Kształt heliosfery był w wyobrażeniach naukowców inny od tego, który został zarejestrowany przez ograniczone instrumenty sondy Voyager po przekroczeniu heliopauzy i wkroczeniu do przestrzeni międzygwiezdnej (wróć do strony 34, aby dowiedzieć się więcej o heliosferze). Przeprowadzanie badań nad skomplikowanymi oddziaływaniami między elementami znajdującymi się w takiej odległości, dla których istnieje niewiele danych eksperymentalnych lub pomiarowych bądź nie ma ich wcale, odbywa się na skomplikowanych modelach. Aby takie modele były dokładne, należy je ocenić lub potwierdzić za pomocą tych samych danych, które mają za zadanie przewidzieć. W niektórych przypadkach Voyager pokazał nam, że nasze modele były nieprawidłowe * .
Prawdopodobnie chęć odkrywania stanowi najbardziej nieodparty powód wysłania takiej sondy. Przed wystrzeleniem na orbitę Ziemi sondy Explorer 1 w 1958 roku naukowcy nie mieli wielu informacji na temat pasa radiacyjnego Van Allena **. Przed wysłaniem na orbitę Saturna sondy Cassini nie wiedzieliśmy o istnieniu księżyca Methone (został odkryty w 2004 roku). Nie mieliśmy również pojęcia na temat burzy heksagonalnej szalejącej na północnym biegunie Saturna9. Przed wystrzeleniem sondy New Horizons wiedzieliśmy jedynie, że Pluton to planeta karłowata, ledwo widoczna przy użyciu najlepszego teleskopu. Obecnie wiemy, że Pluton skrywa największy w Układzie Słonecznym lodowiec (w kształcie serca) składający się z azotu10. Dowiedzieliśmy się tego, ponieważ udaliśmy się tam. Wystrzelenie odpowiednio wyposażonej sondy poza Układ Słoneczny pomoże naukowcom uzyskać więcej informacji nie tylko na temat ośrodka międzygwiazdowego, lecz także na temat samego Układu Słonecznego.
* Jest to niezwykle ważna kwestia w nauce, że modele są ograniczone własnymi predykcjami Wielu naukowców buduje modele, aby przewidzieć zachowanie natury w konkretnych okolicznościach lub w konkretnych miejscach – większość z nich okazuje się nieprawidłowa. Najlepszym sposobem, aby określić, czy model jest prawidłowy, jest sporządzenie predykcji na podstawie modelu i dokonanie pomiarów, aby sprawdzić, czy predykcja była poprawna.
** Za odkrywcę pasa uznano tego, kto skonstruował instrumenty badawcze wyniesione w przestrzeń kosmiczną na pokładzie sondy Explorer 1. Był to dr James Van Allen.
Spoglądając na Ziemię z perspektywy pojazdu wysłanego w przestrzeń międzygwiezdną, zobaczymy nasz Układ Słoneczny w taki sposób, w jaki hipotetyczni kosmici mogliby zobaczyć go z innej gwiazdy w odległej galaktyce. Będziemy w stanie zobaczyć, w jaki sposób Słońce wchodzi w kontakt z gazami i pyłem znajdującymi się między gwiazdami i jak oddziałują one na inne ciała. Naukowcy będą w stanie zobaczyć nasze rodzime Słońce i porównać je z innymi gwiazdami, aby lepiej zrozumieć nasz Układ Słoneczny w skali większej galaktyki.
Koszt sondy międzygwiezdnej będzie wysoki i z tego powodu najprawdopodobniej będzie to jedyne takie przedsięwzięcie za naszego życia. Jako że misja zostanie opłacona z pieniędzy podatników, pojazd będzie musiał zostać wyposażony w wiele instrumentów, aby odpowiedzieć na pytania naukowe z różnych dziedzin, nie tylko te dotyczące Słońca i jego wpływu. Ale co jeszcze się tam skrywa? Naprawdę wiele.
