Prędkość (człowiek i kosmos cz.III)
Pierwotna publikacja : 38milionow.pl
Jak daleko dotrzesz spacerem? Idąc, osiągasz prędkość mniej więcej 4,5 km/h. Podróż w tym tempie z Łodzi do Warszawy (132 km) zajęłaby Ci ponad dobę. Nie dziwi więc, że człowiek wpadł na pomysł by to przyspieszyć. Ale jak to zrobić? Udoskonalić chodzenie? Można pobiec?
Ludzie biegają, gdy im się spieszy, a najszybszym spośród nich jest aktualnie Usain Bolt. Bolt nie tylko osiągnął mistrzostwo w uzyskiwaniu maksymalnej prędkości poruszając się na własnych nogach, ale poniekąd zmienił nasze myślenie o tej dyscyplinie. Jamajczyk w 2009 r. pobił rekord świata pokonując 100 m w 9,58 sekundy, osiągając tym samym prędkość bliską 45 km/h. Tak, jest to podobna prędkość do tej uzyskiwanej przez autobusy czy tramwaje w ruchu miejskim.
Prawdziwa rewolucja w postrzeganiu biegu tkwi jednak w tym jak to zrobił – jego bieg jest bowiem bardziej lotem niż biegiem. Usain przez 6,3 z tych niespełna 10 sekund unosił się nad bieżnią, a jedynie przez 3,28 dotykał podłoża. Doskonalenie tych biego-lotów według naukowców pozwoli nam przyspieszyć o jeszcze kilkanaście km/h.
Ten nieprawdopodobny wynik to jednak nadal tylko 45 km/h. Podróż z Łodzi do Warszawy w tym tempie zajęłaby blisko 3 godziny. Inną koncepcją na zwiększenie tempa podróży było więc wykorzystanie dźwigni napędu dla ludzkich mięśni. Pierwszy prototyp takiej maszyny wynalazł w 1790 r. Made de Sivrac. Pierwszy… rower, bo o nim mowa, nie miał możliwości sterowania, jednak pozwalał zwiększyć prędkość przy mniejszym wysiłku. Made De Sivrac raczej nie spodziewał się że ponad dwa wieki później Sebastiaan Bowier pomknie na podobnej maszynie 133,78 km/h, a więc dwukrotnie szybciej niż jakikolwiek koń wyścigowy.
W 1814 roku inny brytyjski inżynier George Stephenson zaprojektował kolejną maszynę mającą usprawnić przemieszczanie się. Jego pierwszy parowóz szynowy wykorzystywany do transportu węgla z kopalni być może nie osiągnął wielkiej prędkości wlokąc się z marszowym tempem 6 km/h, ale był w stanie ciągnąć za sobą 30 ton ładunku. Potencjał tej klasy maszyn wciąż wydaje się niewyczerpany: prawnuk wynalazku Stephensona, francuski TGV v150 ustanowił rekord prędkości dla swojej klasy pojazdów: 574,8 km/h.
Jeszcze pod koniec XIX wieku powstały kolejne propozycje. Na ten okres przypada bowiem wynalezienie samochodu. Ciężko przypisać jego wynalezienie konkretnej osobie z całą pewnością wiadomo jednak, że samochody zdominowały mocno poruszanie się po powierzchni ziemi. Co więcej, najszybszy z nich Thrust SSC ustanowił w 1997 rekord prędkości na lądzie na nieprawdopodobne 1227,985 km/h. Tym samym stając się pierwszym pojazdem naziemnym, który przekroczył prędkość dźwięku.
Każdy podróżnik jednak wie, podobnie jak Usain Bolt, że istnieje szybszy sposób transportu niż ciągłe dotykanie ziemi. W 1903 dwóch braci Orville i Wilbur Wright jako pierwsi wzbili się w powietrze. Ich pierwszy samolot przeleciał zaledwie 279 metrów z prędkością niecałych 17 km/h, jednak to właśnie samoloty szybko przejęły rolę lidera prędkości. Aktualnie najszybszym z nich jest wojskowa maszyna Lockheed SR-71 Blackbird, mogąca latać do 35 km nad ziemią osiągając maksymalną prędkość 3529,56 km/h – to jest niecały 1 km/s. Na tym etapie podróż z Łodzi do Warszawy nie wydaje się już żadnym wyzwaniem a nie licząc strat na start i hamowanie zajęłaby nieco ponad 2 minuty.
Skoro osiągnęliśmy tak zawrotne prędkości, po tym nieco przydługim wstępie, dochodzimy do kluczowego pytania: czy to wystarcza by polecieć w kosmos ?
