31 października 1936 roku sześciu młodych konstruktorów o pseudonimie „Rocket Boys” prawie spłonęło, próbując uwolnić się od ziemskiej grawitacji. Grupa zebrała się w wąwozie u podnóża kalifornijskich gór San Gabriel, aby przetestować mały silnik odrzutowy zasilany alkoholem. Chcieli udowodnić, że silniki rakietowe mogą wyruszyć w kosmos, w czasach, gdy takie pomysły były powszechnie wyśmiewane. Ten cel został zakłócony, gdy zapalił się przewód tlenowy i miotał się dziko, strzelając płomieniami.
Zuchwałość Rocket Boys przyciągnęła uwagę aerodynamika Theodore’a von Karmana, który już pracował z dwoma z nich w Caltech. Niedaleko miejsca, w którym doszło do ich ognistej wpadki, założył on niewielki obszar testowy, na którym Rocket Boys wznowili swoje eksperymenty. W 1943 roku miejsce to zostało przekształcone w Jet Propulsion Laboratory (JPL), a von Karman został jego pierwszym dyrektorem. JPL od tego czasu rozrosło się do rozległego centrum terenowego NASA z tysiącami pracowników, jednak udało mu się zachować motywację założycielską: testować granice eksploracji, konwencja niech będzie przeklęta.
Mieli wiele sukcesów na przestrzeni lat. Na początku lat 70. inżynierowie JPL zbudowali Pioneera 10, pierwszy statek kosmiczny, który osiągnął prędkość ucieczki z Układu Słonecznego. Kilka lat później powstały Voyagery 1 i 2, najszybsze z wielu obiektów zmierzających w przestrzeń międzygwiezdną. Od początku ery kosmicznej do wystrzelenia statków kosmicznych Voyager – czyli w ciągu zaledwie dwóch dekad – naukowcy zajmujący się rakietami zwiększyli prędkość lotu ponad dwukrotnie. Jednak od tego czasu tylko jeden statek kosmiczny podążył za Voyagerami poza Układ Słoneczny, a żaden z nich nie osiągnął tak dużej prędkości. Teraz rakietowcy z JPL znów stają się niespokojni i po cichu planują kolejny wielki skok.
Zgodnym tematem nowych wysiłków jest to, że Układ Słoneczny to za mało. Nadszedł czas, by wyruszyć poza znane planety, w kierunku gwiazd. John Brophy, inżynier lotniczy w JPL, opracowuje nowy silnik, który mógłby przyspieszyć podróże kosmiczne o kolejny współczynnik 10. Leon Alkalai, architekt misji JPL, planuje daleką podróż, która rozpoczęłaby się od nieprawdopodobnego, przypominającego Ikara zanurzenia w kierunku Słońca. A naukowiec z JPL, Slava Turyshev, ma być może najbardziej szalony pomysł ze wszystkich, teleskop kosmiczny, który mógłby zapewnić intymne spojrzenie na odległą planetę podobną do Ziemi – bez faktycznego udania się tam.
Wszystkie te projekty są bardzo odległe (nie do końca szalone, według Brophy’ego), ale jeśli nawet jeden się powiedzie, implikacje będą ogromne. Rocket Boys i im podobni pomogli zapoczątkować ludzi jako gatunek kosmiczny. Obecna generacja w JPL może być tymi, którzy zabiorą nas międzygwiezdnie.
Rocket Reactions
Dla Brophy’ego inspiracją był Breakthrough Starshot, ekstrawagancko śmiały projekt ogłoszony w 2016 roku przez zmarłego Stephena Hawkinga i rosyjskiego miliardera Jurija Milnera. Ostatecznym celem projektu jest zbudowanie szerokiej na milę matrycy laserowej, która mogłaby rozpędzić miniaturowy statek kosmiczny do 20 procent prędkości światła, umożliwiając mu dotarcie do systemu gwiezdnego Alfa Centauri (naszego najbliższego gwiezdnego sąsiada) w ciągu zaledwie dwóch dekad.
Brophy był sceptyczny, ale zaintrygowany. Ambitne aspiracje nie są dla niego niczym nowym. „JPL zachęca ludzi do nieszablonowego myślenia, a moje dziwaczne pomysły z czasem stają się coraz bardziej dziwaczne” – mówi. Nawet według tych standardów, koncepcja Starshot wydawała mu się zbyt odległa od technologicznej rzeczywistości. Zaczął się jednak zastanawiać, czy nie dałoby się wykorzystać tego samego pomysłu, ale w takiej skali, że mógłby on być wykonalny w ciągu naszego życia.