Główna misja sondy New Horizons polegała na zbadaniu Plutona, planety karłowatej, i jego księżyca – Charona. Po wykonaniu przelotu w pełni działającym pojeździe pozostało jeszcze trochę paliwa, dlatego sonda mogła udać się w inne miejsce i zbadać je. Ale jakie miejsce? Aby udzielić odpowiedzi na to pytanie, należy przypomnieć sobie, że Plutona zdegradowano z rangi planety do poziomu byle planety karłowatej. Dlaczego tak się stało? Jednym z powodów – który jednak nie jest zbyt przekonujący z naukowego punktu widzenia – jest to, że w naszym Układzie Słonecznym (głównie w Pasie Kuipera) prawdopodobnie istnieją setki małych ciał niebieskich podobnych do Plutona*. Naukowcy odpowiedzialni za konstrukcję sondy New Horizons zdawali sobie sprawę, że szansa na istnienie innych planet karłowatych jest całkiem spora, dlatego zbudowali pojazd, zapewniając mu zapas zasięgu po spotkaniu z Plutonem.
* Pas Kuipera został tak nazwany na cześć astronoma Gerarda Kuipera (który jednak nie wniósł bezpośredniego udziału w to odkrycie – był po prostu wybitnym i pracowitym astronomem) i obejmuje obszar Układu Słonecznego poza orbitą Neptuna, na którym znajduje się znaczna liczba komet, asteroid i innych niewielkich ciał niebieskich, takich jak planety karłowate
Dzięki temu sonda miała wystarczająco dużo paliwa, aby wykonać drobną zmianę trajektorii i odwiedzić jedną z takich planet. Po wystrzeleniu sondy naukowcy nie mieli pojęcia, jaki będzie jej kolejny kierunek, lecz z uwagi na podróż z Ziemi w kierunku Plutona, trwającą prawie 10 lat, zespół badawczy miał wystarczająco dużo czasu, aby z wykorzystaniem najlepszych teleskopów znaleźć następny cel. To się udało. Kolejnym krokiem po zbadaniu Plutona i Charona była zmiana kierunku i podróż w kierunku planetoidy Arrokoth, do której sonda New Horizons dotarła w styczniu 2019 roku. Planetoida została odkryta w 2014 roku, 8 lat po wystrzeleniu New Horizons. Pas Kuipera skrywa najprawdopodobniej setki innych planet karłowatych, które moglibyśmy zbadać, dlatego istnieje szansa, że przyszła sonda międzygwiezdna zostanie tam skierowana, aby podczas ucieczki z Układu Słonecznego przelecieć wokół jednej lub kilku z nich.
Technologie wymagane do wysłania takiej misji wydają się nareszcie doganiać ambicje naukowców, a mimo to wciąż wystrzelenie sondy, która pokonałaby odległość 200 j.a. za życia swoich konstruktorów, jest niemożliwe. Wspomnijmy sondę Voyager 1. Jej start nastąpił w roku 1977, do heliopauzy dotarła w 2012 roku. Jej podróż do bieżącej lokalizacji –156 j.a. – trwała 44 lata11. Średnia prędkość sondy wynosi 3,5 j.a. rocznie. Przypuśćmy, że naukowiec znajdujący się w połowie swojej kariery zawodowej ma doświadczenie i dorobek, aby pokierować takim projektem. Zdobycie wiedzy i specjalistycznego doświadczenia niezbędnego do zaplanowania, zaprojektowania i uzyskania finansowania misji wymaga czasu. Myślę więc, że byłby to naukowiec w wieku około 45 lat, który potrzebowałby kolejnych 5 lat, aby zbudować pojazd, przeprowadzić jego testy i przygotować do startu. Naukowiec ten będzie miał blisko 50 lat, kiedy pojazd zostanie wystrzelony. Przy prędkości 3,5 j.a. rocznie (przyjmując prędkość sondy Voyager) pojazd będzie podróżował przez 28 lat, zanim pokona odległość 100 j.a. (w tym momencie naukowiec będzie miał 78 lat). Kolejne 114 lat zajmie podróż na odległość 500 j.a. Wówczas naukowiec będzie miał już… 192 lata. Jeśli mu się poszczęści, szansę zapoznania się z danymi uzyskanymi przez jego sondę będą miały dopiero jego wnuki, a może raczej prawnuki. To chyba dobrze ilustruje cały problem.
