Pod kosmicznymi żaglami. Jak podbić Wszechświat?

Na skraju parkingu przy Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla w Huntsville w Alabamie stoi relikt z czasów, gdy kolonizacja kosmosu przez nasz gatunek wydawała się czymś równie oczywistym i wspaniałym jak rakieta wznosząca się ku niebu z przylądka Canaveral. – To nie jest żaden model – mówi Les Johnson, fizyk z NASA, kiedy oglądamy 10-metrowej wysokości konstrukcję – plątaninę rur, dysz i osłon. – To najprawdziwszy atomowy silnik rakietowy. Był bowiem czas, kiedy NASA zamierzała wysłać astronautów na Marsa w dwóch statkach kosmicznych, każdy napędzany trzema takimi silnikami. Wernher von Braun przedstawił taki plan w sierpniu 1969, zaledwie dwa tygodnie po tym, jak jego rakieta Saturn V dostarczyła pierwszych astronautów na Księżyc. Jako datę wylotu ekspedycji na Marsa proponował przyjąć 12 listopada 1981. Kiedy to tym mówił, atomowe silniki rakietowe przeszły już wszystkie próby naziemne. Były gotowe do lotów. Trzydzieści lat po terminie proponowanego lądowania na Marsie, do którego nigdy nie doszło, w parny czerwcowy poranek Johnson spogląda na 18-tonowy silnik. Jest kierownikiem niewielkiego zespołu mającego ocenić stopień realności wykorzystania w technologii kosmicznej różnych ,,koncepcji zaawansowanych”. Niewykluczone, że NERVA – bo tak nazywał się ów silnik atomowy – może dostać ocenę pozytywną. – Gdybyśmy chcieli posłać ludzi na Marsa, trzeba by się temu jeszcze raz przyjrzeć – mówi Johnson. – Taki silnik potrzebuje o połowę mniej paliwa niż konwencjonalny silnik rakietowy. NASA pracuje obecnie nad rakietą konwencjonalną, która mogłaby zastąpić rakietę Saturn V, wycofaną z użytku w 1973 r., tuż po ostatnim lądowaniu astronautów na Księżycu. Agencja nie zdecydowała jeszcze, dokąd nowa rakieta miałaby polecieć. Projekt NERVA także zakończył się w 1973 r., nie osiągnąwszy etapu prób w locie. W epoce promów kosmicznych, która potem nastała, ludzie nie oddalili się od Ziemi na więcej niż 600 km.

Z tego powodu pytanie, na które próbowaliśmy z Johnsonem odpowiedzieć tego ranka – czy ludzkość kiedykolwiek poleci do gwiazd? – może wydawać się dość oderwane od rzeczywistości. Dlaczego pół wieku temu traktowano je znacznie poważniej? – Było to oczywiście trochę szalone – mówi Freeman Dyson, fizyk z Instytutu Badań Zaawansowanych w Princeton. Pod koniec lat 50. Dyson pracował nad projektem Orion, którego celem było stworzenie pojazdu załogowego zdolnego dotrzeć do Marsa lub księżyców Saturna. Zamiast silników typu NERVA, wyrzucających wodór podgrzany do niezwykle wysokich temperatur przy użyciu reaktorów jądrowych, pojazd Orion miał być napędzany ognistymi kulami małych wybuchów termojądrowych, następujących z tyłu rakiety co ćwierć sekundy. – Takie rozwiązanie było ryzykowne – mówi Dyson, który planował osobisty udział w wyprawie na Saturna. – Ale byliśmy na to przygotowani. W tamtym okresie nastawienie było inne niż teraz. Było oczywiste, że nie ma prawdziwej przygody bez ryzyka. Kilka lat po zakończeniu projektu Orion Dyson przedstawił w czasopiśmie Physics Today projekt rakiety o napędzie termojądrowym zdolnej dotrzeć do innych gwiazd. Dziś łatwiejsze wydaje się wytłumaczenie, dlaczego najprawdopodobniej nigdy tam nie polecimy: gwiazdy są zbyt daleko i mamy za mało pieniędzy. Argumenty za tym, że kiedyś jednak do tego dojdzie, są mniej oczywiste – ale ich waga stale rośnie. Astronomowie odkryli planety wokół pobliskich gwiazd. Możliwe, że wkrótce znajdą planetę spełniającą warunki uważane za konieczne do powstania życia. Byłby to bardzo atrakcyjny cel takiej podróży. Od lat 60. technologia poczyniła ogromne postępy, a bomby termojądrowe nie są już najnowszym krzykiem techniki. Les Johnson pokazał mi w swoim biurze coś, co przypominało tkaninę utkaną z nitek pajęczyny. Była to próbka wielkiego żagla kosmicznego z włókna węglowego. Mógłby on wynieść sondę poza orbitę Plutona dzięki ciśnieniu promieniowania Słońca bądź wiązki laserowej. – Miej to na oku – powiedział. – To materiał, który może nam pomóc tam dotrzeć. Aby dolecieć do gwiazd, prócz nowych materiałów i silników potrzeba jeszcze trudno uchwytnego ducha dawnych czasów.