Droga z Ziemi na Księżyc to mniej więcej 380 000 km. Lockheedowi – w czystej teorii – zajęłaby ona nieco ponad 4 dni. Nie wydaje się to wielkim wyzwaniem. W praktyce jest ku temu jednak kilka przeszkód. Jako pierwsza, choć nie jedyna: grawitacja. By wznieść się na orbitę Ziemi (nie mówiąc na razie o podróżowaniu poza nią) należy pokonać siłę ziemskiego przyciągania. Można zrobić to nadając pojazdowi pierwszą prędkość kosmiczną: 7,91 km/s (tj. prawie ośmiokrotnie więcej niż Lockheed jest w stanie osiągnąć) albo z mniejszą prędkością nieustannie napędzać silniki do ciągłego przełamywania siły grawitacji. Potrzebna prędkość jest poza zasięgiem Lockheeda, podobnie zresztą jak możliwość nieustannego napędzania silników. Konstrukcja silników odrzutowych, czy jak w przypadku naszego sprintera turboodrzutowych, opiera się na napływie powietrza z atmosfery do komory by w reakcji z energią powstałą na skutek spalania paliwa, gorące spaliny wyprodukowały ciąg – czyli siłę odrzutu dla samolotu dosłownie odrzucającego go w przeciwnym kierunku. W przypadku lotu w kosmos konstrukcja ta rodzi dwa podstawowe problemy. Pierwszym jest brak powietrza w próżni, które mogłoby napływać do komór, drugim – zasobność paliwa. Lockheed mimo zbiornika o pojemności 46 tys. litrów paliwa, ważących ponad 36 ton, jest w stanie przelecieć zaledwie 5150 km bez potrzeby tankowania.
Jak więc to możliwe, że polecieliśmy w kosmos i to ponad pół wieku przed stworzeniem tej wspaniałej maszyny będącej przecież do dziś szczytem technologii?
Historia wielokrotnie udowadniała, że przełom bierze się często z poszukiwania rozwiązań gdzieś indziej niż dotychczas. Próbowaliśmy silników spalinowych, z paliwem stałym, ciekłym, silników elektrycznych i chemicznych. Na własnych nogach, wykorzystując zwierzęta, na kołach, szynach czy w powietrzu. Podróże w kosmos źródło swoich prędkości zawdzięczają sięgnięciu do rozwiązań z nieco innej dziedziny. Jeśli bowiem rozumiemy, że uzyskanie wielkich prękości jest kwestią odrzutu, to przecież nie samoloty jako pierwsze pokonywały spore odległości ponad ziemią. Długo przed nimi robiły to wszelkiej maści pociski. Od rzucanych kamieni, będących odpowiednikiem chodzenia, przez łuki wykorzystujące niczym rower dźwignie dla ludzkich mięśni, po broń palną wywołującą określoną reakcję wyrzucającą nabój w przestrzeń.
Koncepcja broni palnej związana jest ściśle z wynalezieniem prochu czarnego w Chinach w IX wieku. Mechanizm jej działania jest jednak niewiele różny od tego, który napędza silniki Lockheeda. Umieszczany w komorze pocisk składa się z części miotanej oraz części wypełnionej np. wspomnianym prochem. Zapalnik uwalnia reakcję spalania ładunku a powstające gazy wyrzucają nabój przez lufę i dalej poza nią pozwalając mu osiągać wielkie prędkości. Część zawierająca proch jest wyrzucana z broni pod postacią łuski. Dla pistoletów i rewolwerów prędkość z jaką miotany jest nabój to 200-400 m/s, dla karabinów jest to już prędkość zbliżona do tej, z którą pędzi Lockheed czyli ok. 1 km/s, dla dział przeciwpancernych już w czasach I WŚ były to prędkości znacznie większe bo rzędu nawet 1,8 km/s.
Pierwsze rakiety były bezpośrednią konsekwencją wynalezienia prochu. Około 970 roku były wykorzystywane w obrzędach na cześć chińskich bogów. Przez kolejne dwa wieki używano ich już jako broni artyleryjskiej i jako fajerwerków. Tym co różni je od silników Lockheeda jest fakt, że nie potrzebują czerpać żadnych substancji z otoczenia. A to od początku dawało im potencjał do wykorzystania tam gdzie brak chociażby powietrza – czyli np. w próżni kosmicznej.
Pierwsze rakiety wykorzystywały paliwo stałe i były bardzo nieokiełznaną bronią. Rozwój tej technologii bardziej niż potrzebę zwiększania prędkości pocisków brał na cel możliwość zwiększania jego masy, a przede wszystkim sterowności. Przez wieki tor lotu wystrzeliwanych rakiet był niemal niemożliwy do kontrolowania.