Jest jeszcze inne poważne wyzwanie związane z misjami, których trwanie szacuje się na dekady czy stulecia. Mianowicie – jak zaprojektować pojazd, który będzie funkcjonował przez tak długi czas? Sonda Voyager nie została zbudowana, aby pracować tak długo. Udało się to tylko dzięki niezwykle dopracowanej konstrukcji i odrobinie szczęścia. Choć trudno w to uwierzyć, życie sondy Voyager planowane było na zaledwie 5 lat. Tyle czasu wymagała podróż i przelot wokół Jowisza i Saturna.
Możliwości organizacji misji sondy międzygwiezdnej rozwinęły się znacznie od momentu, kiedy w 1999 roku po raz pierwszy rozpocząłem prace w tym temacie (tak, zajmuję się biznesem podróży kosmicznych już od dawna – spójrz tylko na moje zdjęcie, a rozwieją się wszelkie twoje wątpliwości!). W tym czasie pracowałem jako główny badacz przy programie zaawansowanych napędów kosmicznych (ASTP) w Centrum Lotów Kosmicznych NASA imienia George’a C. Marshalla. Zajmowaliśmy się dopiero co zatwierdzoną prezentacją w przestrzeni nowego typu systemu napędowego opartego na przewodzącej uwięzi*. Po wyborze tego napędu zostałem przydzielony do pracy w programie ASTP, ponieważ tak się składa, że napędzanie pojazdu w przestrzeni kosmicznej za pomocą długiego i cienkiego przewodu stanowi definicję terminu „zaawansowany napęd kosmiczny”. Większość moich kolegów była specami od napędów rakietowych z prawdziwego zdarzenia. Zajmowali się udoskonalaniem i produkcją rakiet opartych na napędzie chemicznym. Zdecydowanie od nich odstawałem. Dlatego gdy Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) zadzwoniło do nas i wyraziło zapotrzebowanie na eksperta w zakresie zaawansowanych systemów napędowych do pracy z zespołem w Pasadenie, którego zadaniem było wysłanie zrobotyzowanej sondy na odległość ponad 250 j.a., naturalnie przyjąłem propozycję. (Szczerze mówiąc, nikt inny w naszym biurze nie chciał jechać. Doświadczeni koledzy zajmujący się rakietami szydzili z pomysłu wysłania takiej misji, ponieważ zdawali sobie sprawę z ograniczeń, które mają ra-
* Projekt nosił nazwę Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS) (System Małego, Rozwijalnego Wyrzutnika Napędowego) i miał odbyć lot w 2003 r. Niestety, projekt został anulowany w wyniku tragedii wahadłowca Columbia i nigdy nie został przetestowany.
Inne ważne elementy, o których warto wspomnieć w przypadku omawiania lotów załogowych, nie dotyczą już kwestii technicznych, lecz psychologicznych, socjologicznych i politycznych. To one mogą być najtrudniejsze do rozwiązania.
Eksploracja Kosmosu za pomocą zautomatyzowanych pojazdów w wielu aspektach różni się od podboju przestrzeni statkami załogowymi. Po pierwsze, ludzie są mniej odporni od maszyny – pomimo szczerych chęci osób finansujących misję, konstruktorów, osób pracujących przy starcie i obsłudze konstrukcja pojazdu może znieść o wiele więcej niż przebywający na pokładzie ludzie. Po drugie, obecność ludzi na pokładzie sprawia, że potrzeba więcej przestrzeni, a jednocześnie jest mniej czasu na podróż (pomyśl o masie potrzebnej na zbudowanie dla nich pomieszczeń, na magazyny żywności i wody oraz wszystko to, co jest konieczne, aby utrzymać ich przy życiu), podczas gdy instrumenty naukowe i urządzenia łączności można całkiem nieźle ścisnąć, nawet gdy chcemy zbadać wiele w jednym locie. Dlatego misje zautomatyzowane są prostsze. Omówimy je w pierwszej kolejności.
Na potrzeby naszej dyskusji przyjmuję, że problemy związane z układem napędowym zostały rozwiązane, dzięki czemu pokonanie drogi do miejsca docelowego zajmie naszemu pojazdowi mniej niż 150–250 lat. Projekt pojazdu kosmicznego, który będzie działał od 10 do 20 razy dłużej niż te, które są obecnie w użyciu, będzie stanowił nie lada wyzwanie. Natomiast projekt, który zapewni takie działanie przez ponad 100 lat, to już zupełnie inny poziom trudności!
Masa pojazdów kosmicznych i instrumentów naukowych zostały znacząco zredukowane w ciągu ostatnich 15 lat. Przyczyniły się do tego głównie innowacje w sektorze komercyjnym, konkretniej rzecz ujmując – smartfony* .
* „Telefon”, który znajduje się w mojej kieszeni, oferuje takie funkcje, które kilkadziesiąt lat temu, kiedy konstruowano wiele z naszych pojazdów kosmicznych, wymagały zastosowania wielu różnych i dużych urządzeń, w tym: kamer wideo, odtwarzaczy kasetowych, odbiorników radiowych FM/AM/fal krótkich, odbiorników GPS, telewizorów, komputerów i, oczywiście, telefonów
Konstruktorzy i naukowcy są teraz w stanie budować lekkie przyrządy pomiarowe i urządzenia im towarzyszące: lekkie sensory, lekkie komputery pokładowe i wszystkie inne komponenty. Dzięki innowacjom w zakresie materiałoznawstwa lekkie kompozyty węglowe wypierają ciężkie konstrukcje z aluminium, które stanowiło główny surowiec konstrukcyjny w ostatnich dziesięcioleciach. Instrumenty, które uprzednio ważyły kilka, kilkanaście lub kilkadziesiąt kilogramów są obecnie 10 razy lżejsze. Konstrukcje pojazdów zostały odchudzone o 25%, a w przyszłości planuje się dalsze zredukowanie ich masy o co najmniej 50%.
Bardziej złożone problemy czekają na rozwiązanie w zakresie zasilania. Konstruktorzy muszą zdecydować, czy pojazd kosmiczny będzie wymagał zasilania podczas całej podróży, czy tylko na jej początku i końcu. Jeśli pojazd nie musiałby utrzymywać odpowiedniej temperatury lub gdyby nie było trzeba podtrzymywać działania jakichś funkcji podczas podróży na odległości wyrażane w latach świetlnych, problem związany z energią można byłoby łatwo rozwiązać. Wystarczy wyposażyć pojazd w panele słoneczne i pozwolić mu przejść w stan uśpienia na czas podróży. W ten sposób energia byłaby potrzebna wyłącznie podczas opuszczania Układu Słonecznego i wkraczania do docelowego układu gwiezdnego. Takie rozwiązanie jest naturalnie możliwe, jednak zakłada, że podczas lotu nie będą występowały żadne manewry, by zredukować błędy i dewiacje kursu, że podczas większej części przelotu nie będą zbierane dane oraz że docelowa prędkość zostanie osiągnięta jeszcze w obszarze oddziaływania (i zasilania) Słońca. Takie podejście stanowiłoby dobre rozwiązanie dla sondy, która nie miałaby się zatrzymać czy zwolnić. Czy osoby, które wydały fortunę na sfinansowanie pojazdu i które czekały lata czy dziesięciolecia na wyniki, byłyby zadowolone z kilkugodzinnego przelotu wokół miejsca docelowego? Tak długie oczekiwanie i tak mizerne rezultaty nie będą zbyt zachęcające dla potencjalnych inwestorów.
