Technika i gadżety

Z procy w kosmos

• Technika i gadżety
• 2024 / 09 / 09

Sztuczne satelity wystrzeliwane przez człowieka na okołoziemską orbitę pełnią dziś wiele różnych funkcji. Najpowszechniej znaną jest telekomunikacja, a także system GPS, umożliwiający dokładną lokalizację geograficzną obiektów na powierzchni Ziemi. Satelity pełnią też jednak wiele funkcji obserwacyjnych, służących np. w meteorologii, badaniom geologicznym, klimatycznym, badaniom skażenia powietrza i wody, a także oczywiście służące wojsku.

W ciągu najbliższej dekady spodziewane jest wystrzelenie aż 10-krotnie większej liczby satelitów niż do tej pory. W branży kosmicznej pojawiły się - obok wspieranych przez państwa agencji - firmy prywatne. Wysyłanie obiektów w kosmos to wielki biznes i wielkie pieniądze. Najbardziej kosztownym elementem jest oderwanie wysyłanego obiektu od Ziemi i nadanie mu prędkości pozwalającej na pokonanie ziemskiej grawitacji. Każdorazowy start rakiety oznacza zużycie setek tysięcy funtów paliwa rakietowego, co oznacza ogromny wydatek.

W 2014 roku, w Kalifornii powstała firma SpinLaunch, która pracuje nad nową technologią wysyłania obiektów w kosmos. Jej założeniem jest nadanie temu obiektowi tak dużej prędkości na ziemi, że wynikająca z tego energia kinetyczna pozwoli na wzniesienie się mu na wystarczająco dużą wysokość. I dopiero tam, gdzie przyciąganie ziemskie będzie już wielokrotnie słabsze, uruchomione mają być silniki kierujące obiekt na odpowiednią orbitę.

Tak naprawdę pomysł nie tylko nie jest nowy, a wręcz jest niezwykle stary. Użycie energii kinetycznej do przesyłania obiektów na odległość brzmi bardzo naukowo. Ale od wieków ludzie realizowali ten pomysł przez zwykłą procę - umieszczali kamień na końcu liny, którą rozkręcali, aż kamień był wyrzucony siłą odśrodkową. W bardziej zaawansowanej wersji pomysł wykorzystywały dawne wojska, które rzucały we wroga dużymi kamieniami przy użyciu katapult.

Oczywiście wyrzucenie jakiegoś obiektu w kosmos wymaga znacznie bardziej zaawansowanego urządzenia. Jest nim budowany przez amerykańską firmę Orbital Accelerator. Jest to wyrzutnia, która ma postać wielkiego dysku, z dyszą wylotową, co wygląda jak ślimak postawiony w pionie. Wewnątrz dysku, znajduje się ramię, obracające się z coraz większą prędkością. Gdy osiągana jest określona prędkość, obiekt umieszczony na końcu ramienia jest uwalniany i wylatuje przez dyszę wylotową z ogromną prędkością. Zupełnie jak w starej procy.

Stojąca na pustyni konstrukcja A-33 to testowa wyrzutnia obiektów w kosmos.

---

Firma SpinLaunch stworzyła najpierw w Kalifornii prototyp wyrzutni, który miał tylko 40 stóp (12 metrów) średnicy. Później zbudowała wyrzutnię testową w Nowym Meksyku, którą określa jako Suborbital Accelerator i nazwała ją A-33. Bo miała już średnicę 108 stóp (33 metrów) i wysokość 150 stóp (45 metrów). Uruchomiła ją w październiku 2021 roku i przeprowadziła na niej wiele testów. Wyrzutnia może wystrzeliwać obiekty o długości do 10 stóp (3 metry). W testach docierały one na wysokość 25 tysięcy stóp (7620 metrów). Po opadnięciu na Ziemię były odzyskiwane, dzięki czemu sprawdzono, że bez szkody przetrwały ich wystrzelenie.

Koniec obracającego się ramienia osiąga zawrotną prędkość 4700 mil na godzinę (7564 km/h). To 6-krotnie więcej niż prędkość dźwięku. Dlatego z wnętrza wyrzutni wypomowuje się powietrze, aby nie stawiało oporu i nie powodowało problemu z przejściem bariery dźwięku. Grzmot towarzyszący temu zjawisku i tak powstaje, gdy obiekt jest w końcu wystrzeliwany z wyrzutni i zderza się z powietrzem na zewnątrz. Na dyszy wylotowej zamontowana jest membrana, izolująca wnętrze wyrzutni od powietrza na zewnątrz. Wystrzeliwany obiekt przebija ją, gdy wylatuje z dyszy.

Zderzenie się z powietrzem obiektu lecącego z predkością 6 machów oznacza też ogromne tarcie, rozgrzewające jego powierzchnię. Jest ono absorbowane i rozpraszane przez szczyt wystrzeliwanego obiektu. Inżynierowie ze SpinLaunch zapewniają, że energia cieplna, z którą trzeba sobie poradzić nie jest większa od charakterystycznej dla innych konstrukcji i technologia pozwala dość łatwo zabezpieczyć się przed wysoką temperaturą.

Konstruktorzy tłumaczą też, że wykorzystanie starego pomysłu procy do wystrzeliwania obiektów w kosmos stało się możliwe dopiero niedawno. Pozwolił na to postęp technologiczny, zarówno w materiałach jak i elektronice. Do budowy wyrzutni wykorzystano bardzo wytrzymałe włókno węglowe. Miniaturyzacja elektroniki pozwala natomiast budować urządzenia, wytrzymujące ogromne przeciążenia. Komputery umożliwiają z kolei wykorzystanie symulacji procesów i przyspieszenie konstruowania wyrzutni.

Wspomniane przeciążenie może być niebagatelne. Firma testuje wystrzały z przeciążeniem 10.000 G - 10.000 razy większym od grawitacji Ziemi. A testowa wyrzutnia A-33 może dać nawet 20.000 G. Sprawdzane jest, czy apartura instalowana w satelitach może takie obciążenie przetrzymać. Okazuje się, że pomocne są tu doświadczenia wojska, które musi stosować wytrzymały sprzęt w wystrzeliwanych dronach.

Wyrzutnia A-33 jest ogromna, ale docelowa konstrukcja ma być trzy razy większa.

---

SpinLaunch współpracuje z agencją NASA, koncernem samolotowym Airbus, i z Cornell University. Zatrudnia 200 pracowników i zapewnia, że pierwszy wystrzał obiektu na orbitę nastąpi już w 2026 roku. Firma zwraca uwagę, że jej technologia potrzebna będzie nie tylko do umieszczania nad Ziemią coraz większej liczby satelitów. Ponowne zainteresowanie kosmosem w ostatnich latach zapowiada, że zwiększać się będzie liczba pracujących tam ludzi. Wystrzeliwanie ich w kosmos przy pomocy Orbital Accelerator jest oczywiście nierealne, bo człowiek jest w stanie przeżyć przeciążenie zaledwie 5 G. Ale dla wszystkich pracujących na orbicie potrzebne będzie systematyczne zaopatrzenie. Firma SpinLaunch mówi, że mogą to być nawet dziesiątki tysięcy ludzi.

Wysyłka olbrzymiej ilości towarów i sprzętu w kosmos będzie dzięki technologii SpinLaunch znacznie tańsza. Bo zamiast rakietowego paliwa będzie wykorzystana energia elektryczna. To za jej pomocą napędzane jest ramię w wyrzutni i wystrzeliwanemu pojazdowi nadana zostanie odpowiednia prędkość. A ilość zabieranego paliwa będzie znacznie mniejsza, bo potrzebna jedynie do przemieszczania się już wysoko nad Ziemią. Obiekty wystrzeliwane przez Orbital Accelerator będą zużywać cztery razy mniej paliwa, aby dotrzeć na orbitę.

Docelowa wyrzutnia o nazwie Orbital Accelerator ma być trzy razy większa od testowej A-33. Ma w założeniu wystrzeliwać pojazd o wadze 440 funtów, na wysokość 31-44 mil (50-70 km). Stamtąd już łatwo może przedostać się na wyższe orbity, nawet do 600 mil (1000 km) nad Ziemią, za pomocą własnych silników. Waga pojedynczego transportu w kosmos nie jest wielka, ale koszt wysłania będzie aż 10-krotnie niższy niż przy użyciu tradycyjnych rakiet.

Ponadto wyrzutnia jest wielorazowego użytku. Jej przygotowanie do następnego wystrzału jest bardzo krótkie. SpinLaunch ocenia, że Orbital Accelerator będzie mógł być używany nawet pięć razy dziennie. W efekcie, wydajność transportu towarów na orbitę będzie bardzo wysoka.

Twórca firmy Jonathan Yaney zapowiada, że będzie w stanie umieścić satelitę na orbicie za około 250 tysięcy dolarów. A w ciągu roku będzie mógł wystrzelić w kosmos 2 tysiące obiektów. To wszystko przy użyciu tylko jednej wyrzutni, której budowa nie wydaje się być droga, jak na kosmiczne warunki. Testowa A-33 kosztowała 38 milionów dolarów.

Konstruktorzy podkreślają też aspekt ekologiczny. Paliwa zużywać się będzie cztery razy mniej, a w dodatku spalanie nie będzie się już odbywać w ziemskiej atmosferze. Silniki będą uruchamiane powyżej stratosfery, w której znajduje się chroniąca nas warstwa ozonowa. Przy dużej liczbie podróży w kosmos, będzie to miało duże znaczenie.

Bardzo ekologicznie wygląda też wystrzał na ziemi. Obiekt wylatuje z wyrzutni z ogromną prędkością i nie ciągnie się za nim potężna kula ognia, jak w tradycyjnych rakietach. Trudno wręcz zauważyć, że właśnie coś poleciało w kosmos.