To, co szczególnie urzekło Brophy’ego, to pomysł użycia wiązki laserowej w stylu Starshot, aby pomóc w rozwiązaniu „równania rakietowego”, które łączy ruch statku kosmicznego z ilością paliwa, jakie jest w nim przewożone. Równanie rakietowe konfrontuje każdego niedoszłego odkrywcę kosmosu z jego okrutną logiką. Jeśli chcesz lecieć szybciej, potrzebujesz więcej paliwa, ale więcej paliwa zwiększa masę. Większa masa oznacza, że potrzebujesz jeszcze więcej paliwa, aby udźwignąć ten dodatkowy ciężar. To paliwo sprawia, że całość jest jeszcze cięższa, i tak dalej. Dlatego do wystrzelenia ważących 1800 funtów sond Voyager potrzebna była rakieta o masie 1,4 miliona funtów: Waga początkowa była prawie w całości paliwowa.
Od czasów studiów w późnych latach 70-tych, Brophy rozwijał znacznie bardziej wydajny typ rakiet znany jako napęd jonowy. Silnik jonowy wykorzystuje energię elektryczną do wystrzeliwania dodatnio naładowanych atomów (zwanych jonami) z pędnika z dużą prędkością. Każdy atom daje tylko małego kopa, ale razem mogą one pchnąć rakietę do znacznie większej prędkości niż konwencjonalna rakieta chemiczna. Co więcej, energia potrzebna do zasilania silnika jonowego może pochodzić z paneli słonecznych – nie są wymagane ciężkie pokładowe zbiorniki paliwa ani generatory. Wyciskając więcej prędkości z mniejszej ilości materiału pędnego, napęd jonowy przechodzi długą drogę w kierunku ujarzmienia równania rakietowego.
Ale silniki jonowe mają swoje własne wady. Im dalej od słońca, tym bardziej są ograniczone przez ilość energii elektrycznej, jaką mogą wygenerować ich panele słoneczne. Możesz sprawić, że panele będą ogromne, ale wtedy dodasz dużo wagi i równanie rakiety znów cię zatrzaśnie. Silniki jonowe mają tak niewielki ciąg, że nie są w stanie same oderwać się od ziemi, a w przestrzeni kosmicznej dużo czasu zajmuje im rozpędzenie się do rekordowych prędkości. Brophy dobrze zna te problemy: Pomagał w projektowaniu silnika jonowego na pokładzie sondy kosmicznej NASA Dawn, która właśnie zakończyła 11-letnią misję do asteroidy Westa i planety karłowatej Ceres. Nawet ze swoim ogromnym, 65-stopowym rozstawem ogniw słonecznych, Dawn przeszedł od zera do 60 w niespieszne cztery dni.
Ion the Prize
W czasie gdy Brophy zastanawiał się nad tym impasem pomiędzy wydajnymi silnikami a niewystarczającą energią słoneczną, pojawiła się koncepcja Breakthrough Starshot, która sprawiła, że w jego głowie zaczęły się obracać koła zębate. Zastanawiał się: Co by było, gdybyś zastąpił promienie słoneczne wiązką lasera o wysokiej intensywności skierowaną na twój statek kosmiczny? Zasilany przez bardziej wydajny laser, twój silnik jonowy mógłby pracować znacznie ciężej, jednocześnie oszczędzając na wadze dzięki temu, że nie musiałbyś nosić źródła zasilania na pokładzie.
Dwa lata po swoim objawieniu Brophy oprowadza mnie po komorze testowej wielkości SUV-a w JPL, gdzie wystawia na próbę wysokowydajny silnik jonowy. Jego prototyp wykorzystuje jony litu, które są znacznie lżejsze niż jony ksenonu używane przez Dawn i dlatego potrzebują mniej energii do osiągnięcia większych prędkości. Działa on również pod napięciem 6000 woltów, w porównaniu do 1000 woltów Dawn. „Wydajność tej rzeczy byłaby bardzo zaskakująca, gdybyś miał laser do jej zasilania,” mówi.
Jest tylko jeden drobny problem: Ten laser nie istnieje. Chociaż koncepcja Starshot została drastycznie zredukowana, Brophy nadal planuje 100-megawatowy kosmiczny system laserowy, generujący 1000 razy więcej mocy niż Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, wycelowany dokładnie w szybko oddalający się statek kosmiczny. „Nie jesteśmy pewni, jak to zrobić” – przyznaje. Byłby to zdecydowanie największy projekt inżynieryjny poza Ziemią, jakiego kiedykolwiek się podjęto. Jednak po zbudowaniu, taki układ mógłby być używany w kółko, w różnych misjach, jako uniwersalna rakieta wspomagająca.