Niektóre z rozwiązań w zakresie pozyskiwania energii zastosowane w misjach pionierskich, na przykład te omówione w rozdziale 2, mogłyby zostać przeskalowane i wykorzystane w docelowej misji międzygwiezdnej. Jednak większość z nich nie stanowiłaby dobrego rozwiązania – energia słoneczna nie sprawdzi się, chyba że zostaną spełnione wszystkie powyż-
Rozdział 7. Konstrukcja pojazdu kosmicznego 151
Możliwe, że pierwsze loty zostaną wykonane przez sondy zautomatyzowane, które odbędą podróż do docelowego układu gwiezdnego z prędkością wynoszącą 10% prędkości światła (to naprawdę szybko!). Być może sondy te nie będą miały paliwa, aby zwolnić po dotarciu na miejsce, a potem może wystrzelimy zautomatyzowane pojazdy, którym uda się zwolnić i wylądować na planetach, na których istniałaby szansa na osiedlenie się ludzi. Wszystkie te sondy prześlą na Ziemię dane naukowe, zanim zdecydujemy się wysłać tam pierwszych osadników. Dopiero wtedy zostaną zrealizowane misje załogowe.
W porównaniu z pojazdami zautomatyzowanymi międzygwiezdne loty załogowe są znacznie bardziej skomplikowane i wymagają zdecydowanie większych pojazdów, które kosztują o wiele więcej pieniędzy i wysiłku konstruktorów. Są też obarczone ryzykiem. Nie są to jednak powody, aby zrezygnować z wysyłania tam ludzi. O nie! Są to jednak argumenty za tym, aby najpierw wystrzelić pojazdy zautomatyzowane, które przekażą nam wyniki swoich badań. Nasze maszyny stają się coraz bardziej wszechstronne i samodzielne, a ich możliwości wciąż są ulepszane. Musimy zdawać sobie jednak również sprawę, że takie podejście jest w pewien sposób ograniczające.
W kontekście trwającej eksploracji Marsa żyjemy strategią „najpierw roboty, potem ludzie”. W 1965 roku sonda Mariner 4, wystrzelona przez Stany Zjednoczone, pomyślnie obleciała Marsa i była pierwszym pojazdem, który przesłał nam fotografie Czerwonej Planety wykonane z bliska, jednocześnie zmieniając na zawsze pojęcie astronomii planetarnej. W 1971 roku Związek Radziecki jako pierwszy wystrzelił sondę, którą umieścił na orbicie Marsa. Pojazd ten – Mars 2 – jako pierwszy próbował także lądować na powierzchni planety, jednak lądownik się rozbił. Kilka miesięcy później podjęto kolejną próbę, która zakończyła się powodzeniem, chociaż system łączności lądownika uległ awarii już po 14 sekundach od przyziemienia.
W 1976 roku NASA wystrzeliła w kierunku Marsa dwa próbniki Viking. Po dotarciu na miejsce oba z nich rozdzieliły się na dwa moduły: lądownik i orbiter, który pozostał w przestrzeni kosmicznej, działając jako przekaź-
nik radiowy, dzięki czemu możliwa była komunikacja z Ziemią. Na pokładzie lądownika znajdowały się różne instrumenty badawcze, z których część zaprojektowano w celu poszukiwania śladów życia w marsjańskiej glebie. To były potężne pojazdy – każdy z nich ważył 1300 funtów (590 kg, nie uwzględniając paliwa), a dane, które nam przesłały, zrewolucjonizowały nasze pojęcie o Czerwonej Planecie. Następny lądownik wystrzelony przez Stany Zjednoczone – Pathfinder (o wadze 800 funtów po wylądowaniu, czyli ok. 360 kg) – dotarł na Marsa dopiero w 1996 roku. Sonda nie tylko wylądowała na powierzchni, lecz także pomyślnie przetransportowała pierwszego marsjańskiego łazika – sześciokołowe mobilne laboratorium naukowe. Łazik umożliwił zwiększenie powierzchni poddawanej badaniu. Rozciągała się ona na 100 metrów od punktu lądowania w promieniu 100 metrów i była ograniczona możliwością utrzymania komunikacji łazika z lądownikiem. Od tego czasu na powierzchni Marsa wylądowało wiele innych sond, których okres eksploatacyjny jest mierzony w dekadach, a nie dniach, miesiącach czy nawet latach liczonych na palcach rąk. Powierzchnię Marsa badają różne lądowniki i łaziki, na pokładzie których znajdują się coraz to bardziej zaawansowane przyrządy naukowe. Zasięg pojazdów wzrósł nawet do 30 mil (ok. 50 km) od punktu lądowania i jest stale zwiększany dzięki zastosowaniu pierwszych zautomatyzowanych statków powietrznych czy helikopterów.
Podobne opowieści o zautomatyzowanych badaniach planetarnych pokazują, że nasze możliwości techniczne i technologiczne rosną, co wyraża się na przykład w obniżaniu wagi oprzyrządowania badawczego instalowanego w sondach, pojawiają się one w kontekście praktycznie każdej planety Układu Słonecznego. NASA testuje nowe systemy łączności w przestrzeni kosmicznej, które umożliwią transmisje wideo wysokiej rozdzielczości w czasie (prawie) rzeczywistym pomiędzy pojazdami a naukowcami, badaczami i entuzjastami znajdującymi się na Ziemi. Łatwo jest wyobrazić sobie coraz mniejsze pojazdy, które stale zwiększają swoje możliwości. Wkrótce nowe systemy napędowe umożliwią im podróż do najbliższych gwiazd.
Są jednak kwestie, którymi musimy się zająć. Nasze zautomatyzowane pojazdy nie są jeszcze dostatecznie autonomiczne ani zdolne do samodziel-
Rozdział 4. Wysyłamy roboty, ludzi czy roboty i ludzi?
nego rozwiązywania problemów, mogących wystąpić podczas lotu. Łaziki marsjańskie są kierowane przez zespoły naziemne, które wysyłają krótkie polecenia, a następnie oczekują na informacje zwrotne, zanim wyślą kolejne instrukcje. Prędkość światła ogranicza czas transmisji do zaledwie 3 minut, gdy Mars i Ziemia znajdują się blisko, lub 21 minut, gdy są od siebie daleko (wszak krążą wokół Słońca po niezależnych od siebie orbitach). Najnowsze łaziki są bardziej samodzielne niż starsze modele, ale upłynie dużo czasu, zanim osiągną pełną autonomię.
Istnieje również problem intuicji. Malcom Gladwell doskonale opisuje kwestie profesjonalnej intuicji w książce Błysk2. Notka wydawnicza zamieszczona na okładce książki najtrafniej streszcza, co Gladwell ma na myśli, mówiąc o intuicji: „ Błysk to książka o myśleniu bez myślenia, o wyborach, które podejmujemy w mgnieniu oka. Nie są to jednak procesy tak proste, jak nam się wydaje”.
Przykładem najlepiej rzucającym światło na tę kwestię jest opowieść, którą usłyszałem na konferencji naukowej od astronauty programu Apollo Harrisona Schmitta. Schmitt spacerował po Księżycu w 1972 roku podczas misji Apollo 17 i jako geolog jest jedynym naukowcem z prawdziwego zdarzenia, jaki kiedykolwiek odwiedził to ciało niebieskie. Czas, który astronauci spędzali poza lądownikiem, był skrupulatnie planowany i nadzorowany przez kontrolerów na Ziemi. Kontrola naziemna korzystała z transmisji wideo i informacji przekazywanych przez astronautów, aby wspierać ich w podejmowaniu decyzji. Jak można się tego spodziewać, czas poza lądownikiem był ograniczony i liczyła się każda minuta. Presja wywierana na załogę Apollo 17, aby poprawnie przeprowadzić misję, była tym większa, że była to ostatnia misja księżycowa. To, co zebrał Schmitt, przez dłuższy czas miało być ostatnim materiałem kosmicznym sprowadzonym na Ziemię. W trakcie pracy Schmitt otrzymał polecenie pobrania próbek z konkretnej lokalizacji. Kiedy zmierzał w tamtym kierunku, zauważył formację skalną, która wydała mu się o wiele bardziej istotna i ciekawa. To była właśnie intuicja! Postanowił zebrać próbki właśnie tam i okazało się, że ta konkretna próbka, która przykuła uwagę doświadczonego geologa znajdującego się na miejscu, a została wcześniej pominię-
ta przez kontrolerów na Ziemi, obserwujących teren zdalnie, była jedną z najważniejszych spośród dostarczonych przez wszystkie misje księżycowe. W najbliższej przyszłości nie powstaną takie komputery, które mogłyby zastąpić ludzki umysł i jego niesamowite zdolności, w tym intuicję, w podejmowaniu decyzji o tak doniosłym znaczeniu.