Wczesną formą tego typu broni była spopularyzowana i udoskonalona przez Williama Congreve – raca kongrewska. Wykorzystywana m.in w czasie wojen napoleońskich. Race były głośne, tworzyły dużo dymu i ognia, więc oprócz siły uderzenia dawały też przewagę psychologiczną płosząc konie przeciwników i negatywnie wpływając na morale nieprzyjacielskich żołnierzy.
W 1903 r. rosyjski uczony polskiego pochodzenia Konstanty Ciołkowski na bazie swoich badań nad aerodynamiką i rakietami opublikował artykuł, który położył solidny fundament pod wszystkie historyczne i współczesne silniki rakietowe, rakiety i statki kosmiczne. Artykuł dotyczył teorii lotu rakiety z uwzględnieniem co bardzo istotne zmiany masy i stanowił pierwszą poważną pracę z dziedziny astronautyki. A warto dodać, że został opublikowany jeszcze zanim bracia Wright wznieśli w powietrze pierwszy samolot.
Mimo iż Ciołkowski rozważał wykorzystywanie paliwa ciekłego w rakietach, pierwszą napędzaną nim rakietę skonstruował inny wynalazca Robert Goddard. Za swojego życia uzyskał on łącznie 214 patentów za opracowania z dziedziny techniki rakietowej, rozwiązując za ich pomocą długi szereg przeciwwskazań do takiego lotu. Pierwszy start z 1926 r. został uznany za udany, mimo iż potrwał zaledwie 2,5 sekundy, a rakieta przeleciała jedynie 12,5 metra. Udowodnił jednak, że tak napędzana rakieta może działać.
Na podstawie badań, publikacji i konstrukcji Goddarda i Ciołkowskiego kluczową rolę w dziedzinie silników rakietowych odegrali jednak Niemcy. Pod kierownictwem Wernhera von Brauna finansowany przez III Rzeszę zespół badaczy opracował pierwszą rakietę pionowego startu zdolną osiągnąć przestrzeń kosmiczną (linię Karmana wyznaczoną na ok. 100 km n.p.m). Wystrzelona w 1942 r. osiągnęła niebywałą prędkość 5500 km/h, a więc ok. 1,5 km/s. W 1943 r. Niemcy rozpoczęły masową produkcję rakiety V2 o zasięgu 300 km zdolnych do przenoszenia głowic bojowych o masie 1000 kg. Wermacht wystrzelił w czasie II wojny światowej aż 3225 takich rakiet na tereny Aliantów. Była też wersja z pilotami kamikadze.
Po wojnie Wernher von Braun przechwycony został przez Amerykanów. Jego prawa ręka Helmutt Groettrup najpierw utworzył ośrodek naukowo-badawczy nazwany Instytut Rabe, gdzie chciano kontynuować pracę, jednak już w 1946 r. NKWD aresztowało cały zespół wraz z rodzinami oraz specjalistami z innych dziedzin techniki wojskowej i wywiozło ich w głąb ZSRR. Tym sposobem niemiecka myśl techniczna miała duży wkład zarówno w amerykański jak radziecki rozwój programów balistycznych. Tym samym rozpoczął się wielki wyścig kosmiczny, który obejmował lata 1957-1975.
Prace nad techniką rakietową trwały po obu stronach globu. Dopracowywano w tym czasie wciąż podobne zagadnienia czyli sam napęd oraz zdolność sterowania przy zmiennej masie obiektu. Pierwszym sztucznym satelitą ziemskim był wystrzelony 4 października 1957 r. Sputnik 1. Jako pierwszy osiągnął on pierwszą prędkość kosmiczną (7,91 km/s) i wszedł na orbitę ziemską. W ciągu kolejnych trzech tygodni wykonał wokół niej 500 okrążeń, nim emitowany z niego sygnał całkiem zanikł. Miesiąc później na orbitę poszybował już Sputnik 2 z pierwszym w kosmosie zwierzęciem na pokładzie, suczką o imieniu Łajka. W styczniu 1958 roku amerykańską odpowiedzią był Explorer 1, który wszedł na orbitę jako pierwszy satelita naukowy. Wyścig nabierał tempa dosłownie i w przenośni. 2 stycznia 1959 r. radziecka sonda księżycowa Łuna 1 jako pierwszy ziemski obiekt osiągnęła drugą prędkość kosmiczną (11,19 km/s), wydostając się poza grawitacyjne oddziaływanie Ziemi. 12 kwietnia 1961 Ziemię okrążył człowiek, Jurij Gagarin – na pokładzie Wostok 1 w czasie godziny i 48 minut.
