Kategorie
Kosmologia

Żagle magnetyczne

Żagle magnetyczne

W roku 1960 wizjoner i fizyk Robert Bussard opublikował jedną z najbardziej znanych rozpraw na temat podróży międzygwiezdnych. Zaproponował w niej rodzaj termojądrowego silnika strumieniowego, który zbierałby wodór w trakcie lotu, a następnie spalał go, by uzyskać ciąg, wykorzystując tę samą reakcję fuzji proton-proton, która powoduje, że Słońce świeci. Koncepcja Bussarda jest elegancka, a w dodatku wykorzystuje znane prawa fizyki. Ponieważ paliwo byłoby zbierane w trakcie lotu, odpada ograniczenie na masę, a statek mógłby przyspieszać w stałym tempie, zbliżając się asymptotycznie do prędkości światła.

Niestety, pojawiają się problemy. Jeden polega na tym, że reakcję proton-proton trudno jest podtrzymywać i przebiega ona powoli, tak więc spowodowanie zapłonu reaktora wykorzystującego to paliwo byłoby 20 razy trudniejsze, niż spowodowanie zapłonu reaktora wykorzystującego deuter-tryt, deuter-deuter lub deuter-hel 3, nad czym obecnie trudnią się naukowcy. W 1975 roku astronom Daniel Whitmire zaproponował, by usprawnić system, dodając węgiel jako katalizator i wykorzystując ten sam rodzaj syntezy węglowo-azotowo-tlenowej (CNO), która podtrzymuje proces fuzji protonowej w gorących gwiazdach. Podnosi to poziom reaktywności systemu do punktu, w którym jest tylko milion razy trudniejszy do odpalenia niż układ z deuterem. Jak widzimy, nawet z katalizatorem CNO reaktory wykorzystujące fuzję protonową pozostają niezwykle twardym orzechem do zgryzienia.

Inny problem wiąże się ze zbieranie paliwa. Ze względu na ogromne rozrzedzenie ośrodka międzygwiazdowego powierzchnia zbierająca musiałaby być olbrzymia, więc użycie mechanicznych środków odpada w przedbiegach. Jedyną sensowną opcją jest posłużenie się urządzeniem zbierającym, które wykorzystuje pole magnetyczne lub elektrostatyczne.

W 1988 roku inżynier Boeinga, Dana Andrews, zdecydowała się zrobić mały krok naprzód w projekcie Bussarda, proponując koncepcję, w której magnetyczny czerpak zbierałby jony wodoru z przestrzeni kosmicznej i wykorzystywał je jako paliwo w standardowym silniku jonowym, zasilanym pokładowym reaktorem jądrowym. Koncepcja ta wyeliminowała potrzebę stosowania reaktora fuzji protonowej, który występował w początkowym pomyśle Bussarda. Wydajność napędów jonowych, którymi obecnie dysponujemy, wyklucza możliwość użycia takiego systemu do podróży międzygwiezdnych, lecz na potrzeby misji międzyplanetarnych byłby on idealny. Jest jednak jeden problem. Według obliczeń Andrews opór, który czerpak stawiałby ośrodkowi międzygwiazdowemu, byłby większy niż ciąg silnika. Tak więc napęd okazałby się kompletnie bezużyteczny.

Mieszkałem kiedyś w Seattle i przyjaźniłem się z Andrews. Ponieważ mam dobrą orientację w fizyce plazmy, Andrews opowiedziała mi o swoim projekcie i problemach, które napotkała. W pierwszej chwili pomyślałem, że może znajdzie się wyjście, gdyż Andrews zastosowała kilka niekorzystnych w takiej sytuacji przybliżeń, by wyliczyć opór plazmy. Razem napisaliśmy program komputerowy, by obliczyć opór z większą dokładnością. Niestety, okazało się, że prawidłowo wyliczony opór jest jeszcze większy, niż Andrews początkowo przypuszczała. W takiej sytuacji zaproponowałem, by zrezygnować zupełnie z silników jonowych i spróbować zmaksymalizować opór zamiast go minimalizować -po to, by wykorzystać pole magnetyczne nie jako czerpak, lecz jako żagiel. W ten sposób uzyskalibyśmy siłę napędzającą statek – dynamiczne ciśnienie wiatru słonecznego, plazmy płynącej od Słońca. Andrews zgodziła się ze mną i wróciliśmy do stołu kreślarskiego z nowym pomysłem. Tak narodził się żagiel magnetyczny.