Fascynacja lotami kosmicznymi nie zanikła. Rozwija się w najlepsze w pustej przestrzeni, jaka powstała w zbiorowej wyobraźni po zakończeniu w 2011 programu lotów promów kosmicznych. W rozmowach z natchnionymi zapaleńcami, zwłaszcza tymi spoza NASA, można usłyszeć echa dawnych ambicji, żądzy przygód i fascynacji kosmosem. Minionej wiosny, trzy tygodnie przed moim spotkaniem z Johnsonem, prywatna firma SpaceX z siedzibą w Los Angeles wystrzeliła przy użyciu jednej z własnych rakiet bezzałogową kapsułę, która dotarła do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. SpaceX przewodzi grupie kilku firm starających się wypracować rozwiązanie, które zastąpiłoby wahadłowiec w roli statku dostawczego dla stacji kosmicznej. Miesiąc wcześniej firma Planetary Resources, finansowana przez miliarderów Larry’ego Page’a i Erica Schmidta, ogłosiła plan wykorzystania bezzałogowych pojazdów kosmicznych do pozyskiwania rzadkich metali z planetoid. – Mamy nadzieję, że pod koniec dekady uda nam się określić konkretne cele i zacząć osiągać zyski – mówi Peter Diamandis, jeden z założycieli firmy. – Kiedyś będziemy patrzeć na tę dekadę jako początek komercyjnej epoki kosmicznej – mówi Mason Peck, główny inżynier NASA. – Duże i małe firmy zaczną znajdywać sposoby na osiąganie zysków z kosmosu. Takiego zainteresowania kosmosem i możliwościami zarabiania na nim do tej pory nie było.

Na Ziemi od dawna rynek był motorem eksploracji. Średniowieczni kupcy podejmowali ryzykowne wyprawy Jedwabnym Szlakiem, aby dotrzeć do Chin; portugalskie karawele w XV w. pożeglowały poza granice znanego świata nie tylko w celach poznawczych, ale przede wszystkim w poszukiwaniu złota i przypraw. – Historycznie rzecz biorąc, motywacją do penetrowania nowych terenów było poszukiwanie surowców – mówi Diamandis. – Nauka i ciekawość to słaba zachęta w porównaniu z bogaceniem się. Jedynym sposobem zapoczątkowania ekspansji w kosmosie na dużą skalę jest stworzenie zachęt rynkowych, np. w postaci pozyskiwania surowców. Jednym z surowców będących w kręgu zainteresowania jego i współzałożyciela firmy Erica Andersona jest platyna, tak rzadka na Ziemi, że obecnie osiąga cenę 55 dol. za gram. Wysyłanie robotów na odległość milionów kilometrów, by tam wydobywały z planetoid i przerabiały rudę w warunkach nieważkości lub holowały planetoidy bliżej ku Ziemi, wymagać będzie technologii, której obecnie jeszcze nie ma. – Jest spore prawdopodobieństwo, że nam się nie uda – powiedział Anderson na konferencji prasowej w kwietniu. – Ale wierzymy, że podjęcie takiego wyzwania i wykonanie znaczącego kroku do przodu w kosmosie to sprawa ważna. Oczywiście mamy także nadzieję, że sporo na tym zarobimy. Elon Musk, 41-letni założyciel firm PayPal, Tesla Motors i SpaceX, już teraz dorobił się niezłej fortuny i znaczącą jej część przeznacza na własny program kosmiczny. Nowa rakieta o nazwie Falcon Heavy, nad którą pracuje SpaceX, będzie zdolna wynieść na orbitę dwukrotnie większy ładunek użytkowy niż prom kosmiczny, za pięciokrotnie niższą cenę. Jego celem jest zredukowanie kosztów wystrzelenia rakiety do 45–25 dol. za kilogram ładunku. Zamierza to osiągnąć przez stworzenie rakiet wielokrotnego użytku. – To bardzo trudne, wiele osób uważa, że wręcz niemożliwe, ale jestem innego zdania – mówi Musk. – Gdyby samoloty trzeba było wyrzucać po każdym locie, nikogo nie byłoby stać na latanie. Dla Muska to element większego planu: stworzenia trwałej kolonii na Marsie. NASA ma wielkie sukcesy w badaniu Marsa przy użyciu bezzałogowych łazików, takich jak ostatnio Curiosity, ale stale przesuwa termin lotu załogowego. Musk uważa, że SpaceX będzie w stanie dostarczyć astronautów na Marsa w ciągu 20 lat – a potem utrzymać ich tam przez dziesiątki lat. – Rzecz w tym, że do takiego przedsięwzięcia nie wystarczy wysłać jedną małą misję na Marsa – mówi. – Tu chodzi o przewiezienie milionów ludzi i milionów ton sprzętu, aby stworzyli tam kolonię zdolną do samodzielnej egzystencji. To najtrudniejsze wyzwanie, z jakim do tej pory zetknęła się ludzkość, i wcale nie jest pewne, że zostanie podjęte. – Chciałbym podkreślić, że nie chodzi tu o ucieczkę z Ziemi. Tu idzie o rozwój życia w skali międzyplanetarnej. O dotarcie do gwiazd.

Najszybszy pojazd kosmiczny, jaki do tej pory zbudowano – próbnik Helios 2, wystrzelony w 1976 r. do monitorowania Słońca – osiągnął prędkość 253 000 km/godz. Poruszając się w tym tempie w kierunku Proxima Centauri – najbliższej gwiazdy w sąsiedztwie Słońca, położonej w odległości 40 bln km – dotarłby do celu po 17 tys. lat. To jeden z powodów, dla których załogowe loty międzygwiezdne mogą na zawsze pozostać domeną fantastyki naukowej. Jednak dla niektórych badaczy perspektywa wiecznego uwięzienia na dwóch małych planetach wobec ogromu naszej Galaktyki jest zbyt przygnębiająca. – Jeśli zaczniemy teraz, a właśnie zaczęliśmy, to jestem przekonany, że uda się nam rozpocząć eksplorację w skali międzygwiezdnej w ciągu 100 lat – mówi Andreas Tziolas, fizyk i szef Icarus Interstellar, organizacji non profit stawiającej sobie za cel ,,urzeczywistnienie lotów międzygwiezdnych do roku 2100”. Tziolas uważa, że możliwe jest skonstruowanie silnika dla gwiazdolotu, który opierałby się na fuzji jądrowej, czyli procesie będącym źródłem energii gwiazd i bomb termojądrowych. Kiedy jądra lekkich pierwiastków, takich jak wodór, łączą się ze sobą, uwolnione zostają ogromne ilości energii, znacznie większe niż przy rozszczepieniu jąder ciężkich atomów, takich jak uran będący źródłem energii współczesnych siłowni jądrowych, a także starego silnika NERVA. Niestety, choć fizycy zbudowali wiele reaktorów fuzyjnych, jak dotąd nie powstał taki, który wytwarzałby więcej energii, niż sam jej zużywa. – Wierzę w naszą pomysłowość – mówi Tziolas. Podkreśla, że od momentu odkrycia cząstek subatomowych do powstania silnika NERVA upłynęło zaledwie 70 lat.