Streszczając kolejne dwie dekady – w kosmos zaczęło latać coraz więcej sond i satelitów. Dziesiątki startów zarówno po radzieckiej jak i amerykańskiej stronie kończyło się niepowodzeniem, kilka z nich przeszło do historii. Część obiektów startujących z powodzeniem ulegała zniszczeniu już w kosmosie lub traciła łączność z bazą. Jedna z najstarszych sond z którymi wciąż utrzymujemy kontakt to Voyager 1, wystrzelony w 1977 r. Voyager pędzi przez kosmos z prędkością przekraczającą trzecią prędkość kosmiczną, potrzebną do opuszczenia Układu Słonecznego- 17,1 km/s. Jeśli chcielibyśmy odnieść to do naszej początkowej podróży z Łodzi do Warszawy sonda pokonałaby ten dystans w czasie niecałych 8 sekund. Ile udało mu się pokonać w ciągu prawie 40 lat?
Voyager 1 znajduje się aktualnie 135 au od ziemi. Au to astronomiczna miara odległości, w której 1 au to w przybliżeniu 150 mln km czyli mniej więcej odległość dzieląca Ziemię od Słońca. Ziemska sonda znajduje się dziś ok. 20 250 000 000 km od Ziemi, a to choć pozornie odpowiada na nasze kluczowe pytanie pozwala nam tak naprawdę ponownie je zadać. A więc: czy to pozwala nam już latać w kosmos?
Z pewnością mamy technologię, która to umożliwia. Osiągamy dosłownie niebotyczne prędkości. Jednak przypomnijmy, że planeta odkryta przez teleskop Keplera, która aktualnie jest najbardziej podobną do Ziemi, znajduje się 1400 lat świetlnych od nas. Jak ma się to do odległości pokonanej przez Voyagera? 1 rok świetlny to 63241 Au. A więc Voyager, utrzymując prędkość, by pokonać jeden rok świetlny potrzebuje jeszcze 18000 lat! Nie wspominając o pozostałych 1399 takich latach.
Innymi słowy, latamy w kosmos. Pracujemy nad prędkością od wieków na różne sposoby. Wciąż jednak jesteśmy dalecy od podróży ukierunkowanych na cokolwiek poza poszerzaniem naszej wiedzy o kosmosie i próbach przełamywania naszych granic. Oczywiście Voyager ma prawie 40 lat. Od tamtej pory technologia poszła do przodu, jednak w kwestii silników rakietowych zaliczyliśmy jedynie niewiele znaczący postęp. Bardziej usprawniamy dotychczasowy proces, który opanowaliśmy już dawno. Powstały koncepcje silników gdzie siłę odrzutu miała wygenerować reakcja jądrowa. W ramach projektu NERVA taki silnik powstał już na przełomie lat 60. i 70. Mimo pewnych zalet silnika nigdy nie wykorzystano w locie. Przy awarii rakiety mogłoby bowiem dojść do rozległego skażenia środowiska. Inny program: Orion miał w planie wynieść podobną rakietę w kosmos. By w próżni odpalić ją napędzając silnik małymi wybuchami jądrowymi. Tym razem na drodze przełomu stanęła nie technologia czy zagrożenia a polityka i traktat o zakazie prób jądrowych (z 1963 r.) w przestrzeni kosmicznej.
Brytyjskie Towarzystwo Międzyplanetarne przy okazji projektu Dedal szacowało, że dzięki tego typu silnikom moglibyśmy uzyskać prędkość bliską 12% prędkości światła. Zarówno NASA jak i jej rosyjski odpowiednik Roskosmos prowadziły wiele badań i hucznych zapowiedzi podobnych startów i mimo że wciąż ogranicza je traktat polityczny to obie sugerują ambicję by załogowa misja na Marsa planowana do 2030 r. wykorzystywała właśnie takie silniki.
