1936. október 31-én hat fiatal barkácsoló, akiket a “Rakétafiúk” becenévre kereszteltek, majdnem elhamvasztották magukat, amikor megpróbáltak kiszabadulni a Föld gravitációjából. A csoport a kaliforniai San Gabriel-hegység lábánál húzódott meg egy szakadékban, hogy kipróbáljanak egy kis, alkoholos üzemanyaggal működő sugárhajtóművet. Be akarták bizonyítani, hogy a rakétamotorok képesek az űrbe merészkedni, akkoriban, amikor az ilyen ötleteket széles körben nevetség tárgyává tették. Ez a cél meghiúsult, amikor egy oxigénvezeték kigyulladt, és vadul csapkodott, lángokat lövellve.
A Rocket Boys merészsége felkeltette Theodore von Karman aerodinamikus figyelmét, aki már kettejükkel együtt dolgozott a Caltech-en. Nem messze a tüzes balesetük helyszínétől létrehozott egy kis tesztterületet, ahol a Rakétafiúk folytatták kísérleteiket. A helyszín 1943-ban lett a Jet Propulsion Laboratory (JPL), von Karman pedig az első igazgatója. A JPL azóta több ezer alkalmazottat foglalkoztató, kiterjedt NASA terepközponttá nőtte ki magát, mégis sikerült megőriznie alapító motivációját: a felfedezés határainak tesztelése, a konvenciókat félretéve.
Az évek során számos sikert értek el. Az 1970-es évek elején a JPL mérnökei megépítették a Pioneer 10-et, az első űrszondát, amely elérte a Naprendszerből való kilépési sebességet. Néhány évvel később a Voyager 1 és 2 követte őket, a leggyorsabbak a csillagközi teret megcélzó számos objektum közül. Az űrkorszak kezdetétől a Voyager űrhajók indításáig – mindössze két évtized alatt – a rakétatudósok több mint kétszeresére növelték a repülési sebességet. Az azóta eltelt évtizedekben azonban csak egyetlen további űrhajó követte a Voyagereket a Naprendszerből, és egyik sem tette ezt ilyen nagy sebességgel. Most a JPL rakétamérnökei ismét nyugtalankodnak, és csendben tervezik a következő nagy ugrást.
Az új erőfeszítések következetes témája, hogy a Naprendszer nem elég. Itt az ideje, hogy az ismert bolygókon túlra, a csillagok felé merészkedjünk. John Brophy, a JPL repülésmérnöke olyan újszerű hajtóművet fejleszt, amely további tízszeresére gyorsíthatja az űrutazást. Leon Alkalai, a JPL küldetés-tervezője egy olyan távoli utazást tervez, amely egy valószínűtlen, Ikarusz-szerű zuhanással kezdődne a Nap felé. A JPL kutatójának, Slava Turyshevnek pedig talán a legvadabb ötlete van: egy olyan űrteleszkóp, amely egy távoli, Föld-szerű bolygóra vethetne intim pillantást – anélkül, hogy ténylegesen odamennénk.
Ezek mind távoli elképzelések (Brophy szerint nem teljesen őrültségek), de ha akár csak egy is sikerül, a következmények óriásiak lesznek. A Rocket Boys és társaik segítettek elindítani az embereket, mint űrhajós fajt. A JPL jelenlegi generációja lehet az, amelyik csillagközi pályára visz minket.
Rocket Reactions
Brophy számára az inspirációt a Breakthrough Starshot, a néhai Stephen Hawking és az orosz milliárdos Jurij Milner által 2016-ban bejelentett, extravagánsan merész projekt adta. A projekt végső célja egy mérföld széles lézercsoport megépítése, amely egy miniatűr űrhajót a fénysebesség 20 százalékára tudna felrobbantani, lehetővé téve számára, hogy mindössze két évtized alatt elérje az Alfa Centauri csillagrendszert (a legközelebbi csillagszomszédunkat).
Brophy szkeptikus volt, de kíváncsi. Az ambiciózus törekvések nem újdonságok számára. “A JPL arra ösztönzi az embereket, hogy gondolkodjanak a kereteken kívül, és az én őrült ötleteim idővel egyre őrültebbek lesznek” – mondja. A Starshot koncepciója még ezzel a mércével mérve is túlságosan távolinak tűnt számára a technológiai valóságtól. De elkezdett azon gondolkodni, hogy vajon nem lehetne-e ugyanazt a koncepciót úgy lekicsinyíteni, hogy még a mi életünkben megvalósítható legyen.
Ami különösen megragadta Brophyt, az az az ötlet, hogy egy Starshot-stílusú lézersugár segítségével kezeljék a “rakétaegyenletet”, amely az űrhajó mozgását a benne lévő hajtóanyag mennyiségével kapcsolja össze. A rakétaegyenlet minden leendő űrkutatót szembesít kegyetlen logikájával. Ha gyorsabban akarsz menni, több üzemanyagra van szükséged, de a több üzemanyag növeli a tömeget. A nagyobb tömeg azt jelenti, hogy még több üzemanyagra van szükség a plusz tömeg elszállításához. Ez az üzemanyag még nehezebbé teszi az egészet, és így tovább. Ezért volt szükség 1,4 millió kilós rakétára az 1800 kilós Voyager-szondák indításához: A kiindulási súly majdnem teljes egészében üzemanyag volt.
Az 1970-es évek végi egyetemi tanulmányai óta Brophy egy sokkal hatékonyabb rakétatípust, az úgynevezett ionhajtást fejlesztette ki. Az ionhajtómű elektromos energiát használ arra, hogy pozitív töltésű atomokat (úgynevezett ionokat) lőjön ki nagy sebességgel egy hajtóműből. Minden egyes atom csak egy apró lökést ad, de együttesen sokkal nagyobb sebességre tudják lökni a rakétát, mint egy hagyományos kémiai rakéta. Még jobb, ha az ionhajtómű működtetéséhez szükséges energiát napelemekből nyerjük – nincs szükség nehéz fedélzeti üzemanyagtartályokra vagy generátorokra. Azáltal, hogy kevesebb hajtóanyagból nagyobb sebességet présel ki, az ionhajtás hosszú utat tesz meg a rakétaegyenlet megszelídítése felé.
Az ionhajtóműveknek azonban megvannak a maguk hátrányai. Minél távolabb kerülnek a Naptól, annál jobban korlátozza őket, hogy mennyi áramot tudnak termelni a napelemek. Lehet a paneleket óriásivá tenni, de akkor rengeteg súlyt adsz hozzá, és a rakétaegyenlet megint lecsap rád. Az ionhajtóművek pedig olyan gyengéd tolóerővel rendelkeznek, hogy maguktól nem tudják elhagyni a földet; az űrben aztán sokáig tart, amíg felgyorsulnak a rekordsebességre. Brophy jól ismeri ezeket a problémákat: Segített az ionhajtómű tervezésében a NASA Dawn űrszondáján, amely most fejezte be 11 éves küldetését a Vesta aszteroidához és a Ceres törpebolygóhoz. A Dawn még a félelmetes, 65 láb hosszúságú napelemekkel együtt is négy nap alatt jutott el nulláról hatvanra.”
Ion a díj
Mialatt Brophy a hatékony hajtóművek és az elégtelen napenergia közötti zsákutcán töprengett, előkerült a Breakthrough Starshot koncepciója, és ez beindította a fogaskerekeket a fejében. Elgondolkodott: Mi lenne, ha a napfényt egy nagy intenzitású, az űrhajóra irányított lézersugárral helyettesítenénk? A hatékonyabb lézerrel hajtva az ionhajtóműve sokkal keményebben működhetne, miközben súlyt spórolna, mivel nem kellene a fedélzeten hordoznia az energiaforrást.
Két évvel a megvilágosodása után Brophy körbevezet egy SUV méretű tesztkamrában a JPL-ben, ahol egy nagy teljesítményű ionhajtóművet tesz próbára. Prototípusa lítiumionokat használ, amelyek sokkal könnyebbek, mint a Dawn által használt xenonionok, és ezért kevesebb energiára van szükségük a nagyobb sebesség eléréséhez. Emellett 6000 voltos feszültségen működik, szemben a Dawn 1000 voltos feszültségével. “Ennek a dolognak a teljesítménye nagyon megdöbbentő lenne, ha lenne lézer, amivel feltölthetnénk” – mondja.”
Már csak egy apró probléma van: Ez a lézer nem létezik. Bár drasztikusan lecsökkentette a Starshot koncepcióját, Brophy még mindig egy 100 megawattos űrbázisú lézerrendszert képzel el, amely a Nemzetközi Űrállomásnál 1000-szer nagyobb teljesítményt termel, és pontosan egy gyorsan távolodó űrhajóra irányul. “Nem vagyunk benne biztosak, hogy ezt hogyan lehet megvalósítani” – ismeri el. Ez lenne messze a valaha volt legnagyobb földön kívüli mérnöki projekt. Ha azonban egyszer megépül, a tömböt újra és újra lehetne használni, különböző küldetésekkel, mint egy univerzális rakétahajtóművet.
Példaként Brophy leír egy lítium-ionos meghajtású űrhajót, amelynek 300 láb magas, fotovoltaikus panelokból álló szárnyai a JPL-ben kifejlesztett hajtómű teljes méretű változatát hajtanák. A lézer a napfénynél százszor erősebb fényben fürösztené a paneleket, és az ionhajtóművet innen a mintegy 4 milliárd mérföldre lévő Plútóig működtetné. Az űrhajó aztán a jelentős sebességgel haladhatna, és évente vagy kétévente újabb 4 milliárd mérföldet tehetne meg.
Ezzel a sebességgel egy űrhajó gyorsan felfedezhetné a homályos területeket, ahonnan az üstökösök származnak, vagy elindulhatna a még fel nem fedezett 9-es bolygó felé, vagy elmehetne … szinte bárhová a Naprendszer általános környezetében.
“Olyan, mintha lenne egy fényes új kalapácsunk, és új szögeket keresnék, amiket beverhetek” – mondja Brophy álmodozva. “Van egy egész hosszú listánk a küldetésekről, amiket megtehetnénk, ha gyorsan tudnánk menni.”
A csillagközi közeg kútja
Brophy zseniális szédülése után megdöbbentő, amikor a JPL Műszaki és Tudományos Igazgatóságán az új küldetések megfogalmazásáért felelős Alkalival beszélgetünk. A nagy, üveges irodájában ülve minden tekintetben szigorú adminisztrátornak tűnik, de ő is egy olyan ember, akinek felfedező elképzelései vannak.
Akárcsak Brophy, Alkalai is úgy gondolja, hogy a Breakthrough Starshot embereinek jó elképzeléseik vannak, de nincs elég türelmük. “Közel sem tartunk ott, ahol technológiailag lennünk kell ahhoz, hogy megtervezzünk egy küldetést egy másik csillaghoz” – mondja. “Ezért kis lépésekkel kell kezdenünk.”
Alkalai egy konkrét lépést tart szem előtt. Bár egy másik csillagot még nem látogathatunk meg, de küldhetünk egy szondát, hogy mintát vegyen a csillagközi közegből, a csillagok között áramló gyér gázból és porból.
“Nagyon érdekel a Naprendszeren kívüli anyag megértése. Végső soron abból jöttünk létre. Az élet ezekből az ősi porfelhőkből származik” – mondja Alkalai. “Tudjuk, hogy vannak benne szerves anyagok, de milyenek? Milyen mennyiségben? Vannak benne vízmolekulák? Ezt óriási lenne megérteni.”
A csillagközi közeg továbbra is kevéssé ismert, mert nem tudunk hozzáférni: A Napból érkező részecskék állandó lökése – a napszél – messzire löki a Földtől. De ha túl tudnánk jutni a Nap hatásán, 20 milliárd mérföldes távolságig (ami körülbelül 200-szorosa a Föld távolságának a Naptól), végre először vizsgálhatnánk meg érintetlen mintákat az otthoni galaxisunkból.”
Alkalai válaszokat akar, és első kézből szeretné látni az eredményeket. Ő 60 éves, így ez agresszív menetrendet szab – nincs idő várni az óriási űrlézerekre. Ehelyett egy egyszerűbb, bár még mindig nem bizonyított technológiát javasol, amit naphőrakétának hívnak. Ez egy nagy mennyiségű hideg folyékony hidrogént szállítana, amelyet valahogyan megvéd a Nap hőjétől, és egy sokkoló zuhanást hajtana végre a Nap felszínének körülbelül 1 millió mérföldes körzetébe. A legközelebbi megközelítésnél a rakéta hagyná, hogy az intenzív naphő beáramoljon, talán egy pajzs kidobásával. A nap energiája gyorsan elpárologtatná a hidrogént, és a rakéta fúvókájából száguldana ki. A kiszabaduló hidrogén és a Nap saját gravitációjának együttes lökése lehetővé tenné, hogy az űrhajó akár másodpercenként 60 mérföldes sebességgel induljon csillagközi útjára, gyorsabban, mint eddig bármely emberi tárgy – és innen már csak gyorsabb lesz.
“Ez nagy kihívás, de most modellezzük a fizikát” – mondja Alkalai. Reméli, hogy még ebben az évben megkezdheti egy termikus rakétarendszer elemeinek tesztelését, majd koncepcióját egy olyan reális küldetéssé fejlesztheti, amely a következő évtizedben vagy még később elindulhat. A csillagközi közeget még egy évtizeddel később érné el. Egy ilyen szonda a galaktikus környezetünk mintavételezése mellett megvizsgálhatná, hogyan lép kölcsönhatásba a Nap a csillagközi közeggel, tanulmányozhatná a Naprendszer porszerkezetét, és útközben talán egy távoli törpebolygót is meglátogathatna.
Ez egy olyan utazás lenne, mondja Alkalai, “mint semmi más, amit eddig tettünk.”
Catch A Glimpse
A naphőrakéták és a lézerion-hajtóművek, bármilyen lenyűgözőek is, még mindig abszurd módon alkalmatlanok a Naprendszerünk és az exobolygók – más csillagok körül keringő bolygók – közötti óriási szakadék áthidalására. A Rocket Boys szellemében Turyshev nem hagyja, hogy az abszurditás megállítsa. Egy ravasz megoldáson dolgozik: egy virtuális küldetés egy másik csillaghoz.
Turyshev elmondta, hogy egy űrteleszkópot akar küldeni a Nap gravitációs lencséjeként (SGL) ismert régióba. A terület ijesztő 50 milliárd mérfölddel távolabb kezdődik, bár ez még mindig több százszor közelebb van, mint a legközelebbi csillagszomszédaink. Ha elég messzire jutunk az SGL-hez, valami csodálatos történik. Ha visszanézünk a Nap felé, minden közvetlenül mögötte lévő objektum megnyúltnak, gyűrűt alkotónak és hatalmasra nagyítottnak tűnik. Ez a gyűrű a csillagunk intenzív gravitációjának eredménye, amely lencseként torzítja a teret, megváltoztatva a távoli objektum fényének megjelenését.
Ha helyesen helyezkedünk el az SGL-en belül, a Nap mögül kinagyított objektum egy érdekes exobolygó lehet. Az SGL-ben lebegő űrteleszkóp, magyarázza Turyshev, ezután körbe manőverezhet, a fénygyűrű különböző részeiből mintát vehet, és a meghajlított fényrészleteket megapixeles pillanatfelvételekké rekonstruálhatja a kérdéses bolygóról.
Itt félbe kell szakítanom. Megapixelt mondott, mint amilyen felbontást a kamerás telefonodon kapsz? Igen, tényleg egy 1000 x 1000 pixeles képről beszél, ami elég jó ahhoz, hogy 10 mérföldnél kisebb részleteket lássunk egy akár 100 fényévre (600 trillió mérföldre!) lévő bolygón.
“Be tudnánk kukucskálni a felhők alá, és kontinenseket látnánk. Láthattuk az időjárási mintákat és a domborzatot, ami nagyon izgalmas” – mondja Turyshev. Nem említi, de nincs is rá szüksége:
Föltételezve, hogy a JPL bohócai meg tudják oldani az SGL-hez való eljutás közlekedési problémáit, maga a küldetés meglehetősen egyszerű, bár óriási kihívást jelent. Turyshevnek és munkatársainak (köztük Alkalainak) egy Hubble méretű űrteleszkópot,
vagy egy kisebb távcsövekből álló miniflottát kell kifejleszteniük, amely képes túlélni a 30 éves utazást. Tökéletesíteniük kell egy olyan fedélzeti mesterséges intelligenciát, amely képes az otthoni irányítás nélküli működésre. Mindenekelőtt szükségük lesz egy célpontra – egy bolygóra, amely annyira érdekes, hogy az emberek hajlandóak évtizedeket és dollármilliárdokat költeni a tanulmányozására. A NASA TESS űrteleszkópja már most is végez felderítő munkát, Föld méretű világok után kutatva a helyi csillagok körül.
“Végső soron, hogy meglássuk az életet egy exobolygón, meg kell látogatnunk. De egy gravitációs lencsés küldetés lehetővé teszi, hogy a potenciális célpontokat sok évtizeddel, ha nem évszázadokkal korábban tanulmányozzuk” – mondja Turyshev vidáman.”
Egy utazás az SGL-hez túlmutatna az Alkalai kis lépéseken, jóval a csillagközi felfedezés felé vezető úton. Ez egy újabb merész cél, de ezúttal legalább sokkal kisebb az esélye annak, hogy lángra kapjon.
Corey S. Powell, a Discover egyik szerkesztője, aki a magazin Out There blogjának is ír. Kövesse őt a Twitteren: @coreyspowell. Ez a történet eredetileg nyomtatásban jelent meg “Bátran menjünk” címmel.”