Jako przykład, Brophy opisuje statek kosmiczny zasilany litowo-jonowo z 300-stopowymi skrzydłami paneli fotowoltaicznych zasilających pełnowymiarową wersję silnika, który opracowuje w JPL. Laser skąpałby panele w świetle sto razy jaśniejszym niż światło słoneczne, utrzymując silnik jonowy w ruchu stąd do Plutona, odległego o około 4 miliardy mil. Statek kosmiczny mógłby wtedy poruszać się z dużą prędkością, pokonując kolejne 4 miliardy mil co rok lub dwa.
W tym tempie, statek kosmiczny mógłby szybko zbadać niewyraźne obszary, z których pochodzą komety, lub wyruszyć do jeszcze nieodkrytej Planety 9, lub udać się … prawie wszędzie w ogólnym sąsiedztwie Układu Słonecznego.
„To tak, jakbyśmy mieli ten błyszczący nowy młotek, więc chodzę dookoła szukając nowych gwoździ do wbicia,” mówi z rozmarzeniem Brophy. „Mamy całą długą listę misji, które moglibyśmy wykonać, gdybyśmy mogli szybko lecieć.”
Interstellar Medium Well
Po genialnej wesołości Brophy’ego, szokiem jest rozmowa z Alkalai, odpowiedzialnym za formułowanie nowych misji w Dyrekcji Inżynierii i Nauki JPL. Siedząc w swoim dużym, przeszklonym biurze, sprawia wrażenie administratora bez nerwów, ale on również jest człowiekiem z odkrywczą wizją.
Podobnie jak Brophy, Alkalai uważa, że ludzie z Breakthrough Starshot mają właściwą wizję, ale za mało cierpliwości. „Nie jesteśmy nigdzie w pobliżu miejsca, w którym musimy być technologicznie, aby zaprojektować misję do innej gwiazdy” – mówi. „Musimy więc zacząć od małych kroków.”
Alkalai ma na myśli konkretny krok. Chociaż nie możemy jeszcze odwiedzić innej gwiazdy, możemy wysłać sondę w celu pobrania próbek ośrodka międzygwiezdnego, skąpego gazu i pyłu, który przepływa między gwiazdami.
„Bardzo interesuje mnie zrozumienie materiału znajdującego się poza Układem Słonecznym. Ostatecznie to właśnie z niej powstaliśmy. Życie powstało z tych pierwotnych obłoków pyłu” – mówi Alkalai. „Wiemy, że są tam materiały organiczne, ale jakie? W jakich ilościach? Czy są w nich cząsteczki wody? To byłoby ogromne do zrozumienia.”
Środowisko międzygwiezdne pozostaje słabo poznane, ponieważ nie możemy dostać się do niego w nasze ręce: Ciągły podmuch cząstek ze Słońca – wiatr słoneczny – wypycha go daleko od Ziemi. Ale gdybyśmy mogli sięgnąć poza wpływ Słońca, na odległość 20 miliardów mil (około 200 razy więcej niż odległość Ziemi od Słońca), moglibyśmy wreszcie zbadać, po raz pierwszy, nieskazitelnie czyste próbki naszej rodzimej galaktyki.
Alkalai chce odpowiedzi i chce zobaczyć wyniki z pierwszej ręki. Ma 60 lat, więc jego harmonogram jest bardzo napięty – nie ma czasu na czekanie na gigantyczne lasery kosmiczne. Zamiast tego proponuje prostszą, choć wciąż niesprawdzoną technologię, znaną jako rakieta słoneczno-termiczna. Niosłaby ona duży zapas zimnego ciekłego wodoru, chronionego przed ciepłem słonecznym, i wykonałaby szokujące nurkowanie na odległość około 1 miliona mil od powierzchni Słońca. Przy najbliższym zbliżeniu rakieta pozwoliłaby, aby intensywne ciepło słoneczne wlało się do środka, być może poprzez wyrzucenie osłony. Energia słoneczna gwałtownie odparowałaby wodór, wysyłając go z dyszy rakiety. Połączone pchnięcie uciekającego wodoru i pomoc ze strony grawitacji Słońca pozwoliłyby statkowi rozpocząć międzygwiezdną podróż z prędkością do 60 mil na sekundę, szybciej niż jakikolwiek ludzki obiekt – a stamtąd już tylko szybciej.