Do 2100 r. jest dość czasu, abyśmy zbudowali silnik fuzyjny, który rozpędzi gwiazdolot do prędkości rzędu 15–20 proc. prędkości światła. Jeśli chodzi o technologie, to silniki fuzyjne na razie wydają się kwestią odległej przyszłości.Silniki jądrowe typu NERVA byłyby zbyt drogie. Konwencjonalne silniki rakietowe pozwalają dotrzeć do heliopauzy, ale wymagałyby zbyt wielkich ilości paliwa, by napędzane nimi statki zdołały dotrzeć do gwiazdy w rozsądnym czasie. (Gdyby sondę Voyager skierować ku Proximie Centauri, dotarłaby do niej po 74 tys. lat. Zespół Johnsona postawił w końcu na bardzo sugestywną technologię, mianowicie żagiel słoneczny. Promieniowanie słoneczne składa się z cząstek zwanych fotonami, które wywierają ciśnienie na wszystko, w czym są pochłaniane lub od czego się odbijają. W takiej odległości od Słońca, w jakiej znajduje się Ziemia, to ciśnienie o sile równej ciężarowi ciała o masie trzech gramów rozłożonej na obszarze boiska piłkarskiego. Jednak ta niewielka siła przyłożona do cienkiej powłoki odbijającej światło, rozpostartej w kosmicznej próżni, wystarczy do uzyskania przyspieszenia.

W 2010 r. NASA wystrzeliła w kosmos żagiel słoneczny o powierzchni 9 m2, który przez kilka miesięcy krążył wokół Ziemi na niskiej orbicie. Agencja planuje wystrzelenie w 2014 r. żagla o nazwie Sunjammer mającego powierzchnię nieco większą niż 1000 m2 i masę zaledwie 30 kg. Ruchome płaty na rogach umożliwią sterowanie lotem żagla z Ziemi, tak że w ciągu rocznej misji powinien, halsując, zbliżyć się o 3 mln km do Słońca. Do pokonania 26 mld km, jakie dzieli nas od heliopauzy, potrzebny jest żagiel o średnicy 450 m. Po roku lub dwóch żeglugi powinien on osiągnąć prędkość powyżej 150 tys. km/godz. Proxima Centauri jest położona w odległości 1500 razy większej. – Aby pożeglować do innej gwiazdy – mówi Johnson – potrzebowalibyśmy żagla o powierzchni takiej jak Alabama i Missisipi razem wzięte. Nie wiemy w tej chwili, jak konstruować takie żagle. Co więcej, samo światło słoneczne nie zdoła rozpędzić żagla na tyle, żeby dotarł do gwiazdy w czasie krótszym niż czas życia jednego lub kilku pokoleń. Do tego potrzebne są potężne lasery. – Jeśli weźmiemy całą energię wytwarzaną przez ludzkość i zainstalujemy ją w laserze na satelicie – mówi Johnson – wówczas można uzyskać czas podróży na Proxima Centauri rzędu kilkudziesięciu lat. To wystarczy jednak do wysłania robota wielkości biurka Johnsona. A co z ludźmi i instalacjami koniecznymi do podtrzymania ich życia? Johnson rozkłada ręce. – Kiedy zaczynamy się zastanawiać, co jest potrzebne do utrzymania przy życiu ludzi – mówi – jak duży powinien być wtedy statek kosmiczny i ile energii będzie potrzebował, wkraczamy w krainę fantastyki naukowej. Aby zbudować gwiazdolot, najpierw należy zbudować przyszłość, w której fikcja stała się faktem. A do tego potrzeba znacznie więcej niż tylko techniki rakietowej. Nie chodzi o wymyślanie teraz, w jaki sposób zaprojektować gwiazdolot, ale o kontynuowanie budowy cywilizacji, która kiedyś będzie w stanie taki statek skonstruować.

Jeśli przedstawimy to w ten sposób, zadanie przestaje wydawać się niewykonalne. Można je postrzegać jako plan na 100 lat, albo na 500, zależnie od tego, na ile ktoś jest zwariowany na punkcie podróży kosmicznych. Johnson uważa się tu za umiarkowanego optymistę. – Nie wiem, jak będzie wyglądał świat za 500 lat – mówi. – Jeśli powstaną siłownie fuzyjne i kosmiczne panele słoneczne przesyłające energię na Ziemię, jeśli rozwinie się górnictwo na Księżycu i powstaną zakłady przemysłowe na niskiej orbicie okołoziemskiej – może taka cywilizacja będzie w stanie tego dokonać. Zanim jednak zaczniemy myśleć o podróżach międzygwiezdnych, musimy najpierw jako cywilizacja opanować Układ Słoneczny.

Tim Folger, 2013