Inną koncepcją napędu są silniki jonowe, gdzie energia wyrzucająca gaz z silnika pochodzi z zewnętrznego źródła (najczęściej baterii słonecznych). Atomy ksenonu pozbawiane są w nich ładunku ujemnego, zostają przekształcone w jony dodatnie a następnie rozpędzane pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego osiągając prędkość nawet do 36 km/s. W tym czasie Rosja wg. doniesień z agencji prasowych z powodzeniem rozwija też jądrowy generator energii elektrycznej dla silnika Jonowego i przyznajmy że to, brzmi już trochę jak technologia rodem z filmów science fiction, ale czy zapowiada w choć najmniejszym stopniu przełom potrzebnego nam by pokonywać odległości takie jak na Ziemię-2? Z pewnością silniki jonowe będą wydajniejsze niż silniki napędzane paliwem. Charakteryzować ma je długa żywotność i, niestety, kiepskie przyspieszenie. W czystej teorii choć powoli i z mozołem to mogą rozpędzić się do prędkości bliskich prędkości światła, a to uczyni w ludzkim zasięgu gwiazdy oddalone o 4 lata świetlne od nas. Trwają pracę i testy na sondach z napędem żaglowym, wykorzystujące żagiel magnetyczny czy lewitacje magnetyczną. Sondy o tych napędach szybują już po przestrzeni kosmicznej lub są testowane w ośrodkach naukowych. Prawdziwą wizją przyszłości są jednak koncepcje póki co czysto teoretyczne.
Silniki na antymaterię mający tworzyć odrzut wywołany anihiliacją elektronu z pozytonem. Jednak powstałe w ten sposób dwa kwanty gamma rozbiegają się w przeciwnych kierunkach więc nie można w ten sposób nadać siły nośnej. Teoretycznie można by wykorzystać za to anihilację protonów i antyprotonów lecz trzeba by umieć wyprodukować duże ilości antycząsteczek i umieć je magazynować co dziś jest poza naszymi możliwościami. Jeszcze inną koncepcją są podróże czasoprzestrzenne. Według niektórych fizyków, skoro nie możemy w odpowiednim czasie przemieścić obiektu na określoną odległość być może powinniśmy zmanipulować przestrzeń tak by przemieścić punkt docelowy bliżej punktu startowego. Inaczej mówiąc, podróżować na skróty tworząc tunele między odległymi obszarami galaktyki. Potrzebowalibyśmy jednak olbrzymiego pola grawitacyjnego, do którego wytworzenia trzeba by energii większej niż ta jaką dysponuje nasze Słońce. To aktualnie również jest niemożliwe, kto jednak wie co przyniesie przyszłość.
Najszybszym ziemskim obiektem, który poruszał się po kosmosie była sonda Helios. Wchodząc w grawitację Słońca osiągnęła prędkość ponad 70 km/s. Gdybyśmy umieli sami osiągać taką prędkość, podróż na Marsa była by możliwa w ciągu 10 dni. Takie informacje mogą jednak otwierać nowe kierunki myślenia.
Ziemia zdaje się nie mieć żadnych napędów, żadnego silnika czy to rakietowego, chemicznego czy jonowego. A jednak ta gigantyczna planeta okrąża słońce niczym wielki statek kosmiczny z prędkością 30 km/s. Jeżeli oddziaływanie grawitacyjne wpłynęło na naszą sondę zwiększając jej prędkość oraz codziennie wpływa na Ziemię nadając jej taką prędkość być może to owe oddziaływanie jest czymś co musimy okiełznać.
Ziemia nie jest też najszybszym co moglibyśmy znaleźć „pod ręką”. Cząsteczki, atomy i elektrony są znacznie szybsze, ich prędkość sięga nawet dziesiątek czy setek km/s. Elektrony w lampie kineskopowej poruszają się z prędkością kilkudziesięciu TYSIĘCY kilometrów na sekundę, a więc są to już prędkości ‚korespondujące’ z prędkością światła. Inna teoria mówi, że koncepcja wielkiego wybuchu zakłada, że Wszechświat w początkowym okresie musiał rozszerzać się z prędkością większą niż prędkość światła. Jest więc szansa, że istnieją siły, które są jeszcze poza naszym pojmowaniem, a które umożliwią nam podróżowanie z dowolną prędkością, zakrzywianie czasoprzestrzeni czy dematerializowanie statków kosmicznych i materializowanie ich w innym miejscu. Mamy na szczęście jeszcze sporo czasu nim konieczna będzie wyprowadzka z ziemi. Aktualne prognozy mówią, że jeśli nie zniszczymy jej w inny sposób Słońce spali Ziemię za ok. 1,75 miliarda lat. Nasz zegar tyka zatem w dość mało przerażającym tempie a ja myślę sobie, że skoro te prędkości są tak gigantyczne, odległości jeszcze większe to może dobrze że nie natknęliśmy się na inne cywilizacje. Oni bowiem też muszą wynaleźć te technologie by przemieszczać się dość szybko. Jeśli już by je mieli to stawiałoby to nas w kiepskiej sytuacji.
Autor :
Artur „Theodor” Lewandowski
www.theodormusi.com