„To bardzo trudne, ale modelujemy fizykę już teraz” – mówi Alkalai. Ma on nadzieję rozpocząć w tym roku testowanie elementów systemu rakiet termicznych, a następnie rozwinąć swoją koncepcję w realistyczną misję, która mogłaby wystartować w ciągu następnej dekady lub tak dalej. Dotarłaby ona do ośrodka międzygwiezdnego kolejną dekadę później. Oprócz pobierania próbek naszego galaktycznego środowiska, taka sonda mogłaby zbadać, jak Słońce oddziałuje z medium międzygwiezdnym, zbadać strukturę pyłu w Układzie Słonecznym i być może odwiedzić odległą planetę karłowatą po drodze.
Byłaby to podróż, mówi Alkalai, „jak nic, co zrobiliśmy w przeszłości.”
Catch A Glimpse
Słoneczne rakiety termiczne i silniki laserowo-jonowe, imponujące jak tylko mogą, są wciąż absurdalnie nieodpowiednie do przekroczenia ogromnej przepaści między naszym Układem Słonecznym a egzoplanetami – planetami krążącymi wokół innych gwiazd. W duchu Rocket Boys, Turyshev nie pozwala, aby absurd go powstrzymał. Opracowuje przebiegłe obejście: wirtualną misję do innej gwiazdy.
Turyshev mówi mi, że chce wysłać teleskop kosmiczny do regionu znanego jako słoneczna soczewka grawitacyjna (SGL). Obszar ten zaczyna się w odległości 50 miliardów mil, choć to wciąż setki razy bliżej niż nasi najbliżsi gwiezdni sąsiedzi. Gdy znajdziesz się wystarczająco daleko w SGL, dzieje się coś cudownego. Kiedy spojrzymy w stronę Słońca, każdy obiekt znajdujący się bezpośrednio za nim wydaje się być rozciągnięty, tworząc pierścień i ogromnie powiększony. Ten pierścień jest wynikiem intensywnej grawitacji naszej gwiazdy, która wypacza przestrzeń jak soczewka, zmieniając wygląd światła odległego obiektu.
Jeśli ustawisz się prawidłowo w SGL, obiekt powiększony zza Słońca może być intrygującą egzoplanetą. Kosmiczny teleskop unoszący się w SGL, wyjaśnia Turyshev, mógłby wtedy manewrować dookoła, próbkując różne części świetlnego pierścienia i rekonstruując fragmenty wygiętego światła w megapikselowe zdjęcia planety, o której mowa.
Muszę mu tu przerwać. Czy on powiedział megapiksel, jak rozdzielczość, którą można uzyskać w telefonie? Tak, on naprawdę mówi o obrazie o wymiarach 1000 na 1000 pikseli, wystarczająco dobrym, aby zobaczyć szczegóły mniejsze niż 10 mil szerokości na planecie oddalonej o 100 lat świetlnych (600 trylionów mil!).
„Moglibyśmy zajrzeć pod chmury i zobaczyć kontynenty. Moglibyśmy zobaczyć wzorce pogodowe i topografię, co jest bardzo ekscytujące,” mówi Turyshev. Nie wspomina o tym, ale nie musi: Ten rodzaj rozdzielczości mógłby również ujawnić megamiasta lub inne gigantyczne sztuczne struktury, jeśli takowe istnieją.
Zakładając, że szefowie JPL mogą rozwiązać problemy transportowe związane z dotarciem do SGL, sama misja jest dość prosta, choć niezwykle wymagająca. Turyshev i jego współpracownicy (wśród nich Alkalai) będą musieli opracować teleskop kosmiczny wielkości Hubble’a,
lub mini-grupę mniejszych teleskopów, które mogą przetrwać 30-letnią podróż. Będą musieli udoskonalić pokładową sztuczną inteligencję, zdolną do prowadzenia operacji bez wskazówek z domu. Przede wszystkim jednak będą potrzebować celu – planety tak intrygującej, że ludzie są skłonni poświęcić dekady i miliardy dolarów na jej zbadanie. Należący do NASA teleskop kosmiczny TESS już teraz wykonuje niektóre z tych prac zwiadowczych, skanując światy wielkości Ziemi wokół lokalnych gwiazd.
„Ostatecznie, aby zobaczyć życie na egzoplanecie, będziemy musieli ją odwiedzić. Ale misja z użyciem soczewki grawitacyjnej pozwala na badanie potencjalnych celów wiele dekad, jeśli nie stuleci wcześniej” – mówi wesoło Turyshev.
Podróż do SGL zabrałaby nas poza małe kroki Alkalai, na ścieżkę ku eksploracji międzygwiezdnej. To kolejny zuchwały cel, ale tym razem szanse na zapłon są znacznie mniejsze.
Corey S. Powell, redaktor współpracujący w Discover, pisze również dla bloga Out There tego magazynu. Można go śledzić na Twitterze: @coreyspowell. Ta historia pierwotnie ukazała się w druku jako „Boldly Go.”
.
