Kategorie
Kosmologia

Koszty lotów kosmicznych

Mówię o potrzebie wkroczenia w kosmos, o ludzkości kolonizującej przestrzeń kosmiczną. W jaki sposób jest to jednak możliwe? Kiedy na początku XVII wieku pionierzy emigrowali do Nowej Anglii, sami płacili za transport. Podróż nie była tania: przedstawiciele klasy średniej sprzedawali dorobek swojego życia, by za nią zapłacić. W zamian za jednostronny przejazd wykwalifikowani rzemieślnicy często zawierali umowy na siedem lat darmowych prac. Przy dzisiejszych warunkach rynkowych taka wyprawa w jedną stronę miałaby cenę około 300 tysięcy dolarów od osoby. Suma ta przekracza w znacznym stopniu to, co rozumiemy przez rozsądną cenę za zwykłą podróż, ale dla zdeterminowanych kolonistów, gotowych zaryzykować wszystko dla jednej szansy na rozpoczęcie nowego życia, było to, i jest, stosunkowo niedużo. Niemniej w porównaniu z kosztami dzisiejszych podróży kosmicznych siedemnastowieczne wyprawy były bardzo tanie.

Wyniesienie na orbitę promu kosmicznego z sześcioosobową załogą kosztuje około 600 milionów dolarów. Wychodzi 100 milionów dolarów za osobę. Niektórzy mogą stwierdzić, że prom kosmiczny to zły przykład, gdyż nawet przy dzisiejszych standardach rynkowych jest on zbyt drogi. Omówmy zatem inny. Wyniesienie w przestrzeń kosmiczną jednego kilograma ładunku przy użyciu nowoczesnych rakiet jednokrotnego użytku kosztuje około 10 tysięcy dolarów.

Jeśli ktoś zdecydowałby się na podróż rakietą jednokrotnego użytku, koszt wystrzelenia takiego pasażera z minimalnym obciążeniem (w sumie 100 kilogramów) wyniósłby milion dolarów. Jednakże koszt ten obejmuje tylko podróż na niską orbitę okołoziemską. Aby dotrzeć do jakiegoś nowego świata, dajmy na to na Marsa, pasażer powinien zabrać ze sobą 400 kilogramów zapasów. Ponadto należy doliczyć przedział pasażerski w statku międzyplanetarnym, mający masę około 500 kilogramów. Aby zatem podróż mogła dojść do skutku, z niskiej orbity okołoziemskiej (low Earth orbit, czyli LEO) na Marsa musiałby zostać przetransportowany ładunek o masie 1000 kilogramów, co wymagałoby około 2000 kilogramów materiału napędowego. Rakieta powinna udźwignąć w sumie 3000 kilogramów. Cena biletu wyniosłaby w tym wypadku 30 milionów dolarów, czyli jakieś 100 razy więcej, niż płacili pionierzy w XVII wieku. Trudno sobie wyobrazić, jak przy takich kosztach kolonizacja międzyplanetarna może się posuwać naprzód.

Dzisiejsze koszty wyniesienia rakiety i jej ładunku na orbitę są jednak absurdalnie wysokie. Energia wymagana do umieszczenia kilograma na orbicie okołoziemskiej to 32 miliony dżuli, czyli 9 kilowatogodzin. Przy obecnych cenach elektryczności w Stanach Zjednoczonych energia ta mogłaby być dostarczona linią wysokiego napięcia za 45 centów – co wskazywałoby, że nasz stukilogramowy pasażer powinien dotrzeć na orbitę za cenę około 45 dolarów! Przykład ten jest zbyt uproszczony, ponieważ nie bierze się w nim pod uwagę energii potrzebnej do wyniesienia na orbitę pojazdu przewożącego pasażera. Dlatego przeanalizujmy inny przypadek. Zakładając, że ciężar pasażerów sięga 10% masy samolotu, a współczynnik doskonałości aerodynamicznej samolotu równy jest 10, energia wymagana do przetransportowania stukilogramowego pasażera na odległość 5000 kilometrów – na przykład z Nowego Jorku do Paryża -wyniosłaby 5000 milionów dżuli, czyli blisko 50% więcej, niż 3200 milionów dżuli, potrzebnych, by wynieść pasażera na orbitę. Gdy piszę te słowa, cena podróży samolotem transatlantyckim w jedną stronę wynosi około 300 dolarów. Analogia ta sugeruje, że koszty lotu na orbitę mogłyby zamknąć się w granicach 200 dolarów.

