Warp, plazma czy atom, czyli dotychczasowe teorie o szybkiej podróży międzygwiezdnej

Jednym z największych wyzwań w naszych planach odnośnie kolonizacji Księżyca, Marsa i, ewentualnie, egzoplanet, jest czas. Chociaż dzisiejsze statki kosmiczne są niewątpliwie daleko bardziej zaawansowane niż te z pierwszej Ery Kosmicznej, wciąż szacuje się, że podróż z Ziemi na Marsa zajęłaby sześć miesięcy, a na inne planety Układu Słonecznego jeszcze dłużej (nie mówiąc już o tym, że do wielu odkrytych w ostatnich latach galaktyk, układów i planet musielibyśmy podróżować przez lata, dekady, a nawet stulecia).

Perspektywa tak długich podróży, zwłaszcza biorąc pod uwagę wpływ kosmosu na naszą psychikę i fizjologię, wydaje się dość kłopotliwa i choć twórcy science-fiction i teoretycy proponowali takie rozwiązania jak hibernacja kolonistów albo statki pokoleniowe, o wiele bardziej przychylnie patrzy się na projekty silników, które umożliwiłyby nam szybsze i tańsze podróże międzygwiezdne.

Takich projektów powstało już kilka.

Zasadnicze problemy statków kosmicznych

Obecnie statki kosmiczne zasilane są paliwem rakietowym, które znajduje się zwykle w trzech członach rakiety. Po wystrzeleniu w kosmos i przekroczeniu stratosfery stopniowo pierwszy i drugi człon zostają odłączone od rakiety, aby zwiększyć siłę nośną statku i odciążyć go. Prawa termodynamiki Newtona sprawiają, że silniki rakietowe muszą wytworzyć jak najwięcej ciepła, które potem zostanie przerobione na energię mechaniczną, a to zależne jest od temperatury i ciśnienia w komorze spalania. Aby rakieta mogła się wznieść, ciąg (czyli siła powstała przy wyrzucaniu przez dyszę silnika gazów powstających podczas spalania) musi być większy od ciężaru rakiety.

Podczas startu paliwo musi zostać w odpowiednim momencie załadowane, aby w porę osiągnęło ciąg potrzebny do startu rakiety. W razie gdyby procedura miała zostać przerwana (na przykład ze względu na pogodę), paliwo musi zostać zawczasu rozładowane (jak to było w przypadku pierwszej próby Crew Dragona).

Wyróżnia się kilka typów napędu rakietowego. Paliwo ciekłe (gdzie ciekły tlen, wodór lub nafta stanowią paliwo) jest obecnie uważane za najwydajniejsze ze względu na to, że napędzane nim rakiety mają mniejszą masę od rakiet na paliwo stałe (które z kolei jest tańsze, ale nie można przy nich kontrolować ciągu).

Na chwilę obecną dalekosiężne podróże międzygwiezdne oznaczałyby potrzebę zabrania ze sobą ogromnej ilości paliwa… którego waga wymagałaby jeszcze większej ilości paliwa, aby wytworzyć odpowiedni ciąg. I tak w kółko. Aby móc ruszyć dalej z eksploracją galaktyki, musimy jakoś rozwiązać ten paradoks, najlepiej odnajdując alternatywny i szybszy napęd do naszych statków kosmicznych.

Napęd Alcubierre’a

Najbardziej popularną alternatywą dla napędu rakietowego jest napęd warp, którego koncepcję nakreślił Gene Roddenberry, tworząc swój słynny serial Star Trek. Napęd warp miał osiągać tak zwaną prędkość warp, czyli prędkość równą lub większą prędkości światła w próżni, osiągalną za pomocą ruchu bąbla w czasoprzestrzeni generowanego przez napęd warp właśnie. Statki kosmiczne generują tak zwane pole warp, które zakrzywia czasoprzestrzeń, zagęszczając wokół nich przestrzeń, która się następnie rozciąga za statkami.

