Az űrkutatás jövője - álmok és lehetőségek

Immár 50 éve, az első szputnyik felbocsátásával (1957. 10. 04.) elkezdődött az "igazi űrkorszak".
Az évforduló kapcsán már összeállítottam az időszak és az előzmények történeti áttekintését Űrkutatástörténet címen.
Most a közeli és távolabbi jövő lehetőségeit próbálom összefoglalni ebben a részben.


Főbb témakörök:
Az űrkutatás fizikája és kémiája, Közeljövő, Távolabbi lehetőségek, Álmok

 

Az űrkutatás fizikája és kémiája

Mielőtt a jövőt latolgatnánk, nézzük meg kicsit az "alapokat", vagyis "az űrkutatás fizikáját és kémiáját". Az elmúlt 50 év tapasztalatai alapján ezen elvileg már "túlvagyunk", de azért az "átlagember" számára nem árt egy kis ismétlés (ami a tudás anyukája).

Kezdjük talán a sebességekkel, vagyis azzal a bizonyos "első, második, illetve harmadik kozmikus sebességgel", amiket el kell érnünk, ha el akarjuk hagyni a jó öreg Földünket.
Először mindenképpen Föld körüli körpályára kell állni (első kozmikus sebesség - a Föld felszínén ez 7,91 km/s), sőt már a tervezett marsutazás űrhajóját is Föld körüli pályán "raknák össze", mert ekkora rakétát "egyben fellőni nem praktikus".
Persze nyilván el is akarjuk hagyni Földünket, ehhez kell a második kozmikus sebesség (a Föld felszínére 11,19 km/s).
Mivel itt most a "távlatokról" beszélünk, a Naprendszert is el akarjuk hagyni, ehhez a harmadik kozmikus sebességet (a Föld távolságában 42,3 km/s) is el kell érni.

Az animáció az egyes kozmikus sebességek "következményeit" mutatja be.
(A megfelelő gombokra kattintva az adott sebességét.)

A harmadik kozmikus sebességre már "közvetlenül" nem tudnánk felgyorsítani űreszközeinket jelenlegi technikánkkal, de (szerencsére) Földünk már eleve 30 km/s sebességgel rója köreit a Nap körül, ezért - ebben az irányban, már csak egy "kicsit" kell gyorsítani. Ilyen sebességek eléréséhez azért nem kis energia szükséges. (Nem véletlenül olyan nagyok az űrrakéták.)
Öveges
tanár úr szemléletesen mutatja be a szökési sebesség kiszámítását a Fizika blokk a Kiszámítjuk, hogy mekkora sebességet kell adni az űrrakétának, hogy örökre elhagyja a Földet részében.

Egy kilogrammnyi tömeg szökési sebességre (második kozmikus sebesség) gyorsításához 6 millió méterkilogrammsúly (58,84 millió joule) energia szükséges.

Egy kilogrammnyi tömeg a fénysebesség századára gyorsításához 1,5x1014 J energia szükséges. (Ez több, mint az első ledobott atombomba energiája volt!)

Ha mondjuk 3 főnyi személyzetet akarunk csak a "szomszédba", a Marsra juttatni, ahhoz is jókora tömegű űrhajó szükséges. A tervezett expedíció 5 vagy 6 fővel indul majd.

A tervezett Mars expedíció Föld körüli pályáról induló egysége

Magával kell vinnie az összes felszerelést:
- Az élet biztosításához szükséges anyagokat, eszközöket (oxigént, vizet, élelmet, stb.). Több, mint két évre!
- Hajtóanyagot a fékezéshez, pályamódosításhoz és a visszatéréséhez!

Képzeljük el ugyanezt egy csillagközi utazás esetén.

Nem árt elgondolkodni a légkörön sem. Ez az, ami ápol 's eltakar, de az űrkutatást kissé megnehezíti.
A rakétának kb. 100 kilométeres magasságig úgy kell eljutnia, hogy a sűrű légkörön minél hamarabb átjusson, de azért ne túl gyorsan. Nagyobb sebességgel ebben a légtérben nem tölthet hosszabb időt sem az oda, sem a vissza úton, különben úgy jár, mint a Columbia (a képen).