Powyższy przykład jest nadal zbyt wielkim uproszczeniem. Samoloty pobierają większość paliwa (utleniacz) z powietrza, podczas gdy rakiety muszą zabierać cały materiał napędowy (paliwo oraz utleniacz), co znacznie obniża ich nośność. Wprawdzie istnieje możliwość wynoszenia ładunków w przestrzeń kosmiczną na pokładzie rakiet używających odrzutowych silników strumieniowych, są one jednak bardzo złożone i niedostatecznie rozwinięte. Musimy więc założyć, że współczesne rakiety to jedyna dostępna metoda podróży na orbitę. Nowoczesne rakiety, jak na przykład napędzany mieszaniną naftowo-tlenową Atlas, mogą dostarczyć około 1% swojej masy startowej na orbitę – większość (jakieś 90%) pozostałej masy to paliwo. Koszt naftowo-tlenowej mieszaniny pędnej (w proporcjach 1:3) sięga 20 centów za kilogram. Ponieważ paliwo spalane podczas startu ma masę 90 razy większą od ładunku, koszt wyniesienia kilograma ładunku na orbitę wyniesie 18 dolarów. Zakładając, że cena rakiety nośnej jest sześciokrotnie wyższa od samego paliwa (dwukrotnie więcej niż stosunek koszt/paliwo w samolotach), umieszczenie kilograma ładunku na orbicie okołoziemskiej kosztowałoby około 100 dolarów, czyli 10 tysięcy dolarów w wypadku stukilogramowego pasażera. Nie istnieje zasadniczo żaden powód, dla którego ceny lotów w przestrzeń kosmiczną nie mogłyby się zamknąć w tej granicy.

Widzimy więc, że absurdalnie wysokie koszty działalności w kosmosie mają niewiele wspólnego z prawami fizyki czy inżynierią. Skąd w takim razie biorą się tak astronomiczne ceny dzisiejszych podróży kosmicznych i jak możemy temu zaradzić? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy rzucić okiem na historię, technikę i osobliwy charakter przemysłu kosmicznego.

Wysokie ceny lotów kosmicznych może tłumaczyć to, że pierwsze układy startowe zostały opracowane w warunkach, w których koszty nie grały roli. Stało się to prawidłowością od czasów, gdy Wemher von Braun wykorzystał priorytety drugiej wojny światowej, aby czerpać z bogatych zasobów finansowych niemieckiego Wehrmachtu i ot rzymać olbrzymie środki na stworzenie imperium technicznego, które opracowało rakietę V-2. Była to pierwsza duża rakieta napędzana ciekłym paliwem i odegrała rolę protoplasty wszystkich późniejszych układów startowych. Po zakończeniu drugiej wojny światowej członkowie zespołu von Brauna połączyli się z naukowcami w Stanach Zjednoczonych oraz w Związku Radzieckim, aby wykorzystać porównywalne priorytety zimnej wojny i zmobilizować nieograniczone fundusze na rozwój międzykontynentalnych zbrojnych rakiet balistycznych dla dwóch supermocarstw. Rakiety, do których należą Redstone, Thor-Delta, Atlas i Tytan, posłużyły później do wyniesienia na orbitę pierwszych satelitów oraz astronautów. W wyścigu zbrojeń koszty nie grały roli. Nie trudzono się więc ich obniżaniem.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *