RachetaOmul a dorit dintotdeauna să zboare. Mitologia civilizaţiilor a imaginat nenumărate cazuri în care oamenii experimentează zborul în diverse forme, de la aripi până la procedee complexe. Am reuşit să ne înălţăm în atmosferă, iar apoi am trecut de graniţele ei.

 

 

Va veni o zi în care vom fi nevoiţi să ne luăm adio de la planeta pe care ne-am născut şi să ne căutăm o nouă casă.

Este posibil într-un viitor nu foarte îndepărtat să ne confruntăm cu un dezastru planetar, din diverse motive - schimbarea dramatică a climei, impactul cu un asteroid sau cu o cometă, un război devastator, o activitate vulcanică intensă, ba poate chiar un alt motiv la care nici nu ne gândim astăzi. Chiar dacă vom evolua îndeajuns încât să fim capabili să contracarăm astfel de evenimente, Soarele nu este veşnic, iar la un moment dat, când se va transforma în gigantă roşie, Terra va deveni improprie oricărei forme de viaţă. Civilizaţia nu va avea altă opţiune de supravieţuire decât migrarea către alt corp mai primitor sau, şi mai bine, către alt sistem stelar.

Mai mult, cum spunea Carl Sagan, şansele de supravieţuire a speciei noastre ar creşte mult dacă am coloniza cel puţin încă un alt loc din spaţiu.

Primul care a pus bazele ştiinţei folosite în domeniul propulsiei şi rachetelor a fost Isaac Newton, când a formulat legile sale.

1. Prima lege a lui Newton spune că toate obiectele în repaus vor rămâne în această stare dacă nu se acţionează asupra lor cu o forţă oarecare. Deci este necesară o forţă pentru ca o rachetă să fie propulsată. Acest lucru se produce datorită motoarelor şi forţei de împingere a acestora.

2. A doua lege a lui Newton determină puterea forţei de împingere necesară. Cu cât mai mult combustibil este ars, cu atât forţa de propulsare va fi mai mare, iar racheta se va înălţa mai repede şi mai sus.

3. A treia lege a lui Newton afirmă că pentru fiecare acţiune există o reacţie, egală şi de sens opus. Acesta este principiul de bază al funcţionării rachetelor. Toate ejectează particule de gaz într-o direcţie, rezultatul fiind deplasarea în direcţia opusă.

Pentru a demonstra principiul pe care se bazează propulsarea rachetelor este de ajuns să umflaţi un balon. Aerul din interior se va afla sub presiune şi va împinge în pereţii balonului în mod egal în toate direcţiile. Dacă eliberăm capătul balonului, gazele vor scăpa şi se vor răspândi, iar presiunea din interior va scădea. Acest lucru va împinge balonul în faţă, însă traseul acestuia va fi haotic deoarece nu există sistem de ghidare, o formă precisă sau un control al eliminării gazelor.

Indiferent de ce tip de combustibil este folosit, rachetele sunt propulsate de gazul eliminat rezultat din combustie. Forţa ce determină deplasarea rachetei reprezintă propulsia. Cu cât forţa este mai mare, pentru o cantitate dată, va fi obţinută o viteză mai mare până la terminarea combustibilului. Astfel viteza devine un factor critic.

Vitezele necesare pentru misiunile spaţiale au fost calculate cu mult înainte ca acestea să aibă efectiv loc. Pentru a plasa un obiect pe orbita Pământului este necesară o viteză de minim 8 km/s, în funcţie de înălţimea dorită a orbitei. Pentru a învinge gravitaţia Pământului, este necesară o viteză de minim 11 km/s; aceasta este viteza de evadare.

Pentru a atinge viteze tot mai mari, pentru o anume masă dată, cantitatea de combustibil trebuie să crească, să degajeze mai mult gaz pe o perioadă mai lungă de timp. Principiile fizicii ne spun că cu cât mai lungă este perioada de timp de eliminare a gazului, cu atât mai repede va merge racheta. De exemplu, dacă masa nu se schimbă, iar vehiculul porneşte din starea de repaus cu o propulsie constantă, după 100 de secunde se va deplasa de 100 de ori mai repede. Mai mult, pentru rachete masa nu rămâne aceeaşi, ea descreşte. Cu fiecare kilogram de combustibil transformat în gaz şi ejectat, aceasta devine mai uşoară.

Pentru a obţine un efect maxim, s-a aplicat principiul treptelor. Dacă masa combustibilului se micşorează, deci şi volumul acestuia, sunt ejectate şi compartimentele ce-l conţin, pentru a nu adăuga o greutate suplimentară.

În ceea ce priveşte lansările vehiculelor spaţiale, există şi alţi factori determinanţi. Unul dintre aceştia este grosimea atmosferei, care determină gradul de frecare.



Propulsia chimică

Propulsia chimică este cea folosită în prezent pentru călătoriile spaţiale. Puterea este obţinută în urma diverselor reacţii chimice de ardere (oxidare). Combustibilul folosit poate fi solid, lichid sau gazos.

Acest tip de propulsie nu este compatibil cu distanţele uriaşe până la alte sisteme stelare. Ajungând până la o viteză de 65.000 km/h, ar fi necesari 73.000 ani pentru o călătorie cu destinaţia Proxima Centauri, cea mai apropiată stea.

Tehnologia a fost de ajuns pentru ca omul să păşească pe Lună, însă este nevoie de ceva cu totul nou dacă vrem să ajungem la stele.


Propulsia ionică

Deşi motoarele ionice nu oferă explozia spectaculoasă şi viteza iniţială foarte mare, pe termen lung se dovedesc neaşteptat de eficiente. Dacă puterea unui motor ionic pare minusculă, având în vedere că aşezat pe sol este prea slab ca să se mişte, acesta prezintă alte avantaje: poate funcţiona fără defecţiuni o perioadă îndelungată, imprimând o acceleraţie constantă.

Acest tip de motor foloseşte energia electrică pentru a ioniza atomi, cărora le imprimă apoi viteze mari. Este folosit în principal pentru sonde spaţiale.


Motorul cu plasmă

O variantă oarecum asemănătoare motorului ionic este cel cu plasmă. Propulsia este realizată de un jet puternic de plasmă, rezultat din încălzirea hidrogenului cu ajutorul câmpurilor magnetice. Acest tip de motor nu a fost testat încă în spaţiu. Deşi teoretic puterea oferită este foarte mare, cererea de energie electrică este şi ea uriaşă.


Propulsia nucleară

Într-un sistem electric nuclear, căldura provenită de la un reactor nuclear este convertită în energie electrică. Este recunoscută ca o variantă pentru explorarea spaţială încă din anii '60 şi de asemenea este o alternativă eficientă din punct de vedere al costurilor.

Un avantaj al acestei tehnologii este că există posibilitatea transferului de energie între motor şi instrumente. Când instrumentele nu sunt folosite, toată puterea revine funcţionării motorului, iar când este necesar să se facă cercetări, motorul este oprit şi energia redistribuită. În acest fel, cantitatea de combustibil necesară este minimă, ducând la reducerea masei vehiculului spaţial.

Acest tip de propulsie are marele avantaj că poate funcţiona oriunde în spaţiu. Există însă şi dezavantaje. Cea mai mare problemă este radiaţia nucleară produsă, ceea ce va necesita protejarea echipajului, pasagerilor şi echipamentelor de aceasta şi, de asemenea, de căldura uriaşă produsă de reactor. Aceasta protecţie va creşte masa vehiculului. Şi nu este de neglijat nici posibilitatea unui accident pe parcursul misiunii care să ducă la contaminare radioactivă.


Velele solare

Dacă până acum nu am vorbit despre metode cu adevărat aplicabile la călătoria în spaţiu pe distanţe foarte mari, velele solare ar putea reprezenta o soluţie la această problemă.

