRL i NRO testowa∏y uwi´ê o innej konstrukcji: cienka pla-
stikowa taÊma szerokoÊci 3 cm wzmocniona dwiema mocnymi
˝y∏ami z w∏ókna biegnàcymi wzd∏u˝ kraw´dzi. Taka lina d∏ugo-
Êci 6 km powinna przetrwaç w kosmosie bez p´kni´cia wiele lat,
ale taÊma czyni jà zbyt ci´˝kà. Nasza firma, Tethers Unlimited z
Clinton (stan Waszyngton), wraz z Culzean Fabrics i Flemings
Textiles z Kilmarnock w Szkocji opracowuje wielo˝y∏owe liny o
przypominajàcej sieç rybackà o otwartej konstrukcji, które by∏yby
l˝ejsze, a przy tym mog∏y przetrwaç w kosmosie kilkadziesiàt lat.

Planowane sà kolejne próby z zastosowaniem uwi´zi. Michi-

gan Technic Corporation z Holland (Michigan) planuje na rok
2000 wypuszczenie przez wahad∏owiec dwóch ma∏ych satelitów
naukowych po∏àczonych ze sobà dwukilometrowà linà.

Poza tym Marshall Space Flight Center NASA prowadzi ba-

dania nad zastosowaniem lin do elektrodynamicznego nap´dza-
nia statków kosmicznych – bez paliwa. W po∏owie roku 2000 ma
si´ odbyç demonstracja obni˝enia orbity ostatniego cz∏onu rakie-
ty Delta 2 za pomocà liny przewodzàcej. W Tethers Unlimited
pracujemy nad komercyjnym zastosowaniem koncepcji NASA.
Do satelity lub ostatniego cz∏onu rakiety noÊnej mocowano by
przed startem ma∏y ∏adunek. Po wykonaniu zadania lub wystà-
pieniu awarii rozwija∏by si´ d∏ugi przewód. P∏ynàcy w nim pràd,
oddzia∏ujàc z polem magnetycznym Ziemi, wytwarza∏by si∏´ opo-
ru, która w krótkim czasie prowadzi∏aby do takiego obni˝enia
wysokoÊci, ˝e bezu˝yteczny cz∏on rakiety lub satelita spali∏by
si´ w atmosferze. Ten linowy system sprowadzania z orbity ma
zostaç przetestowany pod koniec 2000 roku na ostatnim stopniu
rakiety zbudowanej przez rosyjskà firm´ ¸awoczkina.

NASA rozwa˝a te˝ zastosowanie elektrodynamicznego sys-

temu linowego do nap´dzania statków kosmicznych. Przez prze-
wodzàcà lin´ przepuszczany by∏by pràd elektryczny wytworzo-
ny za pomocà baterii s∏onecznych. W ten sposób zasilany
przewód oddzia∏ywa∏by z ziemskim polem magnetycznym i sta-
tek móg∏by utrzymywaç si´ na orbicie wokó∏ziemskiej bez koƒ-
ca. Dzi´ki takiemu rozwiàzaniu umieszczona na orbicie Mi´dzy-
narodowa Stacja Kosmiczna nie wymaga∏aby uzupe∏niania paliwa.

Jak daleko ludzkoÊç zaleci na kosmicznej uwi´zi? Zarówno

w naszej firmie, jak i w innych rozwa˝ano system szybko „kozio∏-
kujàcych” kilkusetkilometrowych lin rozmieszczonych na orbicie
w celu dostarczania ∏adunków na Ksi´˝yc, a nawet dalej. Idea jest
prosta – wyobraêcie sobie Tarzana przerzucajàcego si´ z jednej
liany na drugà. Najpierw lina na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej od-
biera ∏adunek z pojazdu noÊnego wielokrotnego u˝ytku i przeka-
zuje go do kolejnej liny na wy˝szej orbicie eliptycznej. Ta z kolei
wypuszcza przesy∏k´ w stron´ Ksi´˝yca, gdzie przejmuje jà Luna-
vator, czyli lina kozio∏kujàca na orbicie Srebrnego Globu.

Lunavator porusza∏by si´ wokó∏ Ksi´˝yca z bardzo starannie

dobranà pr´dkoÊcià, by po przej´ciu ∏adunku delikatnie opuÊciç
go na powierzchni´ w pó∏ obrotu póêniej. JednoczeÊnie lina mo-
g∏aby pochwyciç przesy∏k´ na Ziemi´. Gdyby masy ∏adunków
przenoszonych w obie strony by∏y równe, nie potrzebowano by
˝adnego nap´du. Taki system transportowy sta∏by si´ prawdzi-
wà autostradà na Ksi´˝yc, dzi´ki której podró˝ do naszego sa-
telity by∏aby czymÊ zwyczajnym.

OczywiÊcie zanim si´ to urzeczywistni, trzeba pokonaç wiele

technicznych barier, ale potencja∏ systemu linowego w zakresie
stworzenia taniej drogi w kosmos jest olbrzymi. Mo˝e któregoÊ
dnia wokó∏ planet i ksi´˝yców orbitowaç b´dzie mnóstwo kozio∏-
kujàcych lin, przerzucajàcych z miejsca na miejsce towary w han-
dlu mi´dzyplanetarnym. A wszystko to zacznie si´ od kawa∏ka
sznurka.

ROBERT L. FORWARD i ROBERT P. HOYT sà za∏o˝ycielami Te-
thers Unlimited, nowej firmy lotniczo-astronautycznej z Clinton
(stan Waszyngton), specjalizujàcej si´ w opracowywaniu kos-
micznych systemów linowych do zastosowaƒ komercyjnych.

mieniowym. Wed∏ug przedstawiciela
firmy Ronalda K. Rosepinka to nowa-
torskie rozwiàzanie, testowane ju˝ na
Ziemi, rozp´dzi samolot do pr´dkoÊci
Mach 6, du˝o wi´kszej od osiàganej
przez jakikolwiek obecnie eksploatowa-
ny samolot. Rosepink twierdzi, ˝e no-

wy silnik jest niemal dziesi´ciokrotnie
sprawniejszy od istniejàcych.

Osiàgnàwszy Mach 6, samolot uru-

chomi dwa silniki rakietowe na ciek∏y
wodór. Przy pr´dkoÊci dziewi´ciokrot-
nie wi´kszej od pr´dkoÊci dêwi´ku nos
maszyny otworzy si´ jak paszcza kro-

kodyla i wypuÊci drugi i trzeci stopieƒ
oraz ∏adunek. Wszystkie stopnie zosta-
nà wyposa˝one w skrzyd∏a, b´dà wra-
caç na miejsce startu i làdowaç pozio-
mo. Samolot Space Access podo∏a
∏adunkowi oko∏o 14 t, czyli takiemu, ja-
ki zabiera wahad∏owiec. Rosepink prze-

38 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

zisiejsze statki kosmiczne zabierajà swoje êród∏a zasilania ze
sobà. Koszty lotów kosmicznych mo˝na by znacznie obni˝yç,

gdyby paliwo i masywne elementy statku zostawiç na Ziemi, a ener-
gi´ przekazywaç naƒ silnym strumieniem Êwiat∏a lub mikrofal. Trwa-
jàce od pi´ciu lat eksperymenty sponsorowane przez NASA i U.S.
Air Force doprowadzi∏y w zesz∏ym roku do zbudowania pojazdu
(nazwa∏em go statkiem Êwietlnym) nap´dzanego z ziemi impulso-
wym laserem podczerwonym. Powierzchnie odbijajàce na statku
skupiajà wiàzk´ na pierÊcieniu, w którym powietrze po ogrzaniu do
temperatury blisko pi´ciokrotnie wy˝szej ni˝ na powierzchni S∏oƒ-
ca rozpr´˝a si´ wybuchowo, wytwarzajàc si∏´ ciàgu.

Za pomocà lasera CO

o mocy 10 kW wytwarzajàcego 28 impul-

sów na sekund´ wraz z Franklinem B. Meadem z U.S. Air Force
Research Laboratory wynosiliÊmy stabilizowane obrotowo modele
statków Êwietlnych, o Êrednicy 10–15 cm, na wysokoÊç maksymal-
nie 30 m w czasie oko∏o 3 s. Dysponuje-
my funduszami na zwi´kszenie mocy la-
sera do 100 kW, co powinno umo˝liwiç
osiàgni´cie wysokoÊci 30 km. Choç do-
tychczasowe modele wa˝à mniej ni˝
50 g, planujemy wys∏anie w ciàgu pi´ciu
lat na niskà orbit´ wokó∏ziemskà mikro-
satelity o masie 1 kg. Pos∏u˝y do tego
specjalnie skonstruowany naziemny la-
ser o mocy 1 MW. Koszt niezb´dnej do
takiego lotu energii elektrycznej wyniós∏-
by zaledwie kilkaset dolarów.

Obecne modele statków Êwietlnych

wykonane sà ze zwyk∏ego duralu lot-
niczego i sk∏adajà si´ z umieszczonej
z przodu sto˝kowej os∏ony aerodyna-
micznej, pierÊcieniowej owiewki oraz
powierzchni optycznej i dyszy z ty∏u.
Podczas lotu w atmosferze cz´Êç
przednia kompresuje powietrze, kieru-
jàc je do wlotu. PierÊcieniowa owiewka
stanowi powierzchni´ przy∏o˝enia si∏y
ciàgu. Cz´Êç tylna ukszta∏towana jest
w paraboloidalne zwierciad∏o skupiajà-
ce podczerwonà wiàzk´ laserowà w
pierÊcieniowym ognisku i stanowi jed-
noczeÊnie sto˝ek aerodynamiczny, na
który naciska rozgrzane powietrze. Uk∏ad taki sam si´ stabilizu-
je: gdy statek zaczyna wysuwaç si´ z wiàzki, kierunek si∏y ciàgu
odchyla si´ i wpycha go z powrotem.

Jednokilogramowy statek osiàgnie w ten sposób Mach 5 i 30 km

wysokoÊci, po czym prze∏àczy si´ na zasilanie zabranym na pok∏ad
paliwem wodorowym, poniewa˝ powietrze b´dzie ju˝ zanadto roz-
rzedzone. Do wyniesienia statku na orbit´ powinien wystarczyç ki-
logram wodoru. Przewidujemy, ˝e model o Êrednicy 1.4 m i wspó∏-
pracujàcy z nim laser o mocy oko∏o 100 MW zdo∏a wynieÊç na
orbit´ mikrosatelity o masie dochodzàcej do 100 kg. Poniewa˝ sto-
sujemy wiàzki impulsowe, takà moc sumarycznà uzyskamy
stosunkowo ∏atwo, wykorzystujàc bateri´ laserów. Systemu tego
da∏oby si´ u˝yç do wynoszenia na orbit´ satelitów telekomuni-

kacyjnych, a nast´pnie sprowadzania ich z powrotem w atmosfe-
r´, gdy ich systemy pok∏adowe stanà si´ przestarza∏e.

Statek Êwietlny o odpowiednio zaprojektowanym kszta∏cie po-

trafi∏by si´ poruszaç w kierunku êród∏a energii – zamiast oddalaç
si´ od niego, a nawet na boki. Pojazdy o takiej konstrukcji s∏u-
˝y∏yby do transportu wi´kszych ∏adunków mi´dzy odleg∏ymi miej-
scami na Ziemi. Statki Êwietlne mo˝na te˝ nap´dzaç mikrofalami.
Mikrofale nie pozwalajà uzyskaç tak wysokiej g´stoÊci energii jak
promieniowanie laserowe, a zatem korzystajàce z nich statki mu-
sia∏yby byç wi´ksze. èród∏a promieniowania mikrofalowego sà
jednak znacznie taƒsze od laserów i ∏atwiej zbudowaç mikrofalowe
generatory wysokiej mocy.

Zaprojektowa∏em tak˝e bardziej wyrafinowany i dzia∏ajàcy na in-

nej zasadzie statek nap´dzany zdalnie przekazywanà energià,
który móg∏by przewoziç pasa˝erów. Poniewa˝ wytwarza∏by ciàg

znacznie sprawniej, lepiej nadawa∏by si´
do transportu du˝ych ∏adunków.