W dzisiejszych czasach napęd warp (taki, jak jest przedstawiony w Star Treku) postrzegany jest jako nie mający zbytnio podstaw naukowych, a w zwłaszcza sprzeczny jest z mechaniką kwantową. Zakrzywienie czasoprzestrzeni wymagałoby wytworzenia ogromnej energii. W Star Treku dochodzi do tego za sprawą kontrolowanej reakcji antymaterii z materią, ale według szczegółowej teorii względności musiałoby istnieć ujemne zakrzywienie czasoprzestrzeni przy ujemnej masie i odpychaniu grawitacyjnym. Na razie jedyna substancja, która teoretycznie mogłaby mieć takie właściwości, to tak zwana materia egzotyczna.

Niemniej jednak w 1994 roku profesor Universidad Nacional Autonoma de Mexico, Miguel Alcubierre, opublikował artykuł, w którym przedstawił teoretyczne możliwości przemieszczania się z prędkością szybszą niż światło w próżni. Według Alcubierre’a, kiedy wokół statku kosmicznego powstałby bąbel zakrzywionej czasoprzestrzeni, przed statkiem będzie się ona kurczyć, a za nim – rozszerzać; w środku zaś będzie płaska, zapewniając tym samym załodze przebywanie w bezpiecznej, zerowej grawitacji. Zgodnie z ogólną teorią względności (gdzie każdy obiekt obdarzony masą zagina przestrzeń wokół siebie), aby napęd Alcubierre’a mógł zadziałać, potrzebna byłaby materia egzotyczna lub inne źródło zakrzywienia o ujemnej masie (z tym, że pierwotnie ta masa miała być wielkości Jowisza).

W latach 1996-2002 zespół Marca G. Milesa z NASA zajął się teoretyczną stroną napędu Alcubierre’a, ale w 2008 roku cofnięto finansowanie projektu. NASA powróciła do rozważań w 2012 roku – w październiku tego roku Harold White przygotowywał się do rozmowy w sprawię tak zwanego 100 Year Starship Project (w ramach którego naukowcy z różnych dziedzin mieli w przeciągu stu lat rozwiązać problem podróży międzygalaktycznych, dzieląc się wiedzą i rozwijając potrzebną technologię). Przeprowadził wtedy analizę pól w swoich równaniach i odkrył coś, co mogło popchnąć rozwój napędu Alcubierre’a we właściwą stronę.

Koncepcja White’a opierała się na tym, że zwiększając gęstość ujemnej energii w próżni i zakręcając ją wokół bąbla, energia egzotycznej materii potrzebna do wykonania szybkiego przejścia z punktu A do B zostałaby mocno zredukowana, tym samym zwiększając prawdopodobieństwo działania napędu Alcubierre’a. Co więcej White twierdzi, że w ten sposób nawet obiekt o masie Voyagera 1 (czyli około 825,5 kg) mogłaby umożliwić nam podróże międzygwiezdne.

Od 2012 roku White i jego zespół zajmuje się eksperymentami, które udowodnią teorię o napędzie Alcubierre’a. Na początku korzystał z interferometru Michaelsona-Morley’a, który został skonstruowany z myślą o wyliczaniu mikroskopijnych ruchów w czasoprzestrzeni. Jednak z czasem zmodyfikował interferometr do tego, aby wykorzystywał laser helowo-neonowy, którego promień rozgałęzia się na dwie ścieżki (owa modyfikacja nosi nazwę interferometru White’a-Juday’a). Do jednej z nich przykłada się eksperymentalne urządzenie do zakrzywiania czasoprzestrzeni, aby porównać ją z drugą ścieżką. Zastosowując analityczne przetwarzanie sygnału 2D, można wyodrębnić wielkość i fazę pola, które można potem porównać z modelami teoretycznymi. Na początku próbowano sprawdzić, czy pole energii elektrycznej w wykonanym z tytanianu baru kondensatorze powyżej 20 kV może generować zakrzywianie czasoprzestrzeni; i podczas Starship Congress w 2013 roku White ogłosił wyniki swoich badań – po przetworzeniu sygnału zachodzi zanikająca, niezerowa różnica między stanami naładowanymi i nienaładowanymi, ale jest ona niejednoznaczna z powodu zewnętrznych zakłóceń i ograniczeń w przetwarzaniu obliczeń. Z kolei podczas NASA Ames Research Colloquium w sierpniu 2014 roku White wykluczył występowanie w tym procesie materii egzotycznej.

