Odlijepiti se od Zemlje

Raketa Falcon polijeće iz NASA-inog Svemirskog centra John. F. Kennedy / Izvor: SpaceX

Je li svemir budućnost čovječanstva – (1)?

Prijevoz u svemir je samo pola komponente odlaska u svemir. Druga komponenta je povratak iz orbite na Zemlju bez oštećenja tereta, prije svega ljudi. Naime, nema gotovo niti jednog slučaja kada se zahtjeva povratak satelita na Zemlju bez oštećenja (iznimka je recimo slučaj povratak sonde koja je na asteroidu uzela uzorak materijala iz kojeg je stvoren – Japanska Hayabusa misija)

prof. dr. Slobodan Danko Bosanc

Slobodan Danko Bosanac

Čovječanstvo je pred jednom od najvećih prekretnica u povijesti. Riječ je o osvajanju svemira, koraku koji će svojim ishodom odrediti budućnost ljudske civilizacije. No za taj korak još čovječanstvo nije spremno, premda je korištenje svemira za komercijalizaciju i znanost, koristeći satelite, svemirske sonde i robote, u velikom zamahu. Uspjesi su impresivni. Međutim, temeljni korak još nije dosegnut, a to je osigurati jeftin, siguran i ne stresni prijevoz ljudi u svemir. Zapravo to i jest problem sadašnjeg stanja komercijalizacije svemira – osigurati da sateliti i sonde obave svoj zadatak, od lansiranja, dolaska na određenu lokaciju i izvršiti namjenu zahtjeva njihova duga i skupa ispitivanja, rekao je za ZG Magazin prof. Bosanac.

Ako se izuzme cijena izrade satelita i njegovo ispitivanje lansiranje satelita u orbitu oko Zemlje (LEO – Low Earth Orbit– 300 do 2000 km) je vrlo skupo, daleko od mogućnosti da se može razmišljati o realizaciji projekata koji bi odlučili o budućnosti prisutnosti ljudi u svemiru. Jedan je takav projekt velika svemirska stanica bez koje iole zahtjevniji projekt s ljudskom posadom za odlazaka na Mjesec ili dalje nije zamisliv. Svemirska stanica ne bi koristila samo kao odskočna točka za odlazak u duboki svemir (izraz kojim se opisuje svemir kada se napušta utjecaj Zemljine gravitacije, recimo odlazak na Mars), već za znanstvene i tehnološke laboratorije pa i turističke svrhe.

Koji su to zahtjevni uvjeti za postavljanje korisnog tereta u LEO koji čine veliki problem udovoljiti tri uvjeta za šire korištenje svemira za ljude? Prije svega to je korištenje raketa za prijevoz, zatim treba postignuti brzinu orbitiranja od oko 8 km u sekundi u trenutku kada je raketa paralelna sa površinom Zemlje. Zatim tu je problem što već nakon nekoliko desetaka kilometara iznad površine Zemlje jedna komponenta sagorijevanja, kisik, više nije dostupan dok je svemir (skoro) prazan od bilo kojeg oblika materije. Radi toga svako svemirsko vozilo mora sa sobom nositi i rezerve kisika da bi gorivo, kerozin posebno rafiniran, moglo sagorijevati i tako stvarati potisnu silu. Ovisno o gorivu, ali za kerozin kisika mora biti oko dva i pola puta više. Tako na primjer Airbus zrakoplov A380, danas najveći u svijetu, sa sobom nosi 310 tona kerozina. Da je to svemirsko vozilo morao bi još dodatno nositi 775 tona kisika, umjesto toga troši ga iz atmosfere.

Airbus A380

Raketa – izuzetno loše prijevozno sredstvo

Raketa je izuzetno loše prijevozno sredstvo, samo da se održi lebdeći bez gibanja mora trošiti ogromne količine goriva. Radi toga količina goriva i kisika kojeg mora raketa nositi sa sobom, naravno i rezervoari za njih, uvelike nadmašuje masu korisnog tereta, otprilike 100 puta. Da se ne govori o buci koju stvara kod polijetanja što stvara jedan od uvjeta na korisni teret kojeg nosi. Tako na primjer kompanija Space X zahtjeva da korisni teret (satelit) mora izdržati intenzitet zvuka od 140 dB. Za čovjeka u raketi moraju se stvoriti posebni uvjeti za izolaciju od te buke jer je ista kao da je 30 metara od mlaznog zrakoplova koji polijeće, očekuje se izuzetna bol i trenutno oštećenje sluha. Tu su i vibracije kod polijetanja, kao i šokovi uslijed odvajanja stupnjeva rakete kao i samog modula s korisnim teretom.

Brzina od 8000 metara u sekundi mora se postići u što kraćem roku radi uštede u gorivu. Prema podacima rakete Falcon 9 kompanije Space X (ta se kompanija citira jer daju iscrpne podatke i trenutno je najuspješnija u lansiranju komercijalnih tereta) koristi raketne motore 1900 sekundi za postići tu, orbitalnu, brzinu. Jednostavna računica pokazuje da je srednje ubrzanje oko pola gravitacijske (maksimalna može biti znatno veća) što znači da je sila na teret ekvivalentna pola težine njegove mase. Za usporedbu, zrakoplov pri polijetanju ima ubrzanje od prilike desetinku gravitacijske, to znači da na osobu mase 60 kilograma pritišće sila od 60 Njutna ili popularno 6 kilograma.