Jego zwierciad∏o skupia cz´Êç energii

z wiàzki prowadzàcej w punkcie znajdu-
jàcym si´ przed statkiem w odleg∏oÊci
równej jego Êrednicy. Intensywne grzanie
tworzy sto˝ek powietrzny, który odchyla
napierajàce powietrze na zewnàtrz stat-
ku, redukujàc opór i zmniejszajàc wzrost
temperatury pojazdu.

Cz´Êç energii z wiàzki prowadzàcej s∏u-

˝y do generowania wokó∏ kraw´dzi silne-
go pola elektrycznego, które jonizuje ota-
czajàce powietrze. Zainstalowane na
statku elektromagnesy nadprzewodzàce
wytwarzajà w tym miejscu silne pole ma-
gnetyczne. Wskutek ruchu zjonizowane-
go powietrza w polu elektrycznym i ma-
gnetycznym o takiej konfiguracji powsta-
wa∏yby si∏y magnetohydrodynamiczne
przyspieszajàce strumieƒ plazmy op∏ywa-
jàcy statek, dzi´ki czemu wytwarza∏by si´
dodatkowy ciàg.

Zmieniajàc iloÊç energii kierowanej

przed siebie, statek Êwietlny mo˝e ste-
rowaç op∏ywem powietrza. W kwietniu
1995 roku w naddêwi´kowym tunelu ae-

rodynamicznym w Rensselaer Polytechnic Institute zademonstro-
wa∏em zmniejszenie oporu aerodynamicznego statku przez sto˝ek
gazowy, choç zosta∏ on wytworzony nie przez promieƒ laserowy,
lecz przez palnik plazmowy zasilany elektrycznie. Testy majàce na
celu wygenerowanie ciàgu metodà magnetohydrodynamicznà za
pomocà urzàdzenia o Êrednicy 15 cm w∏aÊnie si´ rozpocz´∏y. Sta-
tek wielkoÊci cz∏owieka nap´dzany mikrofalowo lub laserem impul-
sowym o mocy 1000 MW powinien lataç do wysokoÊci 50 km i ∏a-
two uzyskaç pr´dkoÊç niezb´dnà do wejÊcia na orbit´.

Statki Êwietlne zasilane z laserów du˝ej mocy umieszczonych

na orbicie mia∏yby szans´ zrewolucjonizowaç transport. Przedtem
jednak konieczne b´dzie zmniejszenie do kilkuset dolarów za ki-
logram kosztu umieszczenia na orbicie niezb´dnej infrastruktury.

Autostrady Êwiat∏a

Leik N. Myrabo

MINIATUROWY MODEL statku Êwietlnego na-
p´dzanego 10-kilowatowym laserem wzniós∏
si´ podczas próbnych lotów na wysokoÊç
30 m. Wi´ksze konstrukcje zapewne ju˝ nieba-
wem uda si´ wprowadziç na orbit´.

LEIK N. MYRABO

widuje, ˝e firma rozpocznie dzia∏alnoÊç
us∏ugowà ju˝ w roku 2003.

Najwi´kszy rozg∏os spoÊród opraco-

wywanych pojazdów noÊnych zyska∏
X-33, budowany w zak∏adach Skunk
Works koncernu Lockheed Martin
w Palmdale (Kalifornia). To przedsi´-

wzi´cie, wspólnie finansowane przez
przemys∏ i NASA, ma na celu dziesi´cio-
krotne obni˝enie kosztów wynoszenia ∏a-
dunków na orbit´. X-33 jest eksperymen-
talnym statkiem mniej wi´cej o po∏ow´
mniejszym od docelowego i ma za zada-
nie przetestowaç nowy typ silnika, zwa-

nego liniowym silnikiem rakietowym
z aerosto˝kowym uk∏adem wylotowym,
oraz wiele innych rozwiàzaƒ technicz-
nych. Teoretycznie silnik taki powinien
umo˝liwiç wyniesienie na orbit´ star-
tujàcego pionowo jednostopniowego
statku wielokrotnego u˝ytku, dzi´ki temu

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 39

Obecnie wyniesienie tam wahad∏owcem ∏adunku o masie 1 kg
to wydatek 20 tys. dolarów – niemal 100 razy za du˝o.

Uwa˝am, ˝e t´ przeszkod´ da∏oby si´ pokonaç, gdyby pierwsza

orbitalna elektrownia zapewni∏a tani dost´p do przestrzeni kosmicz-
nej. Wyobraêmy sobie olbrzymià konstrukcj´ o Êrednicy kilometra,
przypominajàcà ko∏o rowerowe i poruszajàcà si´ na wysokoÊci
500 km. Stacja taka mia∏aby mas´ oko∏o 1010 t i w celu utrzyma-
nia stabilnoÊci powoli by si´ obraca∏a. Oprócz elementów konstruk-
cyjnych w postaci „szprych” do ko∏a przymocowano by dysk z∏o˝o-
ny z 55 identycznych segmentów gruboÊci 0.32 mm, wykonanych
z w´glika krzemu. Jedna strona dysku pokryta by∏aby w ca∏oÊci
cieniutkimi ogniwami fotoelektrycznymi o sprawnoÊci 30%, wytwa-
rzajàcymi energi´ elektrycznà o ∏àcznej mocy 320 MW (urzàdze-
nia takie powinny si´ pojawiç w ciàgu najbli˝szych 10 lat). Po dru-
giej stronie dysku znajdowa∏oby si´ 13.2 mld miniaturowych
nadajników pó∏przewodnikowych, ka˝dy o Êrednicy 8.5 mm, wy-
sy∏ajàcych promieniowanie mikrofalowe o mocy 1.5 W.

Wspó∏czesne rakiety o du˝ej noÊnoÊci mog∏yby wynieÊç na or-

bit´ takie urzàdzenie w mniej wi´cej 55 lotach i za niewygórowa-
nà cen´ oko∏o 5.5 mld dolarów. Stacj´ otacza∏by zbiornik energii
w postaci dwóch nadprzewodzàcych pierÊcieni o masie oko∏o
100 t ka˝dy, przez które przepuszczano by w przeciwne strony
pràd elektryczny. (Uk∏ad ten pozwoli∏by wyeliminowaç olbrzymi
moment magnetyczny, który powstawa∏by w przypadku jednego
przewodu.) Podczas dwóch obiegów wokó∏ Ziemi elektrownia or-
bitalna ∏adowa∏aby taki akumulator do 1800 GJ. Nast´pnie mog∏a-

by przes∏aç wiàzkà mikrofalowà energi´ o mocy 4.3 GW do stat-
ku Êwietlnego oddalonego najwy˝ej o 1170 km. Zgrubnego nakie-
rowywania stacji dokonywano by za pomocà momentów si∏y po-
wsta∏ych w wyniku ró˝nicowania pràdów w nadprzewodzàcych
pierÊcieniach, dok∏adnego zaÊ – na podstawie nadawanego przez
statek Êwietlny sygna∏u kierunkowego. Sygna∏ móg∏by koordyno-
waç poszczególne nadajniki kosmicznej elektrowni tak, by jej
wiàzka skupi∏a si´ w miejscu startu nap´dzanego statku, w kole
o Êrednicy 10 m. Statek osiàga∏by orbit´ w czasie krótszym ni˝
5 min, przecià˝enie pasa˝erów nie przekracza∏oby 3 g, czyli wy-
nios∏oby mniej wi´cej tyle, ile podczas startu wahad∏owca. Mo˝-
na by te˝ przes∏aç ca∏à zakumulowanà energi´ w postaci 54-se-
kundowego impulsu, dzi´ki czemu statek wystartowa∏by niemal
pionowo z przyspieszeniem 20 g i osiàgnà∏ orbit´ geostacjonar-
nà, a nawet pr´dkoÊç ucieczki.

Pierwsza orbitalna elektrownia przetrze drog´ nast´pnym, wpro-

wadzanym na orbit´ i montowanym za pomocà wyspecjalizowa-
nych, zasilanych Êwiat∏em statków. W ciàgu kilkudziesi´ciu lat
konstelacja takich elektrowni umo˝liwi szybkie i tanie podró˝e
wokó∏ kuli ziemskiej, na Ksi´˝yc lub jeszcze dalej.

LEIK N. MYRABO jest docentem fizyki technicznej w Rensse-

laer Polytechnic Institute. Jego zainteresowania badawcze skupiajà
si´ na nowych technikach nap´du i zasilania oraz problemach
konwersji energii, dynamiki naddêwi´kowych przep∏ywów gazu
i zdalnego przekazu energii.

ORBITALNA ELEKTROWNIA S¸ONECZNA (u góry z lewej) b´dzie mog∏a przekazywaç energi´ startujàcemu na orbit´ pojaz-
dowi noÊnemu (z prawej) nap´dzanemu ciàgiem generowanym magnetohydrodynamicznie. Statek taki ogniskuje energi´
mikrofalowà przed sobà w celu wytworzenia sto˝ka powietrznego do odchylania napierajàcego powietrza. Elektrody na pier-
Êcieniu biegnàcym wokó∏ statku jonizujà powietrze i stanowià cz´Êç systemu wytwarzania ciàgu.

TOM MOORE i

NASA

ORBITALNA
ELEKTROWNIA
S¸ONECZNA

WIÑZKA
MIKROFALOWA

STATEK ÂWIETLNY W LOCIE

STO˚EK POWIETRZNY

WYBUCHOWO
OGRZANE
POWIETRZE

FALA
UDERZENIOWA

WY¸ADOWANIE

ELEKTRYCZNE

JONIZUJE

POWIETRZE

KAD¸UB STATKU ÂWIETLNEGO

˝e samoczynnie dostosowuje si´ on do
zmieniajàcego si´ z wysokoÊcià ciÊnienia
atmosferycznego. Jednak X-33 nie wej-
dzie na orbit´, wytyczy tylko nowe gra-
nice dla konstruktorów innych pojazdów.
Niektórzy obserwatorzy wàtpià, by do-
starczy∏ NASA doÊç danych do podj´cia

obiecywanej na rok 2000 decyzji, i pró-
bujà zgadnàç, czy do roku 2020 nadal b´-
dzie si´ g∏ównie korzystaç z dzisiejszych
wahad∏owców, czy te˝ wycofa si´ te kosz-
towne perszerony oko∏o 2012.

TrudnoÊci z budowà silników opóê-

ni∏y pierwszy lot X-33 o szeÊç miesi´-

cy, przesuwajàc go na koniec tego ro-
ku. Daniel R. Mulville, naczelny in˝y-
nier NASA, utrzymuje, ˝e po zakoƒcze-
niu badaƒ w locie, ale przed podj´ciem
decyzji o budowie pe∏norozmiarowego
jednostopniowego orbitalnego pojazdu
noÊnego, b´dà najprawdopodobniej ko-

40 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

potykane w fantastyce naukowej wizje Êwiatów le˝àcych po-
za Uk∏adem S∏onecznym sta∏y si´ nieco bardziej realistyczne,

gdy odkryto, ˝e we WszechÊwiecie znajduje si´ nadspodziewa-
nie du˝o planet. Byç mo˝e ich badania pozwolà stwierdziç, w ja-
kim stopniu tak naprawd´ Ziemia jest wyjàtkowa. Perspektywa ta
sk∏ania NASA do uwa˝niejszego przyjrzenia si´ gwiazdom.

Przyglàdaç si´ mo˝na, na drodze do rzeczywistej eksploracji

pi´trzà si´ jednak ogromne przeszkody. Dotarcie do najbli˝szych
nawet gwiazd za pomocà dost´pnych obecnie technologii wyma-
ga∏oby kilkudziesi´ciu tysi´cy lat. W roku 1981 koordynowa∏em
prowadzony przez NASA przeglàd koncepcji nap´dów, które po-
zwoli∏yby próbnikom kosmicznym na dotarcie do najbli˝szych
gwiazd w ciàgu 40 lat, czyli w okresie
aktywnoÊci zawodowej naukowca.
WytypowaliÊmy zaledwie trzy takie
systemy: oparty na syntezie termojà-
drowej [ramka na stronie 44] oraz wy-
korzystujàcy antymateri´ i zdalny
przekaz energii. SpoÊród nich tylko ta
ostatnia koncepcja jest wystarczajà-
co dopracowana, aby w najbli˝szej
przysz∏oÊci staç si´ cz´Êcià jakie-
gokolwiek realistycznego projektu
badawczego.

¸atwo zrozumieç, dlaczego system

oparty na zdalnym przekazie energii
jest atrakcyjny. Wybierajàc si´ samo-
chodem w dalekà podró˝, wiemy, ˝e
po drodze mo˝emy tankowaç na sta-
cjach benzynowych i liczyç na usu-
ni´cie ewentualnych usterek w warsz-
tatach. Natomiast wspó∏czesne statki
kosmiczne muszà ca∏e niezb´dne pa-
liwo zabieraç ze sobà i obywaç si´
bez pomocy cz∏owieka. Ale czy nie
da∏oby si´ zostawiç silnika i paliwa na
Ziemi? Taki system nie pozwala∏by wprawdzie na przeprowa-
dzanie podczas lotu napraw, ale umo˝liwia∏by konstruowanie
statków l˝ejszych i dzi´ki temu ∏atwiejszych do rozp´dzenia.

Sposobem realizacji tej idei wydaje si´ zastosowanie ukierunko-

wanej wiàzki promieniowania elektromagnetycznego. Wyniki ana-
liz wskazujà, ˝e w przypadku d∏ugotrwa∏ych lotów kosmicznych naj-
lepszym rozwiàzaniem jest oÊwietlanie wielkiego, cienkiego „˝agla”
silnym laserem optycznym. Koncepcj´ t´ pierwszy zapropono-
wa∏ Robert L. Forward ju˝ w roku 1984. Lasery mogà przesy∏aç
energi´ na du˝e odleg∏oÊci, a dzi´ki wielkiej powierzchni ˝agiel
odbiera znacznà iloÊç energii w stosunku do swojej masy. Mo˝-
na te˝ pos∏u˝yç si´ energià przekazywanà w innej postaci, na
przyk∏ad mikrofal. Pewni badacze rozpatrywali nawet wysy∏anie do
statku wiàzki czàstek na∏adowanych elektrycznie. Po dotarciu na
miejsce przechodzi∏yby one przez nadprzewodzàcà p´tl´ magne-
tycznà, wytwarzajàc si∏´ Lorentza, która generowa∏aby ciàg. Na
razie jednak najlepszym rozwiàzaniem wydaje si´ ˝agiel oÊwie-
tlany wiàzkà lasera optycznego.

Gdy wyemitowany przez laser foton uderza w ˝agiel, wyst´pu-

je jedno z dwu zjawisk: albo zderza si´ on spr´˝yÊcie z polem
elektromagnetycznym otaczajàcym atomy ˝agla i odbija z powro-
tem, albo zostaje przez materia∏ po prostu poch∏oni´ty, odrobin´ go
ogrzewajàc. W obu sytuacjach ˝agiel uzyskuje pewne przyspie-
szenie; w przypadku odbicia jest ono jednak dwukrotnie wi´ksze
i dlatego najefektywniejszy wydaje si´ ˝agiel odbijajàcy.

Przyspieszenie wywo∏ane przez wiàzk´ laserowà jest proporcjo-

nalne do przy∏o˝onej do ˝agla si∏y i odwrotnie proporcjonalne do
masy statku. Podobnie jak w innych systemach nap´dowych
sprawnoÊç Êwietlnych ˝aglowców ograniczona jest w∏asnoÊcia-
mi termicznymi i wytrzyma∏oÊcià materia∏ów; ponadto zale˝y ona

od tego, jak lekkà konstrukcj´ uda si´
nam zbudowaç. W przedstawionych do-
tychczas projektach ˝agli proponuje si´
wypolerowanà cienkà foli´ metalowà,
najcz´Êciej na jakimÊ zapewniajàcym
wytrzyma∏oÊç pod∏o˝u.

Moc, którà mo˝na b´dzie przekazaç

˝aglowi, jest z kolei ograniczona przez
jego nagrzewanie – im wy˝sza tem-
peratura metalu, tym s∏abiej odbi-
ja on Êwiat∏o. Ograniczenie wzrostu
temperatury, a tym samym zwi´ksze-
nie przyspieszenia statku uzyskamy
dzi´ki pokryciu spodu ˝agla materia-
∏em skutecznie wypromieniowujàcym
ciep∏o.

Aby osiàgnàç du˝à pr´dkoÊç, statek

musi d∏ugo przyspieszaç. Maksymal-
na pr´dkoÊç, jakà mo˝na nadaç statko-
wi z ˝aglem Êwietlnym, zale˝y od te-
go, ile czasu umieszczony na Ziemi
laser b´dzie swój cel skutecznie oÊwie-
tla∏. Âwiat∏o lasera ma wa˝nà cech´,
tzw. spójnoÊç. Dzi´ki niej energia, któ-

rà przekazuje, nie zmniejsza si´ z odleg∏oÊcià a˝ do pewnej gra-
nicy – d∏ugoÊci spójnoÊci. Po jej przekroczeniu dostarczana moc
bardzo szybko maleje, zbli˝ajàc si´ praktycznie do zera.

D∏ugoÊç spójnoÊci Êwiat∏a laserowego i tym samym maksy-

malna pr´dkoÊç nap´dzanego nim statku kosmicznego zale˝à
od apertury uk∏adu optycznego. Bardzo silne lasery b´dà praw-
dopodobnie matrycami zbudowanymi z setek s∏abszych lase-
rów. Apertura skuteczna takiej matrycy jest w przybli˝eniu rów-
na jej rozmiarowi. Wysy∏anie najwi´kszej mocy wymaga
maksymalnego upakowania laserów. Uda∏o nam si´ opracowaç
taki ich rozk∏ad w baterii, ˝e upakowanie si´ga 100%.

W Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie (Kalifornia) mój ze-

spó∏ przestudiowa∏ koszty misji w funkcji mocy poszczególnych
laserów i rozmiaru z∏o˝onej z nich matrycy. Apertura niezb´dna
do przeprowadzenia misji mi´dzygwiezdnych jest olbrzymia. Za-
projektowana przez nas matryca zsynchronizowanych w fazie la-
serów, majàca s∏u˝yç do wys∏ania próbnika, który dotar∏by na
pobliskà gwiazd´ Alfa Centauri w ciàgu 40 lat, musia∏aby mieç

˚agle Êwietlne

Henry M. Harris

SLIM FILMS

nieczne dalsze, trwajàce „rok lub dwa
lata” badania. (Lockheed Martin, któ-
ry swój projekt nazwa∏ VentureStar, na-
dal deklaruje gotowoÊç do podj´cia de-
cyzji przed koƒcem roku 2000.) Jest
jednak pewien problem: na Êwiecie nie
ma dostatecznie du˝ego reaktora ciÊnie-

niowego, w którym mo˝na by zbu-
dowaç kompozytowy zbiornik ciek∏e-
go wodoru dla VentureStar. Dopra-
cowania wymagajà te˝ metalowe p∏yt-
ki, majàce chroniç statek przed cie-
p∏em wytwarzanym podczas powrotu
w atmosfer´.

VentureStar obwo∏ano kandydatem

na narodowy system noÊny – zauwa˝a
Marcia S. Smith z Congressional Re-
search Service. Rezultat badaƒ móg∏by
jednak rozczarowaç, poniewa˝ statek
nie b´dzie zabiera∏ za∏ogi. NASA zwró-
ci∏a si´ ostatnio do przemys∏u o rozwa-

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 41

Êrednic´ 1000 km. Na szcz´Êcie do lotów mi´dzyplanetarnych wy-
starczà znacznie mniejsze apertury. Aby w czasie 10 dni wy-
ekspediowaç 10-kilogramowy ∏adunek na Marsa, laser o mocy
46 GW (oÊwietlajàcy powlekany z∏otem ˝agiel o Êrednicy 50 m)
musia∏by mieç apertur´ zaledwie 15 m. System taki móg∏by po-
s∏u˝yç do wys∏ania próbnika do granicy mi´dzy wiatrem s∏onecz-
nym a oÊrodkiem mi´dzygwiazdowym w czasie 3–4 lat.

˚aglowce Êwietlne projektowano by tak, aby podà˝a∏y za wiàz-

kà samoczynnie, dzi´ki czemu sterowanie odbywa∏oby si´ bez-
poÊrednio z Ziemi. ˚agiel móg∏by mieç nawet zwierciadlany pier-
Êcieƒ, który oddziela∏by si´ po dotarciu próbnika do celu. PierÊcieƒ
ten lecia∏by dalej, odbijajàc promieƒ lasera do pozosta∏ej cz´Êci
˝agla i popychajàc w ten sposób statek z powrotem.

Sporo prac niezb´dnych do zbudowania ˝aglowca Êwietlne-

go ju˝ wykonano. W ramach badaƒ nad bronià antysatelitarnà i
systemem obrony przed pociskami balistycznymi amerykaƒski De-
partament Obrony zaprojektowa∏ lasery du˝ej mocy i mechani-
zmy do precyzyjnego nakierowywania wiàzki Êwiat∏a. Testuje
si´ ju˝ ˝aglopodobne konstrukcje odbijajàce Êwiat∏o s∏oneczne.
Rosyjscy naukowcy wys∏ali na orbit´ 20-metrowy stabilizowany
obrotowo reflektor s∏oneczny Znamia 2, majàcy zimà zapewniç

dodatkowe oÊwietlenie miastom w pó∏nocnej Rosji; wersja o Êred-
nicy 25 m mia∏a byç testowana w lutym. (Niestety, eksperyment
si´ nie powiód∏, poniewa˝ podczas próby otwarcia zwierciad∏o za-
plàta∏o si´ w anten´ – przyp. red.)

U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration w cià-

gu czterech lat planuje wys∏anie statku kosmicznego nap´dza-
nego ˝aglem s∏onecznym. Statek utrzymywany by∏by mi´dzy
Ziemià a S∏oƒcem, skàd przekazywa∏by z godzinnym wyprze-
dzeniem ostrze˝enia przed strumieniami czàstek wyrzuconymi
przez burze s∏oneczne.

NASA ocenia obecnie plany zbudowania ˝agli do Êwiat∏a lase-

rowego, majàcych zastàpiç konwencjonalne rakiety. Rozpatru-
je si´ ró˝ne misje, od demonstracji 100-metrowego ˝agla na or-
bicie wokó∏ziemskiej po wyprawy do fali uderzeniowej na kraƒcach
Uk∏adu S∏onecznego.

W najbli˝szej przysz∏oÊci zostanà prawdopodobnie przepro-

wadzone testy laboratoryjne materia∏ów na ˝agle Êwietlne na
potrzeby misji marsjaƒskiej oraz wypraw do pasa Kuipera i do
oÊrodka mi´dzygwiazdowego. Do oÊwietlania rozwini´tego przez
pojazd kosmiczny ˝agla mo˝na u˝yç wojskowego lasera che-
micznego o mocy megawata zainstalowanego na poligonie Whi-

te Sands Missile Range (Nowy Meksyk)
i sprawdziç w ten sposób uzyskiwane przy-
spieszenie. Megawatowe lasery, które planu-
je si´ tanio eksploatowaç poza siecià ener-
getycznà, w ciàgu pi´ciu lat b´dà przesuwaç
˝aglowce Êwietlne z jednej orbity na innà.
Oceniam, ˝e w ciàgu najbli˝szego dziesi´cio-
lecia za pomocà takich laserów uda si´ wys∏aç
próbnik badawczy na Ksi´˝yc.

Wydaje si´, ˝e ˝agle Êwietlne sà nap´dem

przysz∏oÊci – dzi´ki nim wizja szybkiego i ta-
niego dotarcia do granic Uk∏adu S∏onecznego
i poza nie zaczyna stawaç si´ realna. Byç mo-
˝e za jakiÊ czas spe∏nià si´ marzenia o po-
dró˝ach do odleg∏ych gwiazd.

HENRY M. HARRIS jest fizykiem zajmujàcym

si´ problemami misji mi´dzygwiezdnych w Jet
Propulsion Laboratory w Pasadenie (Kalifornia).
Projektowa∏ tak˝e eksperymenty przeprowa-
dzane na wahad∏owcach oraz podczas innych
przedsi´wzi´ç kosmicznych. Jest równie˝ mu-
zykiem jazzowym i autorem powieÊci o nauce
i spirytualizmie.

SLIM FILMS

˚AGLOWIEC ÂWIETLNY, wyglàdajàcy praw-
dopodobnie tak jak na ilustracji (na sàsied-
niej stronie) i nap´dzany z Ziemi laserem,
byç mo˝e wyniesie kiedyÊ instrumenty po-
miarowe do granic Uk∏adu S∏onecznego,
a nawet do gwiazd. Aby uzyskaç maksy-
malnà pr´dkoÊç, ˝agiel powinien mieç po-
wierzchni´ dobrze odbijajàcà Êwiat∏o. Lek-
ka konstrukcja mog∏aby przenosiç niewielki
∏adunek (z lewej).

42 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

ewnego dnia ludzkoÊç zechce dyspo-
nowaç wi´kszymi mo˝liwoÊciami eks-

plorowania planet zewn´trznych Uk∏adu
S∏onecznego i przestanie jej wystarczaç
wysy∏anie maleƒkich próbników potrafià-
cych tylko szybko przelecieç w ich pobli˝u.
Za jakiÊ czas pomyÊlimy o wys∏aniu stat-
ków, które wejdà na orbity gazowych ol-
brzymów, opuszczà na powierzchnie ich
ksi´˝yców roboty, a nawet przeÊlà próbki
gruntu i ska∏ na Ziemi´. W koƒcu na intry-
gujàce ksi´˝yce tych planet – z których
przynajmniej dwa, jak sàdzimy, obfitujà w
ciek∏à wod´ niezb´dnà do istnienia ˝ycia
w znanej nam formie – zapragniemy wy-
s∏aç astronautów.

Do takich lotów potrzebne b´dà rakiety

czerpiàce energi´ nie z reakcji chemicz-
nych, lecz z rozszczepienia jàder atomo-
wych. Rakiety chemiczne, co prawda, do-
brze nam s∏u˝à, lecz stosunkowo niewielka
iloÊç energii, jakà mo˝na w ich przypadku
uzyskaç z jednostki masy paliwa, nak∏ada
powa˝ne ograniczenia na nap´dzane przez
nie statki kosmiczne. Aby dotrzeç do ze-
wn´trznych planet Uk∏adu S∏onecznego,
statek z silnikiem chemicznym musi byç
bardzo lekki, a ponadto nie mo˝e si´ obejÊç
bez intensywnego „grawitacyjnego wspo-
magania” – tzn. trzeba kierowaç nim tak,
aby pole grawitacyjne mijanych planet dzia-
∏a∏o jak proca i zwi´ksza∏o jego pr´dkoÊç.
Chcàc pos∏u˝yç si´ grawitacyjnym wspo-
maganiem, planiÊci lotów mi´dzyplanetar-
nych muszà czekaç na „okna startowe” –
krótkie odcinki czasu, w których statek wy-
strzelony w kierunku akurat odpowiednio
ustawionej planety zostanie przyspieszo-

ny przez jej pole grawitacyjne i podà˝y do
bardziej odleg∏ych celów.

Stosujàc terminologi´ technicznà, powie-

my, ˝e rakiety chemiczne majà niewystar-
czajàcy maksymalny przyrost pr´dkoÊci,
czyli ˝e pr´dkoÊç ich gazów wylotowych
jest za ma∏a, by odpowiednio rozp´dziç sta-
tek. Najlepsze rakiety chemiczne, w któ-
rych do zasilania wykorzystuje si´ reakcj´
syntezy wody z tlenu i wodoru, pozwalajà
na maksymalny przyrost pr´dkoÊci statku
startujàcego z orbity Ziemi wynoszàcy mniej
wi´cej 10 km/s.

W przypadku rakiet jàdrowych przyrost

pr´dkoÊci si´ga 22 km/s. Tak du˝a jego war-
toÊç umo˝liwia wykonanie bezpoÊredniego
lotu na przyk∏ad do Saturna, i to nie w ciàgu
siedmiu lat, ale zaledwie trzech. Rakieta jà-
drowa by∏aby sama w sobie bezpieczna i nie
stanowi∏a praktycznie ˝adnego zagro˝enia
dla Êrodowiska naturalnego, albowiem –
wbrew rozpowszechnionym poglàdom –
wcale nie musia∏aby byç silnie radioaktywna
podczas startu. Statek kosmiczny z jego ato-
mowymi silnikami rakietowymi wynosi∏aby
na orbit´ konwencjonalna rakieta chemicz-
na. Reaktor jàdrowy uruchamiano by dopie-
ro po bezpiecznym umieszczeniu statku na
orbicie oko∏o 800 km nad Ziemià.

Technologia niezb´dna do zbudowania

silnika rakietowego zasilanego przez reakcj´
rozszczepienia jàder atomowych nie wykra-

cza daleko poza obecne mo˝liwoÊci. Wraz
z kolegami zaprojektowaliÊmy niewielki jà-
drowy silnik rakietowy, nazwany przez nas
Mitee (od niektórych liter okreÊlenia „minia-
ture reactor engine” – miniaturowy silnik re-
aktorowy), który da∏oby si´ zbudowaç w cià-
gu szeÊciu do siedmiu lat za 600–800 mln
dolarów, sum´ niezbyt wygórowanà jak na
wydatki zwiàzane z lotami kosmicznymi. Tak
naprawd´ koszty opracowania tego silnika
zwróci∏yby si´ dzi´ki przysz∏ym oszcz´dno-
Êciom – nap´dzany nim statek kosmiczny
nie musia∏by zabieraç ze sobà ogromnej ilo-
Êci paliwa chemicznego, a wi´c wyniesienie
go na orbit´ odbywa∏oby si´ bez ci´˝kiej ra-
kiety noÊnej Titan IV wartej 250 mln dola-
rów. Wystarczy∏aby l˝ejsza i taƒsza, na przy-
k∏ad Delta lub Atlas, za 50–125 mln.

Paliwo jàdrowe w Mitee mia∏oby postaç

zwojów perforowanych arkuszy metalo-
wych, niczym pusta w Êrodku rolada bisz-
koptowa [rysunek poni˝ej]. Funkcj´ mode-
ratora spowalniajàcego neutrony powsta∏e
w reakcji rozszczepienia jàder atomowych
w zwojach paliwowych spe∏nia∏aby otacza-
jàca zwój otulina z wodorku litu 7. Ch∏odzi-
wo – ciek∏y wodór – wp∏ywa∏oby z zewnàtrz
zwoju do jego wn´trza, szybko przecho-
dzàc w miar´ nagrzewania si´ i przep∏ywa-
nia w kierunku Êrodka w stan gazowy.
Przegrzany (do oko∏o 2700°C) wodór wyp∏y-
wa∏by z du˝à szybkoÊcià przez kana∏ w osi
zwoju do niewielkiej dyszy na jego koƒcu,
a przez nià na zewnàtrz.

G∏ównà zaletà nap´du jàdrowego jest to,

˝e jego czynnik roboczy – wodór – jest po-
wszechnie dost´pny w postaci gazowej na
planetach olbrzymach w zewn´trznym Uk∏a-
dzie S∏onecznym oraz w lodzie wodnym na
odleg∏ych ksi´˝ycach i planetach. Poniewa˝
paliwo jàdrowe by∏oby stosunkowo trwa∏e,
statek z takim nap´dem teoretycznie móg∏-
by lataç w zewn´trznych partiach Uk∏adu
S∏onecznego w ciàgu 10–15 lat, uzupe∏-
niajàc wodór w miar´ potrzeby. Lata∏by ca-
∏ymi miesiàcami w atmosferach Jowisza,
Saturna, Urana czy Neptuna i zbiera∏ szcze-
gó∏owe informacje o ich sk∏adzie, panujàcej
tam pogodzie i innych charakterystycznych
cechach; albo polecia∏by do Europy, Plu-
tona lub Tytana w celu pobrania próbek
ska∏ i uzupe∏nienia – za pomocà elektrolizy
wody ze stopionego lodu – zapasów wo-
doru potrzebnego do lotu powrotnego na
Ziemi´.

Poniewa˝ statek atomowy uruchomi∏by

swój reaktor z dala od Ziemi, by∏by w istocie
bezpieczniejszy ni˝ niektóre wysy∏ane w od-
leg∏e rejony Uk∏adu S∏onecznego, nap´dza-
ne silnikami chemicznymi próbniki. Daleko
od S∏oƒca jego Êwiat∏o nie zapewnia dosta-
tecznej iloÊci energii instrumentom na pok∏a-
dzie sondy. Sà wi´c one przewa˝nie zasila-
ne z jàdrowych generatorów termoelektry-
cznych zawierajàcych pluton 238 – bardzo
radioaktywnych nawet podczas startu. (Mi-
mo wszystko nie mo˝na twierdziç, ˝e takie

Ma∏e jàdrowe silniki rakietowe

James R. Powell

PRZEKRÓJ ZWOJU PALIWOWEGO

GAZ

PRZEP¸YWA

PRZEZ OTWORY

W ARKUSZACH

CZÑSTKI

PALIWA

JÑDROWEGO

(WEWNÑTRZ
METALOWEJ

MATRYCY)

POJEDYNCZY

ARKUSZ

METALOWY

BERYLOWE
NACZYNIE
CIÂNIENIOWE

STREFA
METALOWEJ
MATRYCY
PALIWOWEJ

MODERATOR
Z WODORKU
LITU 7

WYP¸YW WODORU

ELEMENT PALIWOWY

ELEMENT PALIWOWY – jeden z 37 zawartych w ma∏ym jàdrowym silniku rakieto-
wym. Ciek∏y wodór wp∏ywajàcy do wn´trza elementu przechodzi∏by w stan gazowy
i przep∏ywa∏ przez zwój paliwa jàdrowego (jasnobràzowy). Pi´ç warstw w zwoju me-
talowych arkuszy przedstawiono na rysunku z lewej strony. Rozgrzany do bardzo
wysokiej temperatury gaz wlatywa∏by gwa∏townie do centralnie po∏o˝onego kana∏u,
po czym wydostawa∏ si´ do∏em elementu paliwowego, wytwarzajàc ciàg.

LAURIE GRACE

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 43

˝enie mo˝liwoÊci wynoszenia na orbit´
zarówno ludzi, jak i ∏adunków ju˝ na
poczàtku przysz∏ego stulecia. Pewne
obiecujàce rozwiàzania bada si´ obecnie
za pomocà mniejszego statku doÊwiad-
czalnego o nazwie X-34. W tym roku roz-
pocznie on testowanie technik niezb´d-
nych do dwustopniowego systemu
wynoszenia ∏adunków na orbit´, m.in.
zostanie sprawdzony nowy typ cera-
micznych p∏ytek wielokrotnego u˝ytku.

Patrzàc bardziej perspektywicznie, po-

za projekty X-33 i X-34, agencja zintensy-
fikowa∏a ostatnio prace nad silnikami
odrzutowymi, zepchni´te uprzednio na
plan dalszy po rezygnacji z programu
National Aerospace Plane w listopadzie
1994 roku. Byç mo˝e idea jednostopnio-
wego noÊnego pojazdu orbitalnego znaj-
dzie realizacj´ w silnikach zwanych
superstrumieniowymi, pobierajàcych po-
wietrze z atmosfery jak zwyk∏e odrzu-
towe, lecz dzia∏ajàcych przy pr´dko-
Êciach ponadszeÊciokrotnie wi´kszych
od pr´dkoÊci dêwi´ku. Kilka bezpiloto-
wych maszyn tego typu, oznaczonych
symbolem X-43, powinno rozpoczàç
w roku 2000 loty testowe z pr´dkoÊcia-
mi najwy˝ej 10-krotnie przekraczajàcy-
mi pr´dkoÊç dêwi´ku – eksperyment
majà koƒczyç, rozbijajàc si´ w Oceanie
Spokojnym [ramka na stronie 34].

TrudnoÊç zbudowania silnika super-

strumieniowego – wyjaÊnia Gary E. Pay-

ton z NASA – polega na opracowaniu ta-
kiej metody spowalniania powietrza na-
porowego, aby podczas spalania w nim
paliwa w celu uzyskania ciàgu nie po-
wstawa∏y nadmierne iloÊci ciep∏a. W za-
sadzie problem ten powinno rozwiàzaç
wykorzystanie fali uderzeniowej wytwo-
rzonej we wlocie powietrza, lecz traci∏o-
by si´ w ten sposób mnóstwo energii.

Poza Ziemi´

Jeden z potencjalnie skutecznych sys-

temów by∏by oparty na silniku przeloto-
wym, dzia∏ajàcym jako rakietowy dla
bardzo niskich pr´dkoÊci i na bardzo du-
˝ych wysokoÊciach, gdzie powietrze sta-
je si´ zbyt rozrzedzone, aby op∏aca∏o si´
je pobieraç. Na takiej wysokoÊci statek
lecàcy na orbit´ mia∏by ju˝ pr´dkoÊç od-
powiadajàcà mniej wi´cej Mach 10. Aby
przejÊç od prób w tunelach aerodyna-
micznych do prób w locie, trzeba te tzw.
hybrydowe silniki przelotowo-rakieto-
we jeszcze udoskonaliç. Odpowiedni ciàg
osiàgnà po wkomponowaniu ich w kon-
strukcj´ statku. W ramach nowego pro-
gramu Future-X – majàcego na celu opra-
cowanie pojazdu zaawansowanego
technologicznie (Advanced Technology
Vehicle) i przebadanie dzi´ki niemu roz-
maitych wersji lotów hipersonicznych –
NASA zawar∏a ostatnio kontrakt z Boe-
ingiem. Payton zapewnia, ˝e jeÊli wszyst-

êród∏a energii sà niebezpieczne. Gdy zdarzy∏
si´ wypadek podczas startu rakiety niosàcej
satelit´ z tego typu generatorem, satelita zo-
sta∏ wprawdzie ca∏kowicie zniszczony, ale nie
uszkodzony generator odnaleziono na dnie
oceanu, sprawdzono i wys∏ano ponownie
w kosmos na innym satelicie – przyp. t∏um.)
W próbniku wyposa˝onym w silniki jàdrowe
instrumenty zasilano by energià z tego same-
go reaktora, który wytwarza∏by ciàg. Poza tym
zaniedbywalnie ma∏a by∏aby iloÊç odpadów
radioaktywnych – w przypadku lotu do odle-
g∏ych rejonów Uk∏adu S∏onecznego oko∏o
1 g produktów rozszczepialnych – a w dodat-
ku nigdy nie powraca∏yby one na Ziemi´.

Idea rakiet atomowych nie jest nowa. Jed-

nym z przedsi´wzi´ç amerykaƒskiego Depar-
tamentu Obrony w tej dziedzinie by∏ program
Space Nuclear Thermal Propulsion (Nuklear-
ny Termiczny Nap´d Kosmiczny) z koƒca lat
osiemdziesiàtych. Mia∏ na celu opracowanie
niewielkiego i lekkiego silnika jàdrowego na
potrzeby wojskowe, na przyk∏ad do wynosze-
nia ci´˝kich ∏adunków na wysokà orbit´ wo-
kó∏ziemskà. Podstawowym elementem pro-
jektu by∏ reaktor PBR (particle bed reactor),
w którym paliwo mia∏o postaç ma∏ych upako-
wanych ziaren w´glika uranu pokrytych w´gli-
kiem cyrkonu. Choç prace nad PBR zakoƒ-
czono jeszcze przed zbudowaniem prototypu
reaktora w pe∏nej skali, uda∏o si´ opracowaç
i uruchomiç oparte na tej koncepcji modele
o niskiej mocy i tym samym udowodniç, ˝e
uzyskanie bardzo du˝ych g´stoÊci mocy jest
mo˝liwe.

Projektujàc Mitee, czerpaliÊmy obficie z wy-

ników prac nad PBR, które wraz z kolegami
prowadziliÊmy w Brookhaven National Labo-
ratory przez niemal 10 lat. W Mitee zastoso-
waliÊmy t´ samà koncepcj´ roz∏o˝enia po
obwodzie elementów paliwowych, a na mode-
rator zaproponowaliÊmy lekki, stabilny ter-
micznie wodorek litu 7. Nie chcàc jednak prze-
sadziç z innowacjami, zaprojektowaliÊmy
zespó∏ paliwowy Mitee tak, aby uzyskiwaç
maksymalnà g´stoÊç mocy oko∏o 10 MW/dm

a nie 30 MW/dm

jak w PBR.

Nietrudno wykazaç, ˝e korzystanie wy∏àcz-

nie z rakiet chemicznych daje ma∏e mo˝liwo-
Êci eksploracji wielkich planet i ich ksi´˝yców.
W najbli˝szej przysz∏oÊci tylko rakiety jàdrowe
zapewnià dostatecznà moc, niezawodnoÊç
i elastycznoÊç, niezb´dne do poszerzenia
w istotnym stopniu wiedzy o wcià˝ okrytych ta-
jemnicà rubie˝ach Uk∏adu S∏onecznego.

JAMES R. POWELL jest prezesem firmy

Plus Ultra Technologies z Shoreham (stan
Nowy Jork), która opracowa∏a koncepcj´ i pro-
jekt Mitee – reaktora do nap´du statków ko-
smicznych. W latach 1956–1996 Powell pe∏ni∏
funkcj´ szefa dzia∏u systemów reaktorowych
w Brookhaven National Laboratory. Autor
sk∏ada podzi´kowania swym wspó∏pracow-
nikom George’owi Maise’owi i Johnowi Pa-
niagua za wydatnà pomoc w przygotowaniu
tego artyku∏u.

CI¢˚KI SAMOLOT KOSMICZNY opracowuje firma Space Access z Palmdale (Ka-
lifornia). B´dzie on rozp´dzany do pr´dkoÊci Mach 6 za pomocà nowego typu
e˝ektorowych silników strumieniowych, a nast´pnie prze∏àczany na silniki ra-
kietowe. Oddzielone stopnie powrócà samodzielnie na miejsce startu i wylàdu-
jà na pasie startowym.

Space Access

Przybli˝ona data startu:

2003 rok

Orientacyjny koszt:

4–6 mld dolarów

èród∏o zasilania:

silniki przelotowe i rakietowe

Za zgodà SPACE ACCESS

44 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

odró˝ do gwiazd jest ideà tak fascynujàcà, ˝e wcià˝ powraca
w niezliczonych wytworach ludzkiej kultury, od poezji z cza-

sów rzymskich do muzyki popularnej z koƒca XX wieku. Tkwi
w ÊwiadomoÊci g∏´boko; gdy pisarze, poeci i dziennikarze
wspominajà o si´ganiu do gwiazd, wszyscy natychmiast rozumie-
jà, ˝e jest to metafora dà˝enia do czegoÊ nieosiàgalnego.

Choç podró˝e mi´dzygwiezdne nadal pozostajà wspania∏ym,

lecz futurystycznym marzeniem, niewielka grupa naukowców i in-
˝ynierów rozwa˝a Êmia∏e koncepcje i przeprowadza eksperymen-
ty, które mogà zaowocowaç technikami rozp´dzania statków ko-
smicznych do pr´dkoÊci pozwalajàcych na wyjÊcie daleko poza

granice Uk∏adu S∏onecznego. Nap´d oparty na syntezie termojà-
drowej umo˝liwi∏by zapewne ludzkoÊci loty za∏ogowe do planet
zewn´trznych i wysy∏anie próbników bezza∏ogowych na kilka ty-
si´cy jednostek astronomicznych w g∏àb przestrzeni mi´dzy-
gwiezdnej (jednostka astronomiczna, równa oko∏o 150 mln km,
to Êrednia odleg∏oÊç Ziemi od S∏oƒca). System taki powstanie
prawdopodobnie za kilkadziesiàt lat. Jeszcze pot´˝niejsze silniki
– wykorzystujàce anihilacj´ materii i antymaterii – mog∏yby pos∏u-
˝yç do nap´du statków wysy∏anych do pobliskich gwiazd, z których
najbli˝sza, Proxima Centauri, znajduje si´ w odleg∏oÊci oko∏o
270 tys. jednostek astronomicznych.

AtrakcyjnoÊç tych niezwyk∏ych nap´dów polega na uzyskaniu

olbrzymiej iloÊci energii z jednostki masy paliwa. System opar-
ty na syntezie termojàdrowej mo˝e teoretycznie wytworzyç z ki-
lograma paliwa 10

J, co odpowiada g´stoÊci energii a˝ 10 mln

razy wi´kszej ni˝ we wspó∏czesnych rakietach chemicznych. Od-
dzia∏ywanie materii z antymaterià b´dzie jeszcze trudniejsze do
wykorzystania, lecz mog∏oby daç niewyobra˝alnà wr´cz g´stoÊç
energii, równà 2

× 10

J/kg – ta iloÊç wystarcza do pokrycia

energetycznego zapotrzebowania ludzkoÊci przez mniej wi´cej
26 min.

W reakcjiach syntezy termojàdrowej bardzo lekkie atomy sà

poddawane wielkiemu ciÊnieniu i temperaturze, dzi´ki czemu od-
leg∏oÊç mi´dzy ich jàdrami staje si´ na dostatecznie d∏ugo tak ma-
∏a, ˝e mogà zlaç si´ w jàdra ci´˝szych pierwiastków. Ró˝nica ma-
sy mi´dzy substratami i produktami tych reakcji zamienia si´
w energi´, zgodnie ze s∏ynnym wzorem Einsteina E = mc

Przeszkody w praktycznym wykorzystaniu fuzji jàdrowej, ˝e nie

wspomn´ o anihilacji materii, sà olbrzymie. Istniejà dwie podsta-
wowe metody kontrolowania syntezy termojàdrowej, czy to ma-
jàcej s∏u˝yç do wytwarzania ciàgu, czy do zasilania ziemskich
elektrowni. Ró˝nià si´ sposobem utrzymywania niezwykle goràce-
go na∏adowanego elektrycznie gazu, zwanego plazmà, w którym
zachodzi reakcja. W tzw. systemach fuzji opartych na koncepcji
utrzymania magnetycznego plazma jest umieszczona w odpo-
wiednio ukszta∏towanym silnym polu magnetycznym. Natomiast
w systemach inercyjnych maleƒkie kuleczki paliwa termojàdrowe-
go sà ogrzewane i kompresowane przez wiàzki laserowe lub stru-
mienie jonowe.

W listopadzie 1997 roku naukowcom pracujàcym nad syste-

mem magnetycznym uda∏o si´ wywo∏aç reakcj´, w której uzyska-
li a˝ 65% energii zu˝ytej na jej zainicjowanie. Osiàgni´to to w An-
glii w Joint European Torus – tokamaku, toroidalnym naczyniu,
w którym pole magnetyczne utrzymuje goràcà plazm´. Komercyj-
ny reaktor dzia∏ajàcy na zasadzie syntezy termojàdrowej musia∏-
by oczywiÊcie dawaç znacznie wi´cej energii, ni˝ by∏oby potrzeb-
ne do zapoczàtkowania lub podtrzymania reakcji.

Jednak nawet po zbudowaniu na Ziemi elektrowni termojàdro-

wej pozosta∏yby do rozwiàzania trudnoÊci zwiàzane z konstruk-
cjà termojàdrowego silnika do nap´du statków kosmicznych. Pod-
stawowy problem polega na takim skierowaniu bardzo szybkich
czàstek powstajàcych w wyniku fuzji, by uzyskaç si∏´ ciàgu. Poza
tym trzeba by uporaç si´ z problemem pobierania i gromadzenia
wystarczajàcych iloÊci paliwa do fuzji jàdrowej oraz uzyskania od-
powiednio du˝ego stosunku si∏y ciàgu do masy statku.

Od koƒca lat pi´çdziesiàtych naukowcy zdà˝yli zaproponowaç

dziesiàtki koncepcji budowy rakiet termojàdrowych. Choç w wy-
niku fuzji jàdrowej powstaje mnóstwo bardzo szybkich czàstek,
reakcja ta mo˝e pos∏u˝yç do nap´dzania statku tylko wtedy, gdy
czàstki zostanà skierowane w jednà stron´. W systemach ma-
gnetycznych nale˝a∏oby doprowadzaç paliwo do podtrzymania
reakcji i jednoczeÊnie pozwoliç na ucieczk´ cz´Êci plazmy w jed-
nym kierunku. Poniewa˝ plazma termojàdrowa zniszczy∏aby ka˝-
dy materia∏, z którym by si´ zetkn´∏a, do skierowania na∏ado-
wanych czàstek na zewnàtrz rakiety trzeba u˝yç silnego pola
magnetycznego, ukszta∏towanego przez urzàdzenie zwane dy-
szà magnetycznà.

W silniku inercyjnym maleƒkie kapsu∏ki z paliwem do fuzji jà-

drowej oÊwietlane by∏yby z cz´stotliwoÊcià oko∏o 30 Hz silnymi
wiàzkami laserowymi lub strumieniami jonowymi. Równie˝ w tym
przypadku do skierowania produktów reakcji w jednà stron´ w ce-
lu wytworzenia ciàgu mo˝e wystarczyç dysza magnetyczna.

Rodzaj czàstek powstajàcych w reakcji fuzji jàdrowej zale˝y od

u˝ytego paliwa. Naj∏atwiejsza do zainicjowania jest reakcja mi´-
dzy deuterem a trytem, izotopami wodoru o jàdrach z∏o˝onych
z protonu i odpowiednio jednego lub dwóch neutronów. Produk-
tami reakcji sà neutrony oraz jàdra atomów helu zwane czàstkami
alfa. Do wytworzenia ciàgu mogà pos∏u˝yç te ostatnie, poniewa˝ sà
na∏adowane elektrycznie; nie da si´ skierowaç w jednà stron´ obo-

W NAP¢DZANYM ANTYMATERIÑ mi´dzy-
gwiezdnym statku trzeba by zachowaç
pewnà odleg∏oÊç mi´dzy ∏adunkiem
a silnikiem. PierÊcieƒ stanowi cz´Êç
dyszy magnetycznej, która w
celu wytworzenia ciàgu nada-
je kierunek rozp´dzonym
elektrycznie na∏adowa-
nym czàstkom.

ko pójdzie dobrze, próby w locie nowych
hybrydowych silników rakietowych roz-
pocznà si´ w latach 2004–2006.

Gdy tylko statek opuÊci atmosfer´

i osiàgnie pr´dkoÊç orbitalnà, odpowia-
dajàcà mniej wi´cej Mach 25, trudnoÊci
techniczne ca∏kowicie zmieniajà charak-

ter. Nie potrzeba ju˝ wielkiego ciàgu,
poniewa˝ statek nie musi walczyç z
przyciàganiem Ziemi i oporem powie-
trza. Bada si´ zatem kilka nowych sys-
temów nap´du statków w kosmosie.

Wart odnotowania jest silnik jonowy,

testowany obecnie przez NASA na prób-

niku Deep Space 1. Silniki jonowe dzia-
∏ajà na zasadzie przyspieszania silnym
polem elektrycznym na∏adowanych
elektrycznie atomów (jonów), b´dàcych
czynnikiem roboczym. Wylatujàc z silni-
ka, jony wytwarzajà ciàg. Preferowanym
obecnie czynnikiem roboczym silników

Si´gnijmy do gwiazd

Stephanie D. Leifer

BOB SAULS

John Frassanito & Associates

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 45

j´tnych neutronów. Ich energi´ kinetycznà mo˝na wykorzystaç do
nap´du statku, ale nie bezpoÊrednio. Trzeba by je wpierw wyhamo-
waç i nast´pnie wykorzystaç wytworzone w tym procesie ciep∏o.
Promieniowanie neutronowe stanowi∏oby te˝ zagro˝enie dla znaj-
dujàcych si´ na pok∏adzie ludzi. W przypadku lotów za∏ogowych
silnik musia∏by wi´c byç os∏oni´ty masywnymi tarczami przeciw-
neutronowymi.

Z powy˝szych faktów wynika, ˝e istnieje podstawowy problem

z doborem paliwa do fuzji jàdrowej. Choç naj∏atwiej jest zainicjo-
waç reakcj´ mi´dzy deuterem a trytem, w wielu projektowanych
systemach nap´dowych przewiduje si´ u˝ycie deuteru i izotopu he-
lu 3 (z jàdrem z∏o˝onym z dwóch protonów i jednego neutronu).
W wyniku fuzji tych jàder powstaje jàdro helu i proton – oba mo-
gà byç kierowane przez pole magnetyczne.

TrudnoÊç polega na tym, ˝e hel 3 jest na Ziemi bardzo rzadki.

Niezale˝nie jednak od doboru paliwa do wykonania lotu za∏ogowe-
go do kraƒców Uk∏adu S∏onecznego lub w przestrzeƒ mi´dzy-
gwiezdnà potrzebny by∏by statek o masie wielu tysi´cy ton, na
którà w du˝ej mierze sk∏ada∏oby si´ paliwo. (Dla porównania: ma-
sa Mi´dzynarodowej Stacji Kosmicznej ma wynosiç oko∏o 500 t.)

Nawet osobno rozpatrywane najpowa˝niejsze problemy nap´-

du termojàdrowego – uzyskanie odpowiedniej nadwy˝ki energii
z kontrolowanej reakcji, zbudowanie skutecznych urzàdzeƒ do
utrzymywania plazmy i dysz magnetycznych oraz zgromadzenie
niezb´dnej iloÊci paliwa – wydajà si´ przyt∏aczajàce. Rysuje si´ jed-
nak nadzieja na przysz∏e ich przezwyci´˝enie.

Przede wszystkim mamy podstawy przypuszczaç, ˝e rozwój reak-

torów termojàdrowych przekroczy wreszcie punkt krytyczny, jakim jest
wytworzenie energii równej doprowadzonej. Na badania nad syste-
mami inercyjnymi przeznacza si´ w Stanach Zjednoczonych znaczne
fundusze w ramach programu utrzymania arsena∏u nuklearnego, ma-
jàcego na celu opracowanie metod zapewnienia bezpieczeƒstwa i nie-
zawodnoÊci broni termojàdrowej bez wykonywania próbnych wybu-
chów. Centrum tych badaƒ b´dzie usytuowane w Lawrence Livermore
National Laboratory, gdzie budowane jest obecnie urzàdzenie Natio-
nal Ignition Facility (NIF). Uruchomienie NIF przewiduje si´ na rok
2001, a pe∏na moc lasera – 1.8

× 10

J w impulsie trwajàcym cztery mi-

liardowe sekundy – ma zostaç osiàgni´ta w roku 2003. Z laserem ta-
kiej mocy naukowcy spodziewajà si´ uzyskaç z fuzji jàdrowej energi´
10-krotnie wi´kszà od niezb´dnej do zapoczàtkowania reakcji.

Istniejà tak˝e przes∏anki, by sàdziç, ˝e tokamaki, dominujàce

w technologii magnetycznego utrzymywania plazmy, mogà byç
nied∏ugo zastàpione mniejszymi urzàdzeniami, lepiej nadajàcymi
si´ do zastosowania w systemach nap´dowych statków kosmicz-
nych. W roku 1996 Fusion Energy Sciences Advisory Committee
Departamentu Energii USA zainicjowa∏ badania takich obiecujàcych
rozwiàzaƒ magnetycznego utrzymywania plazmy, jak system opar-
ty na pinchu z odwróconym polem, inne uk∏ady z odwróconym
polem oraz tokamaki sferyczne.

Tymczasem rozpocz´∏y si´ wst´pne prace nad dyszami ma-

gnetycznymi. Najszerzej zakrojone sà obecnie badania prowa-
dzone wspólnie przez NASA, Ohio State University i Los Alamos
National Laboratory. Naukowcy z tych trzech placówek za pomo-
cà bardzo silnych pràdów elektrycznych wytwarzajà plazm´
symulujàcà plazm´ termojàdrowà i badajà jej oddzia∏ywanie z po-
lem magnetycznym.

Nawet problemy z paliwem jàdrowym dadzà si´ prawdopodobnie

rozwiàzaç. Choç helu 3 jest bardzo ma∏o na Ziemi, wi´ksze jego ilo-

Êci znajdujà si´ w gruncie ksi´˝ycowym i w atmosferze Jowisza. Po-
nadto za paliwo termojàdrowe mogà pos∏u˝yç inne pierwiastki, obfi-
ciej wyst´pujàce na naszej planecie, jak bor. Reakcje z ich udzia-
∏em by∏yby trudniejsze do zainicjowania, lecz dawa∏yby czàstki alfa.

Choç nap´d termojàdrowy uwa˝a si´ za bardzo obiecujàcy, istnie-

je zjawisko fizyczne – anihilacja materii z antymaterià – w którym
energia na jednostk´ masy substratów reakcji jest jeszcze wi´k-
sza. W kosmicznym systemie nap´dowym mo˝na by wykorzystaç
anihilacj´ protonów i antyprotonów. W jej wyniku nast´puje seria
reakcji. Najpierw powstajà piony – krótko ˝yjàce czàstki, z których
cz´Êç mo˝na by wykorzystaç do wytworzenia ciàgu dzi´ki zasto-
sowaniu pola magnetycznego. Piony powstajàce z anihilacji proto-
nu i antyprotonu poruszajà si´ prawie z pr´dkoÊcià Êwiat∏a.

Znów jednak problemem jest brak

paliwa: iloÊç antyprotonów wytwarza-
nych w akceleratorach czàstek wy-
sokich energii na ca∏ym Êwiecie li-
czona jest w nanogramach na rok.
Aby zawieêç ludzi do najbli˝szej
gwiazdy Proxima Centauri, system
nap´dowy dzia∏ajàcy na zasadzie
anihilacji materii i antymaterii wyma-
ga∏by ca∏ych ton antyprotonów. Wy-
chwytywanie i przechowywanie an-
typrotonów oraz manipulowanie nimi
stanowià wielkie wyzwanie, ponie-
wa˝ czàstki te anihilujà w kontakcie
ze zwyk∏ymi protonami.

Niewykluczone, ˝e w ciàgu nast´p-

nego dziesi´ciolecia uda∏oby si´ jed-
nak wykorzystaç, choç w mniejszym
stopniu, wysokà wydajnoÊç energe-
tycznà anihilacji. W systemie takim
antyprotony inicjowa∏yby jedynie re-
akcj´ termojàdrowà z inercyjnym
utrzymaniem. Przenika∏yby w g∏àb jàder ci´˝kich atomów, anihilo-
wa∏y tam z protonami i powodowa∏y rozpad jàdra. Rozp´dzone pro-
dukty rozpadu podgrzewa∏yby paliwo termojàdrowe, doprowadza-
jàc do zap∏onu reakcji fuzji. NASA finansuje ju˝ wst´pne badania nad
sposobami praktycznej realizacji tego pomys∏u. Program obejmuje
m.in. zaprojektowanie i skonstruowanie w Pennsylvania State Uni-
versity urzàdzenia do wychwytywania i transportu antyprotonów.

Na tym bardzo wczesnym etapie prac trudnoÊci w zbudowaniu

nap´du termojàdrowego – ˝e nie wspomn´ o opartym na anty-
materii – wydajà si´ nie do przezwyci´˝enia. Ale przecie˝ realizo-
waliÊmy ju˝ w przesz∏oÊci pozornie niewykonalne pomys∏y. Ile
mo˝na osiàgnàç dzi´ki wspólnemu wysi∏kowi i koncentracji ogrom-
nych Êrodków finansowych, wykaza∏y m.in. programy Apollo i Man-
hattan. Trudno sobie dziÊ wyobraziç ambitniejsze zadanie ni˝
skonstruowanie nap´du termojàdrowego lub opartego na anty-
materii. To w∏aÊnie b´dà techniki, dzi´ki którym ludzkoÊci uda si´
wreszcie naprawd´ si´gnàç do gwiazd.

STEPHANIE D. LEIFER jest kierownikiem dzia∏u zaawansowa-

nych koncepcji nap´du w Advanced Propulsion Technology Group
w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie (Kalifornia). W JPL zaj-
mowa∏a si´ tak˝e ˝aglami s∏onecznymi oraz systemami nap´du
elektrycznego i mikrosilników.

jonowych jest ksenon. Deep Space 1 czer-
pie energi´ z baterii s∏onecznych, lecz
teoretycznie do zasilania takiego silnika
nadaje si´ dowolne êród∏o energii elek-
trycznej. Silnik jonowy potrafi wytwo-
rzyç niemal 10-krotnie wi´kszy ciàg na
jednostk´ masy czynnika roboczego ni˝

rakiety o nap´dzie chemicznym. W
rezultacie choçby nawet wytwarza∏ za-
ledwie kilka gramów si∏y ciàgu, to
móg∏by dzia∏aç przez wiele lat bez prze-
rwy, pozwalajàc statkowi kosmicznemu
na uzyskanie bardzo du˝ej pr´dkoÊci.
Silniki jonowe umo˝liwià d∏ugotrwa∏e

misje do Urana i Neptuna i uzyskanie
znacznie wi´kszej iloÊci danych ni˝
z przelotu Voyagera 2 w latach osiem-
dziesiàtych – twierdzi James S. Sovey
z NASA Lewis Research Center.

Silniki jonowe nie sà jedynym rodza-

jem przysz∏ego nap´du statków kosmicz-

ZA¸OGOWY statek kos-
miczny odbywajàcy po-
dró˝e mi´dzygwiezdne
mia∏by z przodu wirujà-
cà konstrukcj´, dzi´ki
czemu w czterech prze-
dzia∏ach uzyskiwano by
sztuczne cià˝enie.

DANA BERRY

(statek)

; ROBERT O’DELL

(Mg∏awica Oriona)

nych, jaki bierze si´ pod uwag´ w pla-
nach eksploracji Uk∏adu S∏onecznego.
Na zasadzie rozp´dzania jonów dzia∏a-
jà równie˝ silniki Halla, nie zawierajà
one jednak siatkowych elektrod. Do
nadania czàstkom kierunku ruchu sto-
suje si´ w nich m.in. radialne pole ma-
gnetyczne. Uzyskiwany ciàg jest jesz-
cze wi´kszy – obecnie testuje si´ silnik
o mocy 50 kW. Wed∏ug Roberta S. Jan-
kovsky’ego z NASA Lewis Research
Center modele prototypowe wykazujà
sprawnoÊç na jednostk´ masy paliwa
zbli˝onà do silników jonowych. Na ra-
zie urzàdzenia tego typu wydajà si´
atrakcyjne w zastosowaniach oko∏oziem-
skich, choç mo˝e si´ to zmieniç, gdy
jeszcze bardziej podniesiemy ich spraw-
noÊç. Nale˝àcy do rzàdu Stanów Zjed-
noczonych satelita z takim silnikiem
zosta∏ ju˝ u˝yty w tajnej misji, firma Te-
ledesic natomiast, która planuje wpro-
wadzenie globalnych szerokopasmo-
wych us∏ug telekomunikacyjnych, ma
zamiar zastosowaç w swoich satelitach
silniki Halla.

Do zasilania niemal wszystkich sate-

litów na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej sà
obecnie u˝ywane ogniwa fotoelektrycz-

ne. Oczekuje si´ zwi´kszenia ich spraw-
noÊci: NASA opracowa∏a nowe rozwià-
zania, w których Êwiat∏o na powierzch-
ni ogniw skupiajà tysiàce mikrosocze-
wek. Taka bateria s∏oneczna testowana
jest obecnie na próbniku Deep Space 1.

Okazuje si´ jednak, ˝e promieniowa-

nie s∏oneczne daje si´ wykorzystaç do
bardziej bezpoÊredniego wytwarza-
nia ciàgu. U.S. Air Force przeznaczy∏y
48 mln dolarów na czteroletni program
budowy ostatniego cz∏onu rakiety no-
Ênej zasilanego energià s∏onecznà. B´-
dzie on transportowa∏ satelity z niskiej
orbity wokó∏ziemskiej na orbit´ geo-
stacjonarnà znacznie taniej ni˝ rakieta
o nap´dzie chemicznym. Solar Orbit
Transfer Vehicle ma zwierciad∏o sku-
piajàce Êwiat∏o s∏oneczne na bloku gra-
fitowym, który rozgrzewa si´ do tem-
peratury 2100°C i odparowuje s∏u˝àcy
za paliwo ciek∏y wodór. Rozszerzajàcy
si´ gaz wytwarza ciàg.

Gotowe urzàdzenie potrzebowa∏oby

na wyniesienie typowego ∏adunku na
orbit´ geostacjonarnà 3–8 tygodni, dzi´-
ki jednak swej ma∏ej masie satelita znaj-
dzie si´ na orbicie wokó∏ziemskiej za
pomocà mniejszej ni˝ dotychczas ra-

kiety. W przeliczeniu na jeden start
oszcz´dnoÊci wynios∏yby kilkadziesiàt
milionów dolarów – zauwa˝a zast´pca
szefa programu Thomas L. Kessler z
Boeinga.

Nie mo˝na jednak polegaç wy∏àcznie

na energii s∏onecznej – trudno jà wyko-
rzystaç choçby w lotach poza orbit´ Jo-
wisza. W misjach Galileo do Jowisza
i Cassini do Saturna do zasilania s∏u˝à
generatory radioizotopowe, w których
elektrycznoÊç wytwarzana jest z ciep∏a
pochodzàcego z rozpadu promienio-
twórczego izotopu plutonu 238. Syste-
mu tego nie da si´ jednak rozbudowaç,
aby uzyskaç wi´cej energii.

Wielu entuzjastów uwa˝a, ˝e przy-

sz∏oÊç nale˝y do reaktorów jàdrowych
dostosowanych konstrukcyjnie do pra-
cy w przestrzeni kosmicznej. Poniewa˝
wytwarzajà one pewnà iloÊç odpadów
promieniotwórczych, zwolennicy ko-
smicznej atomistyki proponujà wynosze-
nie ich na orbit´ w stanie nieaktywnym
za pomocà rakiet chemicznych. Urucha-
miane by∏yby dopiero w bezpiecznej od-
leg∏oÊci od Ziemi i w razie awarii pod-
czas startu nie zagra˝a∏yby nikomu.
Wed∏ug niektórych szacunków podró˝
na Marsa statkiem z silnikiem jàdrowym
trwa∏aby zaledwie 100 dni, czyli o po∏o-
w´ krócej ni˝ statkiem z silnikiem che-
micznym. Reaktor przyda∏by si´ te˝ do
zasilania bazy na Marsie – mówi g∏ówny
technolog NASA Samuel L. Venneri.

W systemie nap´dowym da∏oby si´

wykorzystaç reaktor jàdrowy na ró˝ne
sposoby. Jeden z nich, polegajàcy na bez-
poÊrednim generowaniu du˝ego ciàgu
w krótkich impulsach, zosta∏ opisany
przez Jamesa R. Powella [ramka na stro-
nie 42]. Zdaniem autora taki system na-
p´dowy pozwoli∏by na zbudowanie stat-
ku zdolnego do przywiezienia na Ziemi´
próbek ska∏ z Plutona. Proponuje si´ tak-
˝e inne rozwiàzania. Reaktor jàdrowy
móg∏by s∏u˝yç do ciàg∏ego wytwarza-
nia ciep∏a, które by∏oby nast´pnie za-
mieniane w energi´ elektrycznà, a t´
z kolei wykorzystano by do zasilania sil-
ników jonowych, silników Halla lub
elektrycznego systemu nap´dowego no-
wego typu. Obecnie znajduje si´ on we
wczesnym stadium opracowywania
i znany jest jako silnik magnetoplazmo-
dynamiczny. Mo˝na ∏àczyç ze sobà roz-
maite koncepcje konstrukcji reaktora
i systemu nap´dowego – zauwa˝a Ga-
ry L. Bennett, by∏y dyrektor ds. zaawan-
sowanych systemów nap´dowych
w NASA. Jednak zdecydowana niech´ç
opinii publicznej do wszystkiego, co
„atomowe”, skazuje reaktory kosmicz-
ne na negatywnà ocen´ politycznà,
NASA nie poczyni∏a wi´c w tym kierun-
ku praktycznie ˝adnych kroków.

46 Â

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999

PIERWSZY STATEK NOÂNY NADAJÑCY SI¢ DO WIELOKROTNEGO U˚YTKU – tak
firma Kistler Aerospace z Kirkland (stan Waszyngton) opisuje rakiet´ K-1, która ma
wykonaç swój dziewiczy lot pod koniec tego roku. Poszczególne stopnie tej rakie-
ty powrócà na Ziemi´ na spadochronach.

Rakieta wielokrotnego
u˝ytku Kistlera

Planowana data startu:

1999 rok

Orientacyjny koszt:

nie ujawniony

èród∏o zasilania:

rakieta na naft´ i ciek∏y tlen

PROFIL LOTU K-1

Start

na trzech
silnikach NK-33

Od∏àczenie

drugiego stopnia;
pierwszy stopieƒ
wraca na miejsce
startu

Odpalenie silnika drugiego stopnia

Od∏àczenie ∏adunku

Pojazd

obraca si´ i wchodzi

do atmosfery

nosem do przodu

Làdowanie

na poduszkach
powietrznych
po wyhamowaniu
przez spadochrony

Za zgodà KISTLER AEROSPACE

Niezale˝nie od tego, czy energia jà-

drowa zostanie w koƒcu wykorzystana
w kosmosie, pomys∏owi konstruktorzy
i naukowcy widzà przysz∏oÊç dalszej
eksploracji Uk∏adu S∏onecznego w ja-
snych barwach. Ivan Bekey, niegdyÊ wy-
soki urz´dnik NASA, a obecnie jej kon-
sultant, jest zdania, ˝e w ciàgu 40 lat
systematycznie prowadzone prace za-
owocujà zmniejszeniem kosztów wy-
niesienia ∏adunku na orbit´ z 20 tys. do-
larów obecnie do zaledwie dwóch.
Przewiduje, ˝e w pe∏ni nadajàcy si´ do
wielokrotnego u˝ytku jednostopniowy
pojazd noÊny powinien dziesi´ciokrot-
nie zmniejszyç koszty ju˝ przed up∏y-
wem 10 lat.

Silniki ∏àczàce technik´ naddêwi´ko-

wà i rakietowà, a tak˝e nowe, bardzo
wydajne paliwa pozwoli∏yby prawdo-
podobnie na dalsze dziesi´ciokrotne ob-
ni˝enie kosztów. (Innym sposobem ich

redukcji odpowiednio do 200 dolarów
za kilogram by∏oby wed∏ug Bekeya zbu-
dowanie jednostopniowego, w pe∏ni na-
dajàcego si´ do wielokrotnego u˝ytku
pojazdu, który wykonywa∏by 1000 lo-
tów rocznie.) Bekey jest tak˝e pod wra-
˝eniem wielkiego potencja∏u lewitu-
jàcych magnetycznie kapsu∏, które
mog∏yby utrzymywaç rakiet´ nad spe-
cjalnym torem, podobnie jak to si´ dzie-
je z kolejà magnetycznà. Tor by∏by na
jednym koƒcu zagi´ty w gór´ – byç mo-
˝e zbudowano by go na zboczu. Pojazd
z silnikiem rakietowym rozp´dza∏by si´
wzd∏u˝ niego i wylatywa∏ w powietrze
pod kàtem 30–40° z pr´dkoÊcià zbli˝o-
nà do pr´dkoÊci dêwi´ku.

