Astronautika: misije

Većina od gotovo 4300 vansolarnih planeta za koje znamo jesu super-Zemlje i mini-Neptuni, dve vrste svetova koji ne postoje u našem solarnom sistemu. Super-Zemlje su, kao što ime kaže, kamenite planete veće od naše planete (s poluprečnikom između jednog i dva puta većeg od Zemljinog). Ova vrsta egzoplaneta možda je najprikladnija za život u čitavoj galaksiji. Super-Zemlje imaju veću gravitaciju i, verovatno, veću vulkansku aktivnost tokom dužeg vremena, što bi omogućilo gustu atmosferu eonima. Intenzivnija unutarnja aktivnost takođe bi uticala na tektoniku ploča i intenzivnije magnetno polje, što bi pomoglo očuvanju životnih uslova planete na duži period. Iz tih razloga ti su svetovi klasifikovani kao super-nastanjivi. Ali, sa pozicije tehnoloških civilizacija, jesu li super-Zemlje najprikladnije za lansiranja u kosmos?

1
Selfi sa jedne od komšijskih super-Zemlji.

Ovaj zanimljivi problem je u članku objavljenom pre dve godine analizirao danski naučnik dr Michael Hippke i zaključio da bi 'super-zemaljci' imali puno problema da dođu do kosmosa. Za razumijevanje ovog pitanja moramo da znamo dve vrlo poznate formule. Prva je ona koja nam daje proračun brzine bega, jednostavna formula koja se izvodi iz izraza gravitacione potencijalne energije i očuvanja mehaničke energije. Ova mala formula nam govori o tome koju minimalnu brzinu moramo da dostignemo da bismo ostavili iza sebe gravitacioni bunar nebeskog tela ako želimo da istražimo što se nalazi iza.

f1
Formula za proračunavanje brzine beza.

Druga formula ima veze s poznatom raketnom jednačinom Ciolkovskog, izrazom koji nam daje odnos između početne i konačne mase rakete kao funkcije brzine gasova motora.

f2
Proporcija između početne i krajnje mase rakete u zavisnosti od brzine bega i brzine ispusnih gasova motora (Hippke).

Na Zemlji, dobro je poznato da je brzina bega oko 11 km/s. To je minimalna brzina koju moramo da postignemo da bismo istražili druga tela Sunčevog sistema. Suprotno onome što mnogi misle, ako postignemo brzinu bega, nećemo se zauvek udaljavati od Zemlje brzinom od 11 km/s. Jedino što ćemo postići jeste da ćemo ostati u nezavisnoj orbiti oko Sunca. Ako želimo da putujemo i do drugih planeta, moramo da brzini bega dodamo brzinu potrebnu za postizanje do njih, pojam koji se naziva hiperbolički višak brzine. Zbunjuje to što se lako zaboravlja da se nismo suočeni samo s problemom s jednim nebeskim telom, već moramo da uzmemo u obzir i Sunce. Dostizanje Zemljine brzine bega bi trebalo da nas stavi na hiperboličnu putanju u odnosu na Zemlju, ali budući da se nalazimo u Sunčevom sistemu mi zapravo ostajemo u eliptičnoj orbiti oko Sunca. Kao poseban slučaj, tehnički za putovanje na Mesec nije potrebno postići brzinu bega, već je dovoljno smestiti naš brod u vrlo izduženu eliptičnu orbitu. Međutim, razlika u brzini je vrlo mala, te se često smatra da su lunarne misije 'Apolla' morale da dostignu tu brzinu.

Što je s super-Zemljama? Uzmimo za primer Kepler-20b, super-Zemlju, poluprečnika 1,87 Zemljinog i masom koja je približno desetak puta veća od naše planete. Kepler-20b nije nastanjiv svet, ali služi kao primer ove vrste egzoplaneta jer se iznad dimenzija Keplera-20b većina svetova smatra mini-Neptunima, a ne super-Zemljama. Stoga bi brzina bega raketom sa Keplera-20b bila oko 27 km/s. Kakve implikacije ovaj broj ima na hipotetična kosmička putovanja?