Niemniej jednak badania przy użyciu interferometru White’a-Juday’a mogą przybliżyć nas to stworzenia prawdziwego napędu warp.

Napęd plazmowy

Niedawno dowiedzieliśmy się o tym, że doktor Fatima Ebrahimi z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton zaproponowała nowy koncept napędu umożliwiający dalekosiężne podróże kosmiczne. Napęd Ibrahimi opiera się na silniku plazmowym, który wykorzystywałby pola magnetyczne do wyrzucenia plazmy z dysz i w ten sposób generowałby ciąg. Silnik działałby na zasadzie rekoneksji magnetycznej polegającej na energii generowanej przez przecinające się i gwałtownie rozdzielające linie pola magnetycznego. Tego typu technologia wykorzystywana jest w tokamaku – urządzeniu, dzięki któremu można przeprowadzić kontrolowaną reakcję termojądrową, w której powstaje gorąca plazma.

Ebrahimi twierdzi, że na pomysł swojego nowego silnika wpadła w 2017 roku:

„siedząc na pokładzie i myśląc o podobieństwach między układem wydechowym samochodu a cząstkami wydechowymi o dużej prędkości stworzonymi przez PPPL National Spherical Torus Experiment [NSTX; Narodowy Eksperyment Sferycznego Torusa]. Podczas pracy ten tokamak wytwarza bąbelki magnetyczne zwane plazmoidami, które poruszają się z prędkością około 20 kilometrów na sekundę, co wydawało mi się bardzo podobne do ciągu.”

Doktor Ebrahimi spędziła lata na pracy nad kontrolowaną syntezą termojądrową i te badania stały się podstawą jej konceptu silnika plazmowego. Pomysł Ebrahimi zakłada zaprzężenie energii, która napędza Słońce, przy pomocy dostępnych na Ziemi środków (takich jak tokamaki) do napędzania naszych statków kosmicznych.

„Podróże na duże odległości trwają miesiące lub lata, ponieważ specyficzny impuls chemicznych silników rakietowych jest bardzo niski, więc statek potrzebuje trochę czasu, aby nabrać prędkości. Ale jeśli zrobimy silniki odrzutowe w oparciu o ponowne połączenie magnetyczne, moglibyśmy wyobrazić sobie misje na duże odległości w krótszym czasie.”

Według szacunków Ebrahimi, gdyby udało się stworzyć silnik plazmowy, podróż na Księżyc zajęłaby kilka godzin, a podróż na Marsa – trzy tygodnie (zamiast sześciu miesięcy, o których jest mowa przy silniku rakietowym).

Użycie plazmy jako napędu nie jest nowym pomysłem, bo inni naukowcy z PPPL – Yevgeny Raitses i Nathaniel Fisch – prowadzą projekt nazywany Hall Thruster Experiment, wykorzystujący cząsteczki plazmy do napędzania statków kosmicznych.

Na razie jednak pracę nad napędem plazmowym są w fazie symulacji, ale Ebrahimi zamierza zbudować wkrótce prototyp silnika.

Napęd jądrowy – wczoraj i dziś

Jeszcze w 1955 roku NASA rozważało stworzenie silników napędzanych przez energię jądrową – NTP. Pomysłodawcą NTP był Wernher von Braun, ojciec amerykańskiego programu kosmicznego. Rakieta atomowa napędzana byłaby paliwem uranowym, które uległoby rozszczepieniu, tym samym uwalniając ogromną ilość ciepła (2500 stopni Celsjusza), a po wyrzuceniu z dyszy osiągałby znacznie większą prędkość niż tradycyjny silnik rakietowy. Silnik jądrowy sprawiłby, że chcąc podróżować na Marsa, nie musielibyśmy czekać aż konfiguracja Ziemi i Czerwonej Planety sprzyjałaby jak najkrótszej podróży – moglibyśmy wylecieć w dowolny dzień, nie czekając na „okienko”.