Bekey przewiduje, ˝e za jakieÊ 20 lat

zostanà wprowadzone do eksploatacji
statki nap´dzane mikrofalami, podob-
ne do opisanych przez Leika N. Myrabo
z Rensselaer Polytechnic Institute [ram-

ka na stronie 38]. Ciàg wytwarzany by∏-
by magnetohydrodynamicznie dzi´ki
przep∏ywowi elektroprzewodzàcego
p∏ynu (cieczy lub gazu) przez prze-
cinajàce si´ pola elektryczne i magne-
tyczne. TrudnoÊci techniczne sà powa˝-
ne, lecz wiele osób, które zapozna∏y si´
z zasadà dzia∏ania takiego urzàdzenia,
uwa˝a, ˝e da si´ je zbudowaç. Ponie-
wa˝ zastosowanie ukierunkowanej wià-
zki promieniowania elektromagnetycz-
nego oznacza, ˝e ze studni ziemskiego
pola grawitacyjnego nie trzeba wycià-
gaç ani paliwa, ani utleniacza, statek na-
p´dzany laserowo lub mikrofalowo
pozwoli∏by zapewne na zmniejszenie
kosztu wyniesienia kilograma ∏adunku
do 20 dolarów – twierdzi Bekey.

Myrabo i inni uwa˝ajà, ˝e statki na-

p´dzane wiàzkà promieniowania elek-
tromagnetycznego mogà byç zasilane
z sieci orbitalnych elektrowni. Umiesz-

WIAT

AUKI

Kwiecieƒ 1999 47

SILNIK JONOWY nap´dza sond´ Deep Space 1, która zmierza na spotkanie z kometà. Baterie s∏oneczne sondy generujà po-
le elektryczne przyspieszajàce jony ksenonu. Silnik ten mo˝e pracowaç bez przerwy przez wiele tygodni, dzi´ki czemu prób-
nik osiàga bardzo du˝à pr´dkoÊç.

Statek z nap´dem jonowym

Data startu:

1998 rok

Orientacyjny koszt:

150 mln dolarów

èród∏o zasilania:

ogniwa fotoelektryczne

DON FOLEY

czenie elektrowni w kosmosie ma w
ogóle liczne zalety – na tej cz´Êci orbi-
ty, gdzie by∏yby one oÊwietlane przez
S∏oƒce, zagwarantowany jest dop∏yw
mnóstwa fotonów. NASA pod wp∏y-
wem entuzjastycznie nastawionej do te-
go pomys∏u Dany Rohrabacher, przed-
stawicielki Kalifornii i przewodniczàcej
podkomisji ds. lotnictwa i kosmonauty-
ki w Izbie Reprezentantów, rozwa˝a
mo˝liwoÊç dostarczania z nich energii
na Ziemi´. Venneri jest zdania, ˝e na ra-
zie „nie ma podstaw ekonomicznych”
do wspierania takiego przedsi´wzi´cia,
koszty jednak uleg∏yby pewnemu
zmniejszeniu dzi´ki zainstalowaniu na
orbicie konstrukcji nadmuchiwanych.

Orbitalne elektrownie s∏oneczne, któ-

re najprawdopodobniej b´dà przypomi-
naç latajàce spodki kosmicznych przy-
byszów z Dnia niepodleg∏oÊci, mog∏yby
okazaç si´ op∏acalne, gdyby ich energia
pos∏u˝y∏a do wynoszenia pojazdów po-
nad atmosfer´ Ziemi. Tak przynajmniej
twierdzi Myrabo.

Kosmiczne proce i windy

EntuzjaÊci lotów kosmicznych nie za-

pominajà te˝ o mo˝liwoÊci wykorzystania
lin. D∏ugie liny ∏àczàce w kosmosie dwa
obiekty majà prawie magiczne w∏aÊciwo-
Êci, kwalifikujàce je na system nap´dowy
statków kosmicznych. Zawdzi´czajà je
temu, ˝e aby utrzymaç si´ na zadanej or-
bicie, obiekty znajdujàce si´ dalej od Zie-
mi muszà poruszaç si´ nieco wolniej od
bli˝szych. Kiedy wi´c cia∏a umieszczone
na ró˝nych wysokoÊciach po∏àczy si´ li-
nà ponadkilkusetmetrowej d∏ugoÊci, zo-
stanie ona mocno napr´˝ona.

Po∏àczone linà cia∏a podlegajà oczy-

wiÊcie prawom fizyki, m.in. zasadzie za-
chowania momentu p´du. Choç trudno
to sobie wyobraziç na podstawie co-
dziennych doÊwiadczeƒ, to jednak lina
mo˝e zostaç u˝yta jako olbrzymia proca,
przekazujàca moment p´du od jednego
cia∏a do drugiego, dzi´ki czemu zosta-
nie ono szybko przerzucone na innà or-
bit´. JeÊli lina ta b´dzie przewodziç pràd
elektryczny, da si´ jà wykorzystaç do
wytwarzania energii elektrycznej lub do
nap´du satelitów [ramka na stronie 36].
Nie potrafimy jednak do koƒca przewi-
dzieç zachowania na orbicie wokó∏ziem-
skiej uk∏adów wielu cia∏ o du˝ych wy-
miarach liniowych – ostrzega Venneri.

Dzi´ki kosmicznym linom da∏oby si´

nawet zrealizowaç niesamowity pomys∏
umieszczenia na orbicie geostacjonar-
nej satelity na uwi´zi, przymocowanego
gdzieÊ na równiku do powierzchni Zie-
mi. Mo˝na by wtedy skonstruowaç coÊ
w rodzaju kosmicznej windy, zu˝ywa-
jàcej bardzo niewiele energii, do wyno-

szenia obiektów na wysokoÊç do oko∏o
36 tys. km.

Rozwiàzanie to jednak poczeka na re-

alizacj´, poniewa˝ lina ze wzgl´du na
wielkoÊç si∏ na nià dzia∏ajàcych musia∏a-
by zostaç wykonana z materia∏u o wy-
trzyma∏oÊci jednostkowej o wiele wi´k-
szej ni˝ kevlar – polimer obecnie wy-
korzystywany do podobnych celów, ale
na mniejszà skal´. Bekey sugeruje jednak,
˝e da∏oby si´ zbudowaç lin´ z mikrosko-
pijnych w∏ókien z∏o˝onych z atomów w´-
gla u∏o˝onych w rurki o Êrednicy kilku
nanometrów. Kiedy nauczymy si´ ∏àczyç
je w sznury, a nast´pnie wiàzaç i formo-
waç, wyprodukowana przez nas ko-
smiczna lina b´dzie 600 razy wytrzymal-
sza ni˝ obecne – zapewnia. To wi´cej ni˝
potrzeba. System uwi´zi geostacjonarnej
móg∏by, zdaniem Bekeya, zmniejszyç
koszty wynoszenia ∏adunków w prze-
strzeƒ do 2 dolarów za kilogram.

Jakby projekty takie nie by∏y wystar-

czajàco ambitne, wizjonerzy ju˝ teraz roz-
wa˝ajà koncepcje, które byç mo˝e kiedyÊ
pozwolà ludzkoÊci na wys∏anie statku
kosmicznego do sàsiednich gwiazd. Naj-
bardziej obiecujàcym pomys∏em wydajà
si´ ˝agle Êwietlne [ramka na stronie 40].
Urzàdzenia takie nadawa∏yby si´ te˝ do
transportu ∏adunków w obr´bie Uk∏adu
S∏onecznego.

Swoich przysi´g∏ych zwolenników ma

równie˝ idea wykorzystania do nap´du
statków kosmicznych teoretycznie bar-
dzo wydajnej reakcji syntezy termojàdro-
wej. I chocia˝ na razie nawet na Ziemi nie
opanowaliÊmy do koƒca tej sztuki, nie
tracimy nadziei; reaktor termojàdrowy
móg∏by prawdopodobnie wytwarzaç ty-
le energii, ˝e korzystajàc z niej, statek ko-
smiczny bez trudu dotar∏by w dowolne
miejsce Uk∏adu S∏onecznego [ramka na
stronie 44].

Inne projekty nap´du statków kos-

micznych si´gajà jeszcze dalej i rozwa-
˝a si´ je w kontekÊcie za∏ogowych lo-
tów mi´dzygwiezdnych. To teleportacja
kwantowa, dziury w czasoprzestrzeni
i eliminacja p´du. Ich zastosowanie wy-
maga jednak zupe∏nie nowego podej-
Êcia do fizyki – dziÊ nie umiemy nawet
u∏o˝yç listy zadaƒ, które nale˝a∏oby wy-
konaç. Mimo to wcià˝ prowadzi si´ po-
wa˝ne badania nad sposobami wdro˝e-
nia tych pomys∏ów. JeÊli si´ nam po-
wiedzie, zmienimy radykalnie poglàdy
na temat WszechÊwiata. A kto powie-
dzia∏, ˝e którejÊ z tych zwariowanych
idei nigdy nie uda si´ zrealizowaç?

T∏umaczy∏

Maciej Bzowski

List´ dodatkowych lektur mo˝na znaleêç
w WWW pod adresem www.sciam.com/
1999/0299issue/0299beardsleybox1.html

Firma istnieje od 1986 roku

Nasze instrumenty
umo˝liwiajà obserwacj´:

●

plam na S∏oƒcu

●

faz planet Wenus i Merkury

●

kraterów i gór na Ksi´˝ycu

●

czap polarnych na Marsie

●

pasów chmur na planecie

Jowisz oraz jego ksi´˝yców

●

pierÊcieni planety Saturn wraz

z ksi´˝ycami

●

planet Uran, Neptun i Pluton

●

licznych gromad otwartych

i kulistych gwiazd

●

mg∏awic planetarnych

i gazowo-py∏owych

●

galaktyk

●

oraz komet

(je˝eli dopisze szcz´Êcie)

Wymieniamy

teleskopy!

Prowadzimy

sprzeda˝ wysy∏kowà

Udzielamy 5-letniej gwarancji

Naprawiamy mikroskopy

i lornetki

JACEK UNIWERSA¸

34–300 ˚YWIEC, ul. Poniatowskiego 9
tel./fax 0-33 861 33 74, 0-601 593 300
www.universe.com.pl

P u n k t y d y s t r y b u c j i :

Warszawa, tel. 0-22 671 86 96
0-501 157 442
Cz´stochowa, 0-34 366 47 11
Gdynia, tel. 0-58 620 16 45
Koszalin, tel. 0-94 342 51 91
Kraków, tel. 0-12 647 12 90
Lublin, tel. 0-81 746 97 48
Ozorków k. ¸odzi, tel. 0-42 718 86 82
Poznaƒ, tel. 0-601 724 787
Szczecin, tel. 0-91 488 33 91
Wroc∏aw, tel. 0-71 351 42 49
Toruƒ 0-56 654 2000

NowoÊç:

MIKROSKOPY SZKOLNE

NowoÊç:

MENISKOWY

TELESKOP KIESZONKOWY

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Poszukiwania nowej klasyfikacji nauk
W Poszukiwaniu Nowej Drogi W Kosmos
Poszukiwania legendarnej Shambhalli Agharty
NARZĘDZIA POSZUKIWACZY PLANET
6 Geochemia poszukiwawcza
Brubaker, R Nacjonalizm inaczej Struktura narodowa i kwestie narodowe w nowej Europie rozdz1
Wprowadzanie nowej liczby, Pielęgniarstwo rok I i inne, Edukacja matematyczna
TAROT- magia i wiedza(1), Dla Poszukujących, Magia, Tarot i Drzewo Życia
Poszukiwacze pereł, Konkurencje sportowe
Wychowanie w nowej podstawie programowej katechezy, szkoła, Rady Pedagogiczne, wychowanie, profilakt
pogaństwo w kościele krd Ratzinger, Poszukiwanie szczęścia, Powszechne szaleństwo
POSZUKIWANIA TILOPY PRZEZ NAROPĘ
Kwaśniewski szefem nowej żydowskiej
scenarusz zajęć POSZUKIWANIE CHOINKI
prezentacja maturalna poszukiwanie sensu życia w wybranych lekturach
Makowiec na cie c5 9bcie dro c5 bcdzowym

więcej podobnych podstron