Povratak na Zemlju bez oštećenja

Prijevoz u svemir je samo pola komponente odlaska u svemir. Druga komponenta je povratak iz orbite na Zemlju bez oštećenja tereta, prije svega ljudi. Naime, nema gotovo niti jednog slučaja kada se zahtjeva povratak satelita na Zemlju bez oštećenja (iznimka je recimo slučaj povratak sonde koja je na asteroidu uzela uzorak materijala iz kojeg je stvoren – Japanska Hayabusa misija). Zapravo svi sateliti po povratku izgore u gornjim slojevima atmosfere. Problem je da svemirska letjelica nema više dovoljno goriva za usporiti na primjerenu brzinu kojom bi ušla u atmosferu i pri tome imala manevarske sposobnosti. Problem je i zagrijavanje tijela letjelice tako da je razumna granica za sigurni let oko 1000 metara u sekundi. Naravno, ta vrijednost najviše ovisi o visini iznad morske površine, taj se podatak odnosi na oko 30-40 km. Ispod te visine sigurni let letjelice (testovi su vršeni na posebno izrađenim vojnim letjelicama) drastično pada ispod te brzine dok za više slojeve nema podataka.

Simulacije, ali i primjer Space Shuttle-a, pokazuju da svemirska letjelica, manje-više bilo kojeg oblika (recimo kugla), nakon ulaska u atmosferu pri orbitalnoj brzini polagano usporava, a problemi nastaju na visini između 30 km do 50 km. Do visine 50-60 km letjelica lagano uspori na brzinu oko 6000-7000 metara u sekundi kada počinje naglo usporavanje (na astronaute u Space Shuttle-u djeluje sila od najmanje 3 gravitacijske). Međutim, to nije jedini problem, zrak oko letjelice zagrije se na oko 3000 do 4000 °C, dok se površina Space Shuttle-a, radi posebne konstrukcije, zagrije na oko 1500 °C. Svi ti uvjeti daleko su od onih koji bi bili potrebni da ljudi sa sigurnošću i bez stresova odlaze u svemir ali i da se vrate na Zemlju.

Cijene lansiranja

Kolike su cijene lansiranja? Ponuda lansiranja je šarolika, tako su i cijene, međutim one se kreču oko manje-više istih brojki. Uzmimo kao primjer popularnu privatnu kompaniju Space X koja se već probila na tržište kao najpovoljnija cijenom. Jedno lansiranje naplaćuju oko 60 do 90 milijuna dolara, ovisno o tipu rakete. Za tu cijenu mogu lansirati korisni teret u LEO od skoro 23 000 kilograma (Falcon 9) što na je prvi pogleda jako povoljna ponuda (za profesionalce koji se time bave), međutim, to ima i svoju drugu stranu. Cijena je povoljna ako se lansiraju sateliti te mase, međutim ti su projekti izuzetno skupi, od 300 milijuna dolara na više. U odnosu na te cijene jeftinije lansiranje nije velika stavka, ali sigurno nije zanemariva. Jedan je ipak podatak značajan, tom cijenom lansiranja Space X je snabdijevao ISS (International Space Station). Ako netko želi znati koliko košta odlazak na ISS ta je cijena pokazatelj. Prijevoz putnika u svemir je još daleko od pristupačnog »širem sloju ljudi«, a da se i ne govori o cijeni izgradnje svemirske stanice.

ISS svemirska postaja (Foto: NASA)

Visoka cijena velikih satelita ima svoje objašnjenje, svaki je unikat. Za tvrtke koje učestvuju u izradi satelita to je posao koji nije masovna proizvodnja te one moraju na njemu odvojiti ljudstvo i tehniku na izradi, što je veliki trošak. Međutim, barem u sferi satelita došlo je do demokratizacije, prije svega radi razvoja mikrotehnologije. Mnoge komponente satelita mogu sa smanjiti u toj mjeri da se mogu strpati u kockicu dimenzija 10x10x10 cm, ili nekoliko tih kockica zajedno. Ti su sateliti, popularno znani kao CubeSat, namijenjeni za LEO, ali radi njihove niske cijene izrade dostupne su izvedbi u obrazovne svrhe u visoko školskim ustanovama. Ti maleni sateliti imaju i komercijalnu i demokratsku vrijednost.

Nije više da samo velike agenciju imaju privilegiju biti nositeljem svemirskih programa, sada to mogu biti akademske institucije ili tvrtke. Tipično CubeSat košta milijun ili dva kuna dok cijena koštanja lansiranja na komercijalnoj osnovi iznosi nešto više od pola milijuna kuna. Masa jednog CubeSata, temeljne konfiguracije, iznosi oko 1 kilogram, što bi značilo da u jedan Falcon 9 stane njih dvadesetak tisuća i cijena lansiranja po jednom bila bi skoro 100 puta niža. Problem je skupiti toliki broj satelita ali time bi se značajno pogoršao problem koji se nazire.

(CubeSat / Izvor: Sveučilište AAlborg, Danska)

Radi svoje dostupnosti širem sloju izvođača sve se više skuplja »svemirski otpad« u LEO, sateliti kojima je isteklo vrijeme rada, sateliti koji nisu nikad proradili, sateliti s marginalnom svrhom. Neke velike kompanije čak razmišljaju o stvaranju mreže CubeSat-a u orbiti oko Zemlje za njihove potrebe globalnog širenja, »svemirski otpad« postaje sve veći hazard za putovanje u svemir. Reguliranje lansiranja i korištenja tih satelita međunarodnim i lokalnim zakonima je zato imperativ budućih svemirskih aktivnosti. Zakon kojim se regulira stvaranje »svemirskog otpada«, zahtijevanjem standarda koje ti sateliti moraju udovoljavati, usvojeni su već od mnogih EU zemalja, a Hrvatskoj predstoji njegovo osmišljavanje i usvajanje. Jedan zanimljiv detalj kojeg ti zakoni sadrže: svaki izvođač CubeSat-a mora osigurati satelit za slučaj ako u orbiti ošteti satelit međunarodno priznatih izvršitelja.