Originea velelor solare se situează în secolul 17, când Johannes Kepler, observând cozile cometelor, a dedus ca vântul solar este constant şi destul de puternic pentru a fi folosit în acelaşi mod în care vântul ca mişcare a aerului este folosit în navigaţie pe Pământ.

În prezent, acest principiu este uşor diferit. Practic, în loc de vântul solar se foloseşte lumina. Aceasta aplică o uşoară presiune asupra unui obiect, iar dacă vom folosi o suprafaţă foarte plană, mare şi puternic reflectivă, realizată dintr-un material extrem de uşor, aceasta va fi capabilă să propulseze, cu ajutorul luminii, un vehicul spaţial. Pentru a fi eficiente, dimensiunile acestora trebuie sa atingă kilometri în diametru, iar materialul va fi probabil reprezentat de fibre de carbon, cu o grosime de doar câţiva microni, comparabil cu o foaie de hârtie; de asemenea, acest material este preferat şi pentru că are capacitatea de a rezista radiaţiei venite de la Soare.

Velele solare produc o acceleraţie foarte mică. Ele vor fi lansate direct din spaţiu, neputând să învingă gravitaţia Pământului.

Cel mai mare avantaj al acestora este că sunt sisteme fără combustibil, nedepinzând de acesta. Astfel, vor avea o libertate mare de deplasare şi de durată în timp, şi de asemenea vor avea o masă mică, nefiind dotate cu containere de combustibili şi motoarele aferente pentru reacţia acestora.

Dezavantajele sunt acurateţea jeturilor de particule sau energie, necesar a fi virtual perfecte pe distanţe uriaşe; vehiculele spaţiale transportate de vele trebuie să fie foarte uşoare; cel mai mare dezavantaj este totala dependenţă de tehnologia de la punctul de plecare, orice problemă apărută ulterior ducând eventual la pierderea navetei în spaţiu. Pe lângă aceste probleme, interesul pentru proiectarea şi fabricarea unor asemenea vele este extrem de mic deocamdată.

Pentru accelerare se poate folosi lumina Soarelui (iar pentru decelerare lumina stelei de la destinaţie). Problema este că forţa exercitată de Soare este infimă comparativ cu alte tipuri de propulsie, de doar 9 N/km2 la depărtarea la care se află Terra. Accelerarea se va produce extrem de lent, însă teoretic se poate ajunge în timp la viteze foarte mari, poate chiar până la jumătate din viteza luminii. Dezavantajul este că presiunea luminii scade dramatic cu distanţa, ceea ce ar putea să nu fie suficient pentru atingerea unei viteze atât de importante.

Din această cauză a fost propusă o a doua soluţie, propulsarea velelor cu ajutorul laserelor. Dar pentru a realiza o accelerare a unei vele cu diametrul de zeci de kilometri ar fi necesare mii de lasere construite pe Lună (pentru ca atmosfera terestră să nu micşoreze efectul acestora), care să funcţioneze neîntrerupt timp de ani sau zeci de ani. Întrebarea care totuşi rămâne este: cum ne înapoiem pe Pământ?

O a treia soluţie propusă ar fi vela magnetică, de fapt înlocuirea uriaşei pânze cu un cablu supraconductor cu diametrul de ordinul milimetrilor, formând o buclă. Acesta ar fi mai ieftin şi mai eficient decât vela solară. Ideea de bază este formarea unui dipol magnetic care să devieze vântul solar; de asemenea, să ofere control direcţional. O soluţie ar fi folosirea de acceleratoare de particule ce ar avea o eficienţă de aproximativ şase ori mai mare decât laserele.

Velele magnetice ar putea oferi o manevrabilitate net superioară, ca şi posibilitatea de frânare. Există însă şi aici probleme ce nu au fost pe moment rezolvate, ca tehnologia avansată în domeniul supraconductorilor sau controlul temperaturii.

 

 

Călătoria în spaţiu. Variante de propulsie. 2