Ostatnia Granica #2

W poprzedniej części felietonu omówiłem podstawowe potrzeby wkroczenia ludzkości w kosmos. Ludzkość musi zacząć kolonizować kosmos inaczej wymrze. W jaki sposób będzie to jednak możliwe skoro koszty wystrzelenia na orbitę tylko szóstki astronautów idą w miliardy?

Na początki XVII wieku pionierzy emigrowali do Nowej Anglii za własne pieniądze. Podróż nie była tania, ludzie sprzedawali dorobek całego życia by za nią zapłacić. W zamian za jednostronny bilet wykwalifikowani rzemieślnicy, podpisywali kontrakty na wieloletnią, darmową pracę. Przy dzisiejszych warunkach rynkowych (średni miesięczny zarobek wykwalifikowanego pracownika w USA to 3500 dolarów) taka podróż wyniosłaby 300 tysięcy dolarów od osoby*1. Przewyższa to co prawda rozsądną cenę za zwykła podróż, ale dla zdeterminowanego kolonisty który porzuca wszystko by zacząć od nowa całe życie to stosunkowo nie dużo.

Niemniej jeśli popatrzymy na dzisiejsze sztandary i koszty lotów w przestrzeń to śmieszna cena. Jeden start promu kosmicznego to wydatek ok 600 mln dolarów czyli 100 mln za wyniesienie na orbitę jednego członka załogi. Dużo? Wiec zejdźmy niżej wszak promy to pomysł za który twórcom powinno przyznać się IG Nobla (nad samym promem pastwił będę się za kilka akapitów). Omówmy zatem inny sposób dostarczenia nas w kosmos. Wyniesienie na orbitę 1 kilograma ładunku za pomocą rakiety jednokrotnego użytku kosztuje ok 10 tysięcy dolarów*2. Brzmi lepiej? Jednak jeśli dodamy do pasażera odrobinę bagażu podręcznego (łączna waga 100 kg) mamy już okrągły milion do wydania, a wynieśliśmy naszego przyszłego pioniera tylko na niską orbitę. Jeśli mielibyśmy wysłać go na Marsa ta metodą kolonista ze sobą musiałby zabrać ok 400 kg zapasów plus jeszcze warzący pół tony przedział pasażerski. Do tego należy doliczyć jeszcze 2x więcej niż wazy wynoszony na orbitę ładunek paliwo i mamy już 3 tony. Licząc 10 tysięcy dolarów za kilogram nasz kolonista musiałby zapłacić 30 milionów dolarów – 100 razy więcej niż XVII kolonista. Dlaczego?

Dzieje się tak z prostego powodu. Koszt wyniesienia na orbitę rakiety i ładunku jest absurdalnie wysoki. Nowoczesne rakiety napędzane mieszaniną naftowo-tlenowa potrafią wynieść na orbitę 1% swojej masy startowej – większość czyli 90% stanowi paliwo, reszta to sama rakieta. Koszt paliwa to ok. 70 centów za kilogram*3. Ponieważ paliwo stanowi 90 krotność ładunku koszt wyniesienia (licząc samo paliwo) 1 kilograma na orbitę to 63 dolarów. Zakładając, że cena rakiety jest 6 krotnie wyższa od ceny paliwa umieszczenie na orbicie kilograma ładunku wyniosłoby 378 dolarów. Czyli mamy ok. 38 tysięcy dolarów ale za całego kolonistę wraz z bagażem podręcznym. Brzmi rozsądniej?

Dlaczego wiec to wszystko jest takie drogie? Problem leży w samych początkach podboju kosmosu w okresie gdzie koszta nie grały roli, a zimna wojna trwała w najlepsze. Liczyły się tylko efekty i zdobywanie przewagi nad przeciwnikiem w wyścigu zbrojeń. Nie trudno dziwić się, że dostawcom sprzętu nie zależało na obniżaniu ceny. Ograniczona liczba startów rakiet nośnych prowadzi do wzrostu ich ceny (wszak producenci muszą zarabiać), a co za tym idzie zwiększeniem kosztu startów. Błędne koło, na złamanie którego mądre głowy z NASA do tej pory nie znalazły sposobu.

Koszty lotów winduje także to iż niemal wszystkie układy startowe to częściowo lub całkowicie środki jednorazowego użytku. Wyobraźcie sobie co by było gdyby zaraz po pierwszym locie złomowano każdy samolot rejsowy – kolejna kompletna bzdura i nielogiczność. Więc użyjmy systemów startowych wielokrotnego użytku (byle nie promy!) w czym problem?

Z punktu widzenia inżyniera istnieje wiele argumentów za tym by jednak latały systemy jednokrotnego użytku. Taka rakieta nie wymaga: urządzenia do lądowania, układu hamowania atmosferycznego oraz systemu ochrony termicznej. Dużo zbędnych kilogramów które trzeba wynieść na orbitę, a które można zamienić na dodatkowy ładunek. I najważniejsze układ jednorazowego użytku jest znacznie prostszy i co za tym idzie wymogi techniczne jaki4 musi spełniać są mniej rygorystyczne. Na przykład silnik projektuje się tak by wytrzymał i przetrwał tylko JEDEN start, a nie kilkadziesiąt. Nie potrzeba całego zaplecza technicznego, setek wykwalifikowanych pracowników obsługi naziemnej i ton sprzętów zamiennych. Dodatkowo na plus jednorazowych rakiet działa też ekonomia produkcji masowej. Im więcej mamy startów tym więcej sprzętu zużywamy tym mniejsza jest cena jednej rakiety. Wszystko się opłaca do pewnego momentu.