Razlika se ne čini preteranom, ali imajte na umu da se u jednačini Ciolkovskog odnos između konačne i početne mase rakete – a time i potrebne mase goriva – povećava eksponencijalno u odnosu na konačnu brzinu koju želimo da postignemo. Da stvari pojednostavimo, zamislimo najpre jednostepenu raketu (SSTO) s hemijskim pogonskim sistemom. Efikasnost pogonskog sistema se izražava specifičnim impulsom (Isp), veličinom proporcionalnom brzini čestica izduvnih gasova, i za kriogeni hemijski motor (tekući vodonik i kiseonik) iznosi oko 350 sekundi na nivou mora.

2
'Jupiter III'
, divovska fantastična (i hemijska) raketa. Plan je da ima dva šatlova tanka + 4 SRB-a + 5 motora J2-X (poboljšan II stepen 'Saturna V') + RS-100 samo u prvom stepenu! Sposobna je da ponese između 200 i 500 t u LEO, ili 160 t ka Mesecu ('Saturn V' 47 t, 'Ares V' 64,8 t).

Primenjujući jednačinu Ciolkovskog, dobijamo da jednostepena raketa na Zemlji mora da ima odnos 26 između početne i konačne mase ako želi da postigne brzinu bega. Odnosno, za svaki kg konačne težine – ili korisnog tereta – mora da ponese 26 kg goriva. Za super-Zemlju kao što je Kepler-20b, taj je odnos iznosi 2700. Naravno, ovo je samo idealna donja granica. U stvarnosti, rakete imaju strukturu bez nule, a motori imaju trenutne potiske koji pogoršavaju njihove performanse, zbog čega se višestupanjski lanci koriste za postizanje konačne brzine. Tako većina raketa zapravo ima odnos između početne i krajnje mase sa vrednošću između 50 i 150 (za velike rakete uobičajene vrednosti su između 70 i 80).

Ako pretpostavimo odnos od 80 između početne i krajnje mase rakete, na super-Zemlji bi nam trebala raketa od više od 9000 tona pri lansiranju da bismo samo tonu korisnog tereta postavili na trajektoriju bega. To znači da bi raketa trebala da ima masu tri puta veću od mase 'Saturna V'. Naravno, jedna tona ne znači puno. Ako želimo da lansiramo nešto profitabilnije, poput 6,2-tonskog kosmičkog teleskopa 'James Webb', morali bismo da izradimo raketu s minimalnom lansirnom masom od 55.000 tona (radi poređenja, 'Titanic' je imao težinu od oko 50.000 tona).

Šta ako su superzemaljci želeli da otputuju na hipotetički Mesec? Uzmemo li 45 tona tereta koje je 'Saturn V' mogao da podigne na lunarnu trajektoriju kao referencu, govorimo o raketi mase većoj od 400.000 tona (imajte na umu da ovde nismo uzeli u obzir težinu takvog čudovišta na površini super-Zemlje, nešto što zavisi od gustine planete, i što bi moglo da bude između jedne i tri puta veće mase od one na Zemlji).

Dakle, super-Zemlje mogu biti super nastanjivi svetovi, ali bi njihovi stanovnici bili zarobljeni na njihovoj površini, bez mogućnosti da ne samo putuju na druge svetove, već možda čak i lansiraju meteorološke, komunikacione ili naučne satelite u orbitu. A u stvarnosti je situacija možda još gora, jer ne zaboravljamo da super-Zemlje moraju imati, u proseku, gušće atmosfere od nas. Što je gušća atmosfera, to su slabije radne karakteristike motora, jer će izduvni gasovi biti usporeni okolnim vazduhom, a da ne pominjem trenje u početnim fazama leta. Neki koje znam se sigurno pitaju ne bi li bilo moguće koristiti neke druge pogonske sisteme osim hemijskih motora. Očito da superzemaljci ne bi imali drugog izbora nego da pribegavaju drugim sistemima, ali to ne bi bilo lako. Nuklearni termički motori (NTP) teško bi omogućili smanjenje težine raketa (ti motori imaju relativno visok Isp u vakuumu, ali na nivou mora preimućstva su im vrlo slična onim hemijskim), tako da bi jedina održiva opcija bila impulsni nuklearni motori kao u projektu 'Orion'[1]. Drugim rečima, oni bi trebali da koriste nuklearno oružje za izlazak u kosmos, alternativu s očiglednim nedostacima s gledišta zaštite okoline. Moždab bi mogli da koriste i kosmički lift, ali prvo moraju da dođu do kosmosa da bi ga izgradili, tako da ne mislim da je to kratkoročno održiva opcija, iako je dugoročno verovatno jedina…

3
Nuklearni impulsni brod tipa 'Orion'.

Pa živimo li onda na najboljem svetu za svemirska putovanja? Očito bi jedan manji svet poput Marsa bio bolji, ali već znamo kako je završila Crvena planeta. Vrlo male planete su pogodnije za pristup svemiru, ali mogu da izgube atmosferu i status nastanjivosti nakon samo nekoliko milijardi godina. Ali jedno je sigurno – Zemlja je bolja od super-Zemlje.