Aztán itt van a gyorsulás kérdése. Az ember rövid ideig kibírja azt a néhány g-t, hosszabb ideig azonban legfeljebb 1 g-t, mert ezt már "megszoktuk". Vagyis a "relativisztikus sebességek" közelében történő utazás esetén már a felgyorsításhoz is jó hosszú idő szükséges.
Ha "kíméletesen" akarjuk az űrhajót felgyorsítani, vagyis mondjuk az említett 1 g-vel, akkor a fénysebesség 10%-ának eléréséhez több, mint egy hónap szükséges. A lassításhoz persze ugyanennyi.

Úgy tűnik tehát, hogy vannak korlátok bőven.

Az egyik - jelenlegi ismereteink szerint áthághatatlan - korlát a fénysebesség, de a fentiekből úgy tűnik, hogy az energia - számunkra - legalább ekkora korlát.

Pillanatnyilag megoldhatatlannak tűnik az űrhajósok sugárzások elleni védelme is.

Ha hosszabb ideig akarunk a földi légkörön, és mágneses téren kívül tartózkodni - márpedig pl. egy marsutazás esetén ez történne - akkor valamilyen hatékony védelmet kell kitalálni. Ráadásul olyat, ami lehetőleg nem nehéz, mert mondjuk ólomburok esetén elég nagy tömeget kellene gyorsítani (és lassítani).

Ezen kívül még rengeteg fizikai törvényt kell figyelembe venni az űrkutatásban, az űreszközök tervezése és kialakítása során, pályáik kiszámításakor, stb.
A kémiának is nagyon fontos szerepe van az űrkutatásban használt speciális anyagok (szerkezeti anyagok, üzemanyagok, stb.) kifejlesztésekor. Nagyon sok anyagot "köszönhetünk" az űrkutatásnak (pl. teflon, tépőzár, stb.). Egy részükkel foglalkozom a Különleges (tulajdonságú) anyagok című részben. Vannak köztük speciális fémötvözetek, kerámiák, műanyagok, kompozitok, stb.

 

 

Közeljövő

Jelenlegi eszközeinkkel még itt a közelben, a Naprendszeren belül sem utazgathatunk úgy, mint a filmekben.
Az anyagi forrásaink és kapacitásaink is végesek.
Ezért az elkövetkező néhány évtized űrkutatása, már elég jól körvonalazódott.

A filmekben könnyebben megy - hipertérugrás (Csillagok háborúja)

Néhány napja (2012. 09. 20.) olvastam, hogy a NASA foglalkozni akar a térugrás lehetőségeivel. Az persze még egyáltalán nem látszik, hogy mikor fogunk ilyen módon utazni.


A New Horizons űrszonda 2007. 01. 19-én indult el a Plútó felé és várhatóan 2015-ben ér oda.

Kezdetét vette az újabb holdprogram is. Talán 2018-ban ismét emberek indulnak a Holdra.

A NASA 2037-re tervezi expedícióját a Mars is űrhajósokkal.

A tervezett marsutazás jelentős vállalkozás.
Az út oda kb. 6 hónap, 18 hónapot ott kell tölteni, hogy ismét megfelelő (közeli) helyzetbe kerüljön a Mars és a Föld, és azután 6 hónap vissza.
Csak dehidratált élelmiszerből fejenként 500 kg-nyit kell vinni az útra, plusz sok tonnányi vizet, üzemanyagot, jelentős méretű leszálló egységet, életfenntartó rendszereket, orvosi eszközöket, stb.
A visszaindulás sem olyan egyszerű, mint a Holdról, hiszen a Mars közel Föld méretű.
Számos problémára kell még megoldást találni az indulásig.

Szóba került még néhány kisbolygó és a Mars holdjainak "felkeresése" is az elkövetkező évtizedekben.

A következő néhány évtized űrkutatási programja tehát már nagyvonalakban megtervezett. Ezek az expedíciók azonban még a "hagyományos" kémiai hajtóműveket alkalmazzák majd. Így is akad azonban bőven megoldandó probléma, még egy ilyen "közeli kiruccanáshoz" is.
A közeljövőben nem várható még a jelenleginél lényegesen nagyobb sebességek alkalmazása esetleg "térugrás". Ez még megmarad a sci-fi tárgykörében.

 

Távolabbi lehetőségek
(Daedalus terv, térhajtások)

A távolabbi lehetőségekhez már "sokkal komolyabb" hajtási módszereket (meg persze egyebeket) kell kidolgozni.

A "távolabbi" ezúttal térben és időben is értendő.
Jelenlegi technikánkkal gyakorlatilag esélytelen akár csak a legközelebbi csillagok felkeresése is.
A Voyager űrszondák mostanában hagyják el heliopauza határát. Emberi mértékkel hatalmas sebességük bizony meglehetősen ványadt kozmikus léptékben. (A fénysebességnek mindössze 0,0057%-ával haladnak). Ezzel a sebességgel röpke 74.000 év alatt érhetnénk el a legközelebbi csillagot.

Léteznek azonban már tervek a csillagközi utazásra is.
A Brit Bolygóközi Társaság már 1973-78-ban kidolgozta a Daedalus tervet, amely a csillagközi utazás realitását vizsgálta.

Az elképzelt Daedalus űrszonda
(Mérete akkora lenne, hogy az űrrepülőgép elférne a fúvókájában)

Az elképzelt, személyzet nélküli űreszközt deutérium-hélium-3 "mini fúziós robbanások" hajtanák a fénysebesség 12%-ával. Így a terv szerinti 6 fényévnyi távolságot (Barnard csillag) 50 év alatt tenné meg. (A "robbantgatás" megoldhatónak látszik, de a keletkező plazma "terelése" már nem olyan egyszerű. A jelenlegi fúziós kísérleteknél is az egyik fő gond a reaktor "bélés" elhasználódása.)

A további vizsgálatra alkalmasnak ítélt többi elképzelésnél még a megvalósíthatóság sem igazán vizsgálható legfeljebb a hitelességet lehet eldönteni.
Ide tartoznak
- térhajtások
(külső erőt használó lehetőségek).
Az elképzelések szerint a sebességnövelés energiaigénye ezeknél sokkal kisebb, mint a hagyományos hajtóművek esetén. A konkrét lehetőségek azonban ismeretlenek.
- űrben létező háttéranyag (pl. napszél, kozmikus háttérsugárzás, sötét anyag, sötét energia)
A megvalósíthatóság vizsgálata mellett azt is figyelembe kell venni, hogy - űrhajósok esetén - vissza is kell jönni. (Napszéllel szemben nehéz vitorlázni!)

Egy elképzelt "fényvitorlás", amely a Nap sugárnyomását használja ki az űreszköz gyorsításához.


 

Álmok
(warp, féregjáratok, űrlift)

A fénysebességnél gyorsabb utazás talán már az álmok közé sorolható.
Sokan hisznek a warp (térgyűrés) lehetőségében illetve a gravitációsan szinguláris pontok, az úgynevezett féregjáratok kihasználásán alapuló utazásban.
Jelenlegi ismereteink szerint ehhez elképesztően nagy energia szükséges, de az esetleges csillagászati előfordulások kutathatók.

Úgy tűnik az űrlift is az álmok kategóriájába került, mert a legutóbbi, megvizsgálandó lehetőségeket felsoroló, cikkben már nem is említették. Pedig nem régen, még nagyon sokat foglalkoztak vele. Aztán egyre inkább kiderült, hogy az egyetlen lehetséges "liftkötél" anyag a szén nanocső is csak elméletileg ilyen szilárdságú és csak "tökéletes szerkezet esetén". A gyakorlatban szinte biztosan tartalmazna hibákat, amelyek drasztikusan csökkentik szilárdságát. További probléma, hogy előbb-utóbb eltalálja valamilyen kozmikus sugárzás részecske és akkor már biztosan nem lesz "tökéletes szerkezete".
Ilyen magasságból pedig jó nagyot lehet esni, ha leszakad...

Az űrlift fantáziarajza

Úgy tűnik az én életemben már nem jutunk el még a szomszéd csillagig sem.
Persze az sem lehetetlen, hogy egy két évtizeden belül találunk valami "forradalmian új megoldást"...

Felhasznált irodalom