Pomysł był na czasie. W roku 1987 profesor Ching Wu (Paul) Chu z Uniwersytetu w Houston wynalazł pierwsze wysokotemperaturowe nadprzewodniki, materiały zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego bez stawiania oporu i działające w sensownych temperaturach (poprzednio jedyne znane nadprzewodniki funkcjonowały tylko w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego). Żagiel magnetyczny mógłby wykorzystać nadprzewodniki do wytworzenia silnego pola magnetycznego, które odbijałoby wiatr słoneczny, w ten sposób napędzając statek. Gdyby udało się wyprodukować przewody z materiału nadprzewodzącego w wysokich temperaturach, które przewodziłyby prąd o takim samym natężeniu jak najlepsze dostępne obecnie nadprzewodniki niskotemperaturowe (około miliona amperów na centymetr kwadratowy), żagle magnetyczne mogłyby osiągać pięćdziesięciokrotnie większy stosunek ciągu do masy niż żagle słoneczne, które obecnie jesteśmy w stanie produkować (grubości 10 mikrometrów). (Gdy piszę te słowa, dostępne są wysokotemperaturowe nadprzewodniki osiągające 20% możliwości nadprzewodników niskotemperaturowych). Chociaż ciąg żagla magnetycznego jest zawsze skierowany od Słońca (w odróżnieniu od żagla słonecznego, który dzięki użyciu luster może uzyskać ciąg pod wieloma kątami), udało mi się wyprowadzić równania dowodzące, że przy ich wykorzystaniu da się bez większych problemów przemieszczać w dowolne regiony Układu Słonecznego. Maksymalna prędkość statków napędzanych wiatrem słonecznym wynosi 500 km/s, czyli tyle, ile prędkość wiatru słonecznego, a praktycznie udałoby się zapewne osiągnąć połowę tej prędkości. Zarówno jedna, jak i druga prędkość jest zbyt mała jak na podróże międzygwiezdne. Andrews wzięła jednak pod uwagę kilka nietypowych koncepcji napędu, w tym popychanie żagla magnetycznego za pomocą bomb plazmowych (Mag Orion) i wiązek naładowanych cząstek, co wygląda obiecująco.

Niemniej najbardziej interesującą i najważniejszą rzeczą, jeżeli chodzi o żagle magnetyczne, jest nie to, do jakiej prędkości mogą one rozpędzić statek, lecz to, iż są w stanie również go wyhamować. Żagiel magnetyczny to idealny hamulec w misjach międzygwiezdnych! Niezależnie od tego, jak szybko porusza się statek, jedyne co musi zrobić, by wyhamować, to rozłożyć żagiel magnetyczny i skierować go w odpowiednią stronę. Opór ośrodka międzygwiazdowego zrobi resztę. Zupełnie tak, jak w wypadku spadochronu rozwijanego przy hamowaniu samolotu: im szybciej statek się porusza, tym więcej „wiatru” odczuje w żaglu i tym skuteczniej system zadziała.

Żagiel magnetyczny jest więc brakującym składnikiem wyposażenia statku wykorzystującym laserowo napędzany żagiel słoneczny. A jeśli do rozpędzenia statku zostaną użyte rakiety termojądrowe (lub jakiekolwiek inne), wykorzystanie żagla magnetycznego do hamowania oznacza, że nie potrzebujemy do tego ani grama paliwa. Cała dostępna AV może zostać wykorzystana do przyspieszenia statku, nie trzeba martwić się o hamowanie. W rezultacie statek wykona swą misję dwukrotnie szybciej.

W lotach międzygwiezdnych hamowanie to połowa bitwy. Ta połowa została już wygrana.

Dodaj komentarz

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