 4

 

Reference:

 

[1] Nikolaj Ivanovič Kibalčič, matematičar, za koga se priča da je potomak starih Trebješana, iz Nikšića. Kibalčič je rođen 1853. u verskoj pravoslavnoj porodici u Černogorsku – Ukrajina, a njegovi izumi su korišćeni u raketnoj industriji SSSR-a. Smatraju ga jednim od najvećih matematičih umova u istorji čovečanstva. Smrtna kazna mu je izrečena zbog učešća u atentatu na ruskog cara Aleksandra II Romanova, jer je konstruisao bombu kojom je počinjen napad. Svoje jedino naučno delo, koje mu je i donelo slavu pionira raketnog pogona, Kibalčič je napisao u ruskoj tamnici, za 17 dana. Uzalud je genijalni 28-godišnjak molio da mu se život produži samo mjesec dana kako bi završio svoje proračune. Smrtna kazna je izvršena 1881. vešanjem. Danas jedan krater na Mesecu nosi njegoovo ime.

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Komentari   

Neđo
0 #4 Neđo 20-07-2020 09:53
Pa, s obzirom da je Sunce zvijezda srednje velicine, a ovdje pricamo o velikim kamenitim planetama, velike su sanse da i njihova zvijezda bude dosta veca od nase.

Ali, svakako, slazem se da mozda gledamo u skroz krivom smjeru. Moze nam se jednog dana desiti da dodju neki super zemljani i daju nam 'tocak' za medjuzvjezdana putovanja i jos iznevjeruju da ga do sad nismo izmislili vec 'vucemo teret po zemlji'.
ddragovic
0 #3 ddragovic 19-07-2020 09:19
Hvala momci na komentarima.
Svrha ovakvih textova je gimnastička.
Malo da razmrdamo mozak i shvatimo da je putovanje u kosmos jako složeno i zahtevno postizavanje.
Po mom mišljenju, stavljanje akcenta isključivo na masu (veličinu) i snagu (raketa/motora) je antopološki glič. 100% ima i drugačijih rešenja koja se tamošnjacima logično nameću. Naravno, ne treba odbaciti ni opciju da neko nema potrebu da leti u kosmos već to rešava daleko elegantnije - SF je ponudio puno ideja
Miki
0 #2 Miki 18-07-2020 12:12
Pa sada Neđo, kada se odmaknu od svoje planete, napuštanje njihovog zvezdanog sistema je identično kao i našeg, i zapravo zavisi od mase njihove matične zvezde, položaja planete u sistemu, i usputnih planeta za davanje ubrzanja...

Ali poneta teksta jeste da tako neki Super Zemljani, morajuu doći na daleko viši stupanj tehonološkog razvitka, da uopšte lansiraju npr. Sputnjik, ili telekomunikacio ni satelit.

Praktično, ovo je još jedna varijabla u Drejkovoj jednačini, manja od 1. :(
Neđo
0 #1 Neđo 17-07-2020 13:40
Dobro zapazanje. Pretpostavljam da kako se uvecavaju brojevi za drugu kosmicku brzinu, jos strasniji proracuni su za trecu, a tek cetvrtu.

Ali, sve to je opet poprilicno nevazno jer po ovome sto do sad znamo, hemijskim motorom necemo stici do druge zvijezde u nekom razumnom roku. Tako da cijeli proracun raketa postaje irelevantan.

Logicno je zakljuciti da zitelji neke takve super Zemlje ulazu i razvijaju iskljucivo neke druge nacine za pogon, isto kako mi recimo i ne pokusavamo da se otisnemo van nase planete zamahivanjem krila, tako da ce i oni tesko pokusavati sa ovim nezgrapnim raketama.

Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži