Wszyscy razem w kosmos!

Dział varia to miejsce, w którym docelowo znajdzie się wszystko, co mogłoby być na tej stronie a nie jest nowością ani wiadomością ze świata MSL, MER i innych misji. To taki hyde-park, do którego trafiają artykuły luźno związane z tematyką kosmiczną. W miarę jak strona się rozbudowuje trafi tam pewnie więcej tekstów w ładniejszej oprawie. Obiecuje, tylko niech ktoś nam pokaże jak zrobić, żeby było ładnie 🙂

Dzisiaj postanowiłem dodać do varii tłumaczenie autorstwa Maćka Poleskiego z zaprzyjaźnionego serwisu kosmicznanauka.pl, które w luźny sposób opowiada o prawach fizyki, które trzymają nas na powierzchni Ziemi. Zapraszam do lektry poniżej.

clrk

everybody_out_plan

“Czy na świecie jest tyle energii, aby przenieść całą ludzką populację poza planetę?” – Adam

Jest mnóstwo filmów science fiction gdzie, z powodu skażenia, przeludnienia, czy wojny nuklearnej, ludzkość opuszcza Ziemię. Ale wyniesienie ludzi w przestrzeń jest trudne. Czy wystrzelenie całej rasy ludzkiej w kosmos jest fizycznie możliwe (bez zmniejszania jej populacji)? Nie martwmy się jeszcze gdzie mielibyśmy lecieć – załóżmy, że nie musimy jeszcze szukać nowego domu, ale nie możemy zostać na Ziemi.

Aby sprawdzić, czy to wiarygodne, możemy zacząć od absolutnie minimalnej wymaganej energii – 4 gigadżuli na osobę. Bez względu na to, czy użyjemy rakiet, działa, czy windy kosmicznej, wyniesienie osoby ważącej 65 kilogramów (czy czegokolwiek o tej masie) ze strefy ziemskiego przyciągania wymaga przynajmniej tyle energii.


Energia potrzebna do wyniesienia kogoś w kosmos jest równa energii kinetycznej, jaką by miał poruszając się z Drugą Prędkością Kosmiczną. Ile to 4 gigadżule? To mniej więcej 1 megawatogodzina, czyli tyle, ile typowe gospodarstwo domowe pobiera w ciągu miesiąca lub dwóch. To ilość energii zgromadzonej w 90 kilogramach benzyny lub w półciężarówce wypełnionej bateriami „paluszkami”.

4 gigadżule przemnożone przez 7 miliardów ludzi daje 2,8 * 1018 dżuli lub 8 petawatogodzin. To mniej więcej 5% światowego zapotrzebowania energii. Dużo, ale nie niemożliwie dużo. Ale to tylko wartość minimalna. W praktyce wszystko zależy od środka transportu. Jeżeli użylibyśmy rakiet, to potrzebowalibyśmy znacznie więcej. Związane jest to z fundamentalnym problemem rakiet – muszą transportować swoje własne paliwo.

Wróćmy na chwilę do tych 90 kilogramów benzyny, bo to pomoże zilustrować problem kosmicznych podróży. Jeżeli chcielibyśmy wystrzeli ważący 65kg statek kosmiczny, musielibyśmy spalić około 90kg paliwa (benzyna ma podobną energię spalania co paliwo rakietowe, więc trzymajmy się jej). Ładujemy więc paliwo na pokład i nagle nasz statek waży 155kg. A statek ważący 155kg potrzebuje już 215kg paliwa, więc musimy załadować kolejne 125kg na pokład itd. itd.

Na szczęście nie wpadamy tu w nieskończoną pętle (w której musimy załadować 1,3kg dla każdego 1kg jaki załadujemy), ze względu na to, że nie musimy dźwigać paliwa przez całą drogę. Spala się ono w trakcie podróży, więc statek staje się coraz lżejszy, co oznacza, że potrzebujemy coraz mniej paliwa. Musimy jednak przetransportować je przez fragment drogi. Równanie, które opisuje ilość paliwa, jaką spalić musimy, aby wciąż poruszać się z daną prędkością jest opisane wzorem Ciołkowskiego:


mstart i mkoniec to całkowita masa statku i paliwa na początku i na końcu lotu, Vwyl to “prędkość wylotowa” paliwa, która dla paliwa rakietowego waha się między 2,5, a 4,5 km/s. Istotna jest różnica między ΔV i Vwyl– różnica między prędkością, z jaką chcemy się poruszać i prędkości z jaką paliwo opuszcza rakietę. Stosunek masy paliwa do masy statku jest równy liczbie Eulera (ok. 2,72) podniesionej do potęgi równej tej różnicy. Do opuszczenia ziemi potrzebujemy ΔV powyżej 13 km/s zaś Vwyl nie będzie wyższa dużo od 4,5 km/s, co daje nam stosunek masy paliwa do masy statku jako przynajmniej e13/4,5 ≈ 20.