Nośniki wielokrotnego użytku maja sens w momencie gdy ilość roczna lotów idzie w setki, tak aby personel naziemny miał co robić cały rok i by części zamienne były produkowane w dużych ilościach (części zawsze będą tańsze niż cała nowa rakieta). Niestety chluba NASA – promy kosmiczne – nigdy nie spełnia tych warunków. Powodem jest ich duża awaryjność oraz to, że zostały zaprojektowane odwrotnie.

Wahadłowiec jest w istocie dwustopniową rakietą ziemia orbita i to odzyskiwaną ale tylko częściowo. Dolne stopnie – dwie rakiety nośne oraz gigantyczny zbiornik – nie są odzyskiwane. Na ziemie w jednym kawałku powraca tylko sam prom. Z punktu widzenia inżynierii jest to dokładna odwrotność projektowania systemów nośnych wielokrotnego użytku. Dlaczego? Ponieważ stopnie dolne są wielokrotnie bardziej masywne od stopni górnych. Wiec jeśli projektujemy coś co ma być częściowo odzyskiwane powinien być to dół, którego koszty budowy są znacznie większe niż góry – opłaca się by był on przynajmniej kilkukrotnie użyty. Dodatkowo niższy stopień leci znacznie niżej (nieco ponad granice atmosfery) i znacznie wolniej niż górny stopień, przez co jest poddawany mniejszym naprężeniom i temperaturze przy wchodzeniu w atmosferę. Na koniec, utrata nośności przy dodaniu rzeczy niezbędnych przy powrocie jest mniejsza jeśli damy je w dolnym stopniu. Na przykład w typowej rakiecie dwustopniowej każdy dodatkowy kilogram masy dolnego członu zmniejsza masę ładunku górnego o jakieś 0.1 kilograma. Natomiast dodatkowy kilogram górnego członu to mniejszy o kilogram ładunek. Dzięki podwoziu, skrzydłom, urządzeniom do lądowania, osłonom termicznym – które nie są potrzebne w kosmosie – prom zabiera kilkadziesiąt ton mniej ładunku. Na nasze szczęście te „cuda”techniki przestały wreszcie latać jest szansa ze przyparta do muru kryzysem gospodarczym NASA skonstruuje coś bardziej ekonomicznego.

Pozostaje pytanie dlaczego wiec zaprojektowano i wdrożono promy? Z jednej prostej przyczyny: prom kosmiczny miał utrzymać NASA po skasowaniu programu Apollo. Dzięki wycieczkom na Księżyc NASA stała się gigantyczną agencją rządowa zatrudniającą tysiące ludzi dla których trzeba było znaleźć jakieś zajęcie. Prom kosmiczny okazał się idealnym wyjściem.

Bezpośrednim wynikiem takiej polityki jest kolejny znak stop w planach podboju kosmosu – międzynarodowa stacja kosmiczna (ISS). Najprostszym i najlepszym sposobem na skonstruowanie stacji kosmicznej jest budowa dostatecznie dużej rakiety i wystrzelenie za jej pomocą już gotowej stacji. Proste, przyjemne szybkie a na dodatek prawie niezawodne. Zadziałało to już raz w wypadku Skaylaba dlaczego wiec nie zadziałało drugi raz? Administracja oraz szefowie programu wyszli z założenia, że nie po to mają promy by rdzewiały nieużywane (nigdy nie było aż tak dużego manifestu ładunków by wszystkie promy mogły choć kilka razy do roku lecieć). Więc wysłano promy na dziesiątki misji. Koszty budowy stacji wraz z każdym lotem wahadłowca zaczęły rosnąc w górę by osiągnąć niebotyczne rozmiary 100 miliarda dolarów.

Z całość kosztów jakie poniesiono przy budowie ISS moglibyśmy mieć wspaniałą platformę do wystrzeliwania ciężkich rakiet i sam projekt tychże, zamiast jednej kilka stacji i w perspektywie silne podstawy do załogowego lotu na Marsa. A mamy na orbicie kosztownego potworka który pozwolił przetrwać finansowej piramidzie jaka stała się NASA i jej pokrewne agencje kosmiczne. Status quo z lat siedemdziesiątych został utrzymany, w podboju kosmosu nie poruszyliśmy się ani o krok do przodu.

Jak widać absurdalnie wysokie koszty działalności ludzi w kosmosie mają niewiele wspólnego z rzeczywistością i prawami fizyki. Należy wiec postawić pytanie co nas może wyciągnąć z regresu? Jedna rzeczy. Zwiększenie manifestu ładunków wynoszonych na orbitę. Agencje rządowe w żadnym stopniu nie pala się do tego. W końcu nie ich szefów ani polityków pieniądze są łożone na każdy lot więc jeśli ciąć koszty to tylko przez zmniejszanie ilości lotów, a nie ich ceny.

Jeśli mamy przeistoczyć się w cywilizacje typu drugiego i wyrwać się z Ziemi musi powstać rynek dla nowych technologi rakietowych. Pomóc może jedynie sektor prywatny. Ale dlaczego miałby chcieć inwestować w rakiety, o tym opowiem w kolejnym odcinku.

1. Dlaczego biorę pod uwagę USA, gdyż jak na razie to jedyny kraj który ma technologiczne możliwości stworzenia bazy pod zakrojoną na szeroką skale eksploracjo kosmosu. A także korzystam z amerykańskich źródeł.
2. S. Isakovitz Space Launch System – American Instytute of Aeronautic.
3. http://www.colonyfund.com/Reading/papers/phys_econ_leo.html