Żeglując przez pustkę ? Technika żagla jako alternatywa dla napędu rakietowego

Teoretycznie epoka żaglowców to bardzo zamierzchłe czasy, dla niektórych okres 100-200 lat wydaje się to „prehistorią”,a istniejące stosowane dziś żaglówki – sportową zabawką i kaprysem bogaczy.

Tym niemniej w kosmosie sytuacja ma sie trochę inaczej. Wiatr słoneczny jest czynnikiem którego nie można lekceważyć, przynajmniej wewnątrz układów planetarnych takich jak nasz. Każda,nawet najmniejsza siła ciągu podczas lotu ma znaczenie. Dla niektórych wydać się może dziwne,że promieniowanie wywiera siłę. Nacisk światła ? Serio? Jak najbardziej. Jeśli pamiętacie lekcje fizyki,to może wspomniano na nich o czymś takim jak ciśnienie promieniowania. Co prawda nie jest ono zbyt duże, ale jeśli dysponuje się dużą powierzchnią to może wystarczyć, zwłaszcza, że w próżni nie ma oporów ośrodka – więc nawet stosunkowo mała siła to czysty zysk.

Na tej podstawie stworzono koncepcję żagla słonecznego. Pierwszą taką próbą miał być Cosmos-1. Niestety misja nie doszła do skutku (usterka rakiety). Pierwszą udaną misją była misja Japońskiej sondy IKAROS wystrzelona w 2010 roku. [artykuł JAXA] [Wikipedia] Niedługo po niej NASA wystrzeliła również sondę NanoSailD2 (poniżej „wizja artystyczna”):

Podstawowym problemem oprócz małego ciągu jest fakt,że dostępna energia maleje wraz ze wzrostem odległości od Słońca.Jako rozwiązanie tego problemu sugeruje się np. rozważenie naświetlania tego rodzaju żagla odpowiednią wiązką laserową.

Tak czy inaczej, głównym zastosowaniem technologii żagla słonecznego będą niewątpliwie sondy bezzałogowe a w przyszłości również kosmiczny transport towarowy.

Oczywiście istnieją i inne rozwiązania oparte na technice żagla – Plasma Sail i MagSail [ o żaglu magnetycznym można poczytać tutaj] – jednak to klasyczna koncepcja wydaje się najprostsza i najtańsza.Oczywiście nowe odkrycia w technikach rakietowych wcale nie gwarantują,że to żagiel będzie narzędziem taniej spedycji kosmicznej,a póki co stworzenie bazy na księżycu czy lądowanie na marsie to jeszcze kwestia przyszłości.Jednak na pewno tani transport kosmiczny będzie krytyczną kwestią przyszłej gospodarki – niezależnie od tego, kiedy ta przyszłość dokładnie nastąpi.

Elektronika w kosmosie – kilka podstaw

Większość z nas posiada raczej dość wydajne komputery. W epoce wielordzeniowych 64-bitowych procesorów o taktowaniu standardowo powyżej gigaherca, dysków twardych o pojemności wielu gigabajtów w technologiach HDD i SSD procesory takie jak i486 jawią się większości, jako absolutna prehistoria komputerów. A jednak komputer misji Apollo – AGC miał tylko 16 bitowy procesor o taktowaniu 2,048 Mhz i bardzo mało pamięci RAM i ROM. Właściwie był to „taki kalkulator”. Mało tego. Procesory i386 oraz i486 były i są nadal stosowane w szeregu rozwiązań funkcjonujących w przestrzeni kosmicznej.

CC BY-SA 3.0 Appaloosa

To nie żart.To rzeczywistość. Ale dlaczego właściwie tak jest ? Po co używać przestarzałego sprzętu, od którego wydajniejsza jest byle komórka, a nawet część kalkulatorów ?

Są ważne powody. Napisano już kilka artykułów je wyjaśniających np: [1] [2]. A ja napiszę kolejny po to,by zebrać to w całość – i mam nadzieję – zrobić to lepiej.

Zacznijmy od opisu warunków jakie panują w przestrzeni kosmicznej i na orbicie,czy tam na księżycu.No nie są one fajne:

  • Próżnia,a co za tym idzie problem z oddawaniem ciepła (wydaje się dziwne,skoro w przestrzeni kosmicznej jest zimno ? A kojarzycie termos ?)
  • Piekielnie niskie temperatury (nie ma może jakiegoś szybkiego schładzania i strat ciepła, bo próżnia), ale też w dzień nagrzewanie do temperatur nawet do 100 stopni Celcjusza.
  • Promieniowanie kosmiczne i wiatr słoneczny oraz wysokoenergetyczne cząstki w pasach van Allena
  • Spore przyspieszenia przy starcie do lotu w kosmos (efekty siły bezwładności)
  • Nieco inny przebieg niektórych zjawisk chemicznych (nawet ogień w kosmosie pali się inaczej)

Dodajmy do tego duży koszt dotarcia w przestrzeń kosmiczną i dalej, a w efekcie można wyciągnąć już ciekawe wnioski.

Żeby być dokładniejszym, promieniowanie kosmiczne w przestrzeni to w zasadzie w:

  • 83% – protony
  • 13% – cząstki alfa (jądro helu/jon helowy)
  • 3% – elektrony
  • 1% – ciężkie jony (głównie jądra atomowe)

Co ciekawe, całkiem spory odsetek ciężkich jonów w kosmosie, a przynajmniej bliskiej przestrzeni kosmicznej to jony żelaza. Cząsteczki te przenoszą w każdym razie ogromną energię i mogą narobić sporo szkód.

Jeśli chodzi o protony, to chyba każdy kto uczył się fizyki kojarzy, co się stanie,gdy niewielka część nich (1 na 10.000,ale jednak) uderzy w jądro atomowe. Rozszczepienie jądra atomu w mikroprocesorze nie spowoduje może spektakularnej eksplozji, ale tak czy siak – być może istotny – fragment półprzewodnika zmieni swoje właściwości.  Jeśli sieć krystaliczna zostanie naruszona – chip zostanie uszkodzony.Lekko ? Uszkodzenia będą się nawarstwiać,błędy będą ciągle. Co tu dużo mówić – jest to pewien problem nie tylko w kosmosie, ale i potencjalnie w elektrowniach atomowych.Ciężkie jony też mogą namieszać. Puknie taki w nieodpowiednie miejsce i elektronika wariuje, bo stworzyło się trochę za dużo elektronów i dziur na złączu, pojawiają się skoki napięcia lub natężenia – i mamy usmażone chipy (opór elektryczny !). A chipy jak wiadomo nie chipsy (czy inne frytki) – usmażenie im nie służy. Nawet jak taki chip się nie zepsuje to zacznie zachowywać się nieprzewidywalnie, upływ prądu (ang. leakage) zachodzi i takie tam.

Idźmy dalej.Uderzenie ładunku w ścieżki o rozmiarze poniżej 180 nm sprawia problemy –  dochodzi do „ucieczki” ładunku, który błądzi po różnych ścieżkach na układzie, często ze sobą nie związanych – czego efektem jest oczywiście trwała lub tymczasowa awaria w obwodzie. W najlepszym razie zaburzone zostaje działanie. Im w mniejszej technologii układ – tym większa szansa na pobudzenie wielu elementów obwodu. Tym samym miniaturyzacja w kosmosie nie zawsze jest korzystna,a na procesorach wykonanych w technologii takiej jak 800 nm (i486) bardziej można polegać bardziej, bo po prostu na tak wielkiej ścieżce jak jakaś cząsteczka „puknie”, żadnych nadzwyczajnych rzeczy (może) nie będzie.

Problem promieniowania dotyka również pamięci DRAM – również na ziemi, gdzie dziennie na 4 gb ram przypadać ma średnio 1 błąd wywołany promienowaniem kosmicznym dziennie. O zjawisku tym choćby w kontekście bitsquattingu pisał niebezpiecznik. Problem polega na wyzerowaniu bitu przez promieniowanie (1 -> 0). Ponadto, problemem może być również nie tylko uderzenie we fragment danych pamięci, ale też podczas cyklu odczytu/zapisu, dzięki zakłóceniu przepływu danych.

Zabezpieczeniem przed tym zjawiskiem jeśli chodzi o pamięci jest częściowo stosowanie pamięci ECC.

Należy jednak pamiętać,że stosowanie tego rodzaju pamięci na ziemi, w pierwszym lepszym komputerze, nie zawsze jest możliwe – konieczna jest odpowiednia płyta główna. No i są one oczywiście droższe.

Stosowane rozwiązania zabezpieczające przed awarią wywołaną promieniowaniem, to po pierwsze odpowiednie warstwy osłonowe dla mikroprocesorów, odpowiednia konstrukcja chipa oraz nadmiarowość – zarówno jeśli chodzi o układ jak i o zastosowanie kilku układów o różnym oprogramowaniu.

Kwestia temperatur – niskich i wysokich to kwestia nagrzewania i chłodzenia. Jak pisałem w przestrzeni kosmicznej jest zimno,ale za to jest sporo próżni, wiec jakoś wolniej się to schładza (Ale też trudniej pozbyć się nagromadzonego ciepła) Układy krzemowe CMOS jakoś sobie radzą z temperaturami rzędu -150 do -55 stopni Celcjusza (choć są mniej wydajne) ale w temperaturach ponad +200 stopni trzeba stosować inne układy. Zresztą w kosmosie nie ma też dobrego źródła zasilania,ogniwa fotowoltaiczne,rzadziej (i raczej z reguły nie na orbicie) kilka kilo plutonu stąd i pobór prądu musi być mniejszy. Tak się składa,że stare mikroprocesory – tak pod względem poboru prądu jak i produkowanego ciepła są w czołówce.

Wpływ sił bezwładności to z kolei powód dla którego klasyczne talerzowe dyski twarde kompletnie nie nadają się do lotów w kosmos. Działające przy starcie przeciążenia po prostu doprowadziłyby do zniszczenia dysku.  Zamiast nich stosuje się pamięci (i dyski)w technologii flash.A one już mają wady typowe wymienionych rodzajów pamięci.

Ze względu na bezpieczeństwo i chemię również magazynowanie energii jest ograniczone dla niektórych rodzajów baterii. Wybuch lub pożar w kosmosie jest oczywiście niepożądany.

To co omówiłem to rzecz jasna podstawy. Istnieją na ten temat całe specjalistyczne opracowania NASA,zależało mi na wyjaśnieniu kilku drobiazgów – nie na zanudzeniu was na śmierć.Pozdrawiam.

Lot testowy Oriona – rusza Marsjański program NASA.

Podbój kosmosu jest ważną kwestią.Od 4.10.1957 r, gdy wystartowała rakieta z pierwszym satelitą ziemi – Sputnik 1  jesteśmy w erze kosmicznej. Lot Gagarina był kolejnym wielkim krokiem.12.4.1961 roku pierwszy człowiek znalazł się na orbicie. I wreszcie – „mały krok dla człowieka,lecz wielki dla ludzkości” 21.7.1969 roku,wykonany przez Neila Armstronga.

5.12. 2014 roku nie będzie może tak ważną datą.J ednak, tego właśnie dnia NASA wystrzeliło nowy pojazd kosmiczny Orion, który ma być narzędziem m.in. amerykańskiej załogowej misji na Marsa. Test pojazdu przedstawia poniższy filmik:

Plany NASA, jak widać na poniższym plakacie są bardzo ambitne:

Ambitne tym bardziej, że jak dotychczas cięcia budżetu NASA i rezygnacja z promów kosmicznych na korzyść tańszych rosyjskich rakiet zapowiadały, że USA trapione kryzysem finansowym ograniczą znacznie swój udział w podboju kosmosu. Testy nowego pojazdu kosmicznego i nowy ambitny program NASA wydają się jednak przełamywać ten trend.

Wg danych projektu , lądowanie na asteroidzie przewidywane jest na 2025 rok,a misja na marsa – na 2030.

Niewątpliwie dolar i budżet USA są w tarapatach, nawet przyszłość pokoju i dotychczasowego porządku światowego po tegorocznych wydarzeniach są wątpliwe, a dalsze pogorszenie się sytuacji grozi wręcz niebezpieczną dla losów gatunku ludzkiego wymianą ciosów z użyciem broni niekonwencjonalnej z arsenałów ABC posiadanych przez mocarstwa.

Dobrym zatem pytaniem jest kwestia faktycznych finansowych możliwości zrealizowania tak ambitnego programu, w tak niespokojnych czasach. Należy pamiętać, że to nie jedyny tak ambitny program. Prywatny projekt Mars One idzie jeszcze dalej i zakłada kolonizację Marsa od 2025 roku. Rzecz w tym,że już inżynierowie z MIT zasugerowali (dokładniejszy artykuł na geekweek),że scenariusz misji jest niemożliwy, a ludzie wysłani na Marsa przez Mars One przypuszczalnie zginą. Nawet jeśli jakoś przeżyliby, sądzę,że większym problemem (również w przypadku potencjalnych baz na księżycu) długofalowo jest radiacja. Jak już wspominałem w listopadzie na – stronie MIT news jest artykuł na temat naturalnej „tarczy” chroniącej ziemię przed promieniowaniem. Rzecz w tym, że Mars jednak takiej tarczy nie ma, stąd trzeba tam będzie „wkopać się w grunt”. Przyczyna jest prosta:

wg. danych NASA:

Mars - promieniowanie kosmiczne

Dla porównania – astronauci na stacjach kosmicznych dostają dawkę 20-40 rem rocznie. 1 rem to 0,01 Sv (Siwerta), zatem to nie wydaje się dużo, ale dawki powyżej 5 rem powodują już zmiany w chemii krwi, dlatego też np Amerykański Departament Energii (DOE), zbiorczą dawkę bezpieczną dla pracowników określa jako nie więcej jak 5 rem/rok. Ponadto, badania nad efektem oddziaływania promieniowania na płód wykazały, że może dojść do obniżenia IQ dziecka wskutek promieniowania o 15 punktów (a więc z pewnością zjawisko potwierdzone i istotne statystycznie), wzrasta też ryzyko zachorowań na raka, deformacji organów, poronienia itd. Zresztą DNA osób poddanych stałemu promieniowaniu, również zostanie uszkodzone, co może powodować dziedziczne choroby.

Pomysł z namiotami i szklarniami na powierzchni planety jest zatem raczej szkodliwym nonsensem, a cały projekt Mars One wydaje się być póki co (o ile nie pojawią się nowe okoliczności i wynalazki, które radykalnie to zmienią) skazany na porażkę.

Również Elon Musk szybko wycofał się z projektu „Mars Oasis” w 2001 roku, gdy zorientował się,jak wielkie byłyby koszty tego przedsięwzięcia. Zamiast tego, woli rozwijać firmę SpaceX – ponieważ obniżenie kosztów transportu kosmicznego wydaje się łatwiejszym, a przy tym nawet zyskownym rozwiązaniem.

Czy zatem NASA zrealizuje swój bardziej realistyczny – ale wciąż kosztowny z perspektywy budżetu Amerykańskiego program ? Zobaczymy.

PS: Tymczasem chyba słyszę wiatry „Aleksandry” albo to, co z nich zostało. Wszystkim u których wieje bardziej, życzę by nie było żadnych strat w mieniu. Postaram się jeszcze coś napisać w weekend.O ile kabli nie urwie (spokojnie,nie powinno).