Rząd USA wielokrotnie rozważał zaprzęgnięcie energii atomowej do napędzania rakiet kosmicznych i NASA stworzyła kilka projektów, które badały koncept NTP i budowały pierwsze prototypy rakiet atomowych. Najpierw był projekt Rover z 1955, w którym inżynierowie z Laboratorium Naukowym Los Alamos zbudowali i przetestowali tuzin reaktorów różnej wielkości i mocy. Następnie, pod koniec lat sześćdziesiątych uruchomiono program NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), w którym rozwinięto technologię potrzebną do stworzenia rakiety jądrowej mogącej zabrać ludzi na Marsa. W międzyczasie prowadzono też projekt Orion, który zakładał wykorzystanie pulsów eksplozji jądrowych.

Jednakże reaktor jądrowy na statku kosmicznym oznaczałby dodatkowe – poza samą przestrzenią kosmiczną – źródło promieniowania. Również ze względu na promieniowanie i potencjalny wybuch, silnik atomowy nie mógłby zostać odpalony w atmosferze ziemskiej. W dodatku w tamtych czasach jedynym paliwem atomowym, z którego mogliby korzystać inżynierowie, był wysoko wzbogacony uran. Zarówno dlatego, jak i z powodu lęku społeczeństwa amerykańskiego przed wojną atomową program NERVA został zamknięty w 1973 roku. NASA powracała jednak do konceptu napędu jądrowego jeszcze kilka razy – w latach 1987-1991 projekt Timberwind czynił konstrukcję rakiety NERVA lżejszą i wydajniejszą, a w 2003 rozpoczęto program Prometeusz, który jednak został zakończony w 2005 roku. Jednakże w 2017 NASA przyznała trzyletni kontrakt firmie BWX Technologies, aby ta opracowała komponenty paliwowe i reaktor niezbędny do stworzenia silnika jądrowego.

Niedawno jednak temat rakiet napędzanych silnikiem jądrowym powrócił. Najpierw, w 2018 roku, Rosjanie ogłosili, że przeprowadzili test rakiety o napędzie jądrowym – test, w którym wypadł pomyślnie innowacyjny system chłodzenia, który zapobiegłby przegrzewaniu się i ewentualnemu wybuchowi silnika jądrowego. Następnie prezydent Donald Trump kazał NASA wznowić pracę nad amerykańskim napędem jądrowym.

Obecnie perspektywa wykorzystania energii atomowej do podróży międzygwiezdnych jest w miarę realna, gdyż nie tylko naukowcy z NASA są w stanie pracować na nieco bezpieczniejszym, nisko wzbogaconym uranie, lecz także już teraz amerykańskie statki bezzałogowe wykorzystują małe systemy jądrowe, czego przykładem jest chociażby sonda New Horizons.

Ogólnie rzecz biorąc, na dzień dzisiejszy jednak okazuje się, że napęd jądrowy jest najbardziej obiecujący ze wszystkich alternatyw obecnego napędu rakietowego. W przeciwieństwie do napędu Alcubierre’a czy napędu plazmowego, nie tylko stoi za nim zaplecze teoretyczne, ale też liczne próby wykorzystania go w praktyce. Niemniej jednak nadal wśród społeczeństwa panuje budowana przez dekady niechęć do energii atomowej, a i NASA musi wprowadzić poprawki do regulacji na temat materiałów jądrowych w przestrzeni kosmicznej, jeśli chce w przyszłości wysyłać statki załogowe z napędem jądrowym. Być może w przyszłości napęd plazmowy albo napęd Alcubierre’a osiągną tak wysoki poziom, że to one właśnie zabiorą nas na Marsa w nadchodzących dekadach.

Dodatkowe materiały:

• Reaktor na orbicie
• New concept for rocket thruster exploits the mechanism behind solar flares
• How NASA might build its very first warp drive