Wynik oznacza, że aby opuścić wpływ ziemskiego przyciąga używając tradycyjnego paliwa rakietowego, ważący jedną tonę statek musi zabrać ze sobą 20-50 ton paliwa. Wystrzelenie całej ludzkości (ważącej około 400 milionów ton) wymagałoby dziesiątków bilionów ton paliwa. To dużo – jeżeli używalibyśmy paliwa opartego o węglowodory, byłaby to znaczna część pozostałych na ziemi rezerw ropy. A to wszystko przy pominięciu masy samego statku, zapasów jedzenia i wody, czy naszych zwierząt domowych (których w samych Stanach jest pewnie co najmniej milion ton). Potrzebowalibyśmy też paliwa do budowy tych wszystkich statków, transportu ludzi do miejsca startu itp. Nie można przesądzać, że to niemożliwe, ale z całą pewnością poza granicami prawdopodobieństwa.

Ale rakiety nie są naszą jedyną opcją. Choć brzmi to nierealnie, dobrym rozwiązanie mogłaby być wspinaczka w kosmos po linie lub dotarcie tam na eksplozji nuklearnej. Są to poważne, choć odważne metody wydostania się z Ziemi i obie były rozważane od początków Ery Kosmicznej.

Pierwszym rozwiązaniem jest koncepcja “windy kosmicznej”, tak lubianej przez autorów książek s-f. Pomysł polega na połączeniu satelity z Ziemią długim włóknem, tak aby pozostało naprężone dzięki sile odśrodkowej. Moglibyśmy wtedy wspinać się po takiej linie korzystając z normalnej energii elektrycznej lub silników napędzanych słońcem, reaktorami atomowymi, czy czymkolwiek, co by się sprawdziło. Największą przeszkodą inżynieryjną jest to, że takie włókno musiałoby być wielokrotnie silniejsze od tego, co możemy w tej chwili zbudować. Jest nadzieja, że materiały oparte o nanorurki węglowe mogłyby zapewnić wystarczającą wytrzymałość – stając się kolejną pozycją na długiej liście problemu inżynieryjnych rozwiązanych poprzez użycie prefiksu „nano-”.

Drugim pomysłem jest użycie jądrowego napędu pulsacyjnego, zadziwiająco wiarygodnego sposobu na rozpędzenie wielkich konstrukcji do dużych prędkości. W skrócie polega na zrzuceniu bomby atomowej pod statkiem i uniesieniu go na fali uderzeniowej. Można by pomyśleć, że statek uległby destrukcji, ale okazuje się, że przy użyciu dobrze zaprojektowanej tarczy, podmuch odpycha pojazd zanim ten zacznie się rozpadać. Gdyby zapewnić niezawodność tego systemu, to w teorii można by za jego pomocą wysyłać na orbitę całe dzielnice miast – potencjalnie można by w ten sposób osiągnąć nasz cel.

Stojące za tym pomysłem podstawy inżynieryjne były na tyle solidne, że w latach 60-tych minionego wieku, pod kierownictwem Freemana Dysona, rząd USA starał się na zbudować statek kosmiczny tego typu. Historia tego przedsięwzięcia, nazwanego Projekt Orion, została doskonale opisane w książce o tym samym tytule napisanej przez syna Freemana, George’a Dysona. Zwolennicy jądrowego napędu pulsacyjnego są wciąż zawiedzeni, że projekt został porzucony zanim zbudowany jakikolwiek prototyp. Inni uważają, że jak pomyśli się co twórcy chcieli zrobić, czyli wsadzić cały jądrowy arsenał do pojemnika, wystrzelić go wysoko w atmosferę i po kolei detonować – to aż dziwne, że zaszedł on tak daleko.

Odpowiedź jest więc taka, że o ile wysłanie jednej osoby w kosmos jest proste, o tyle wysłanie nas wszystkich prawie wyczerpałoby nasze rezerwy surowcowe i pewnie doprowadziły do zniszczenia planety. Jest to mały krok dla człowieka, ale wielki dla ludzkości.

źródło: M. Poleski, Wszyscy razem w kosmos na podstawie xkcd

Reklamy

2 thoughts on “Wszyscy razem w kosmos!

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s