Ostatnią rzeczą jest kwestia empiryzmu w badaniach. Chociaż możemy odbyć wirtualną podróż do Luwru i zobaczyć tamtejsze zbiory w wysokiej rozdzielczości, ludzie w dalszym ciągu wydają pieniądze i przedzierają się przez tłum, aby na własne oczy zobaczyć Mona Lisę i inne arcydzieła. Widok Dwunastu Apostołów (spektakularna formacja skalna na wybrzeżu Australii) w promieniach zachodzącego słońca był bardzo emocjonalnym przeżyciem dla mnie i mojej żony. Oglądanie cudzych fotografii tego miejsca nie dałoby tego efektu – nie ma szans. Wielu ludzi nie zadowoli się wiadomością obrazkową z hasłem: „Szkoda, że cię tu nie ma!”. Nie zadowoli to także ludzi w przyszłości, w tym badaczy. Nie. Będą chcieli zobaczyć nowe miejsca na własne oczy.
Załoga, która zostanie wystrzelona na pokładzie pojazdu międzygwiezdnego, nie będzie już żyć, gdy dotrze on do celu, chyba że dojdzie do wydłużenia ludzkiego życia. Pomyślmy o tym przez chwilę. Załoga pojazdu międzygwiezdnego spędzi swoje życie w sztucznym środowisku podatnego na wystąpienie awarii statku kosmicznego – niestety, wszystko to, co zostało zbudowane przez człowieka, może się zepsuć. Taki pojazd będzie podróżował przez niebezpieczne środowisko wszechświata do celu, którego nikt nigdy nie widział na własne oczy. Cel może być – ale nie musi –odpowiedni do podtrzymania ziemskiego życia. Pomimo tego istnieją przekonujące powody, dla których warto jest wysłać ludzi w taką misję. Przyjmując więc, że pokonamy wyzwania technologiczne i techniczne i posiądziemy zdolność skonstruowania pojazdu, który będzie miejscem ich życia, co jeszcze powinniśmy wziąć pod uwagę?
Ktoś będzie musiał podjąć decyzję, ile osób należy wysłać. Ktoś będzie musiał wybrać kandydatów. O dziwo, opublikowano już wiele prac naukowych omawiających minimalną liczbę uczestników, która pozwoli
Najbliższa nam gwiazda, Proxima Centauri, jest oddalona o około 4,2 roku świetlnego. To znaczy, że światło, które podróżuje z prędkością 186 000 mil na sekundę (ok. 300 000 km/s), potrzebuje ponad 4 lat, aby przemierzyć tę odległość. Dla wielu ludzi wyrażanie odległości w taki sposób nie ma sensu – ilu z nas ma rzeczywiste odniesienie do prędkości światła? Aby zobrazować ten problem, pomyślmy o mniejszych odległościach i o kwestiach, z jakimi musimy sobie poradzić, aby je pokonać. Sonda kosmiczna Voyager, wystrzelona w 1977 roku, jest najbardziej oddalonym obiektem kiedykolwiek wysłanym z naszej planety – emisariuszem, który dotarł najdalej.
W momencie pisania tej książki Voyager 1 jest oddalony o mniej więcej 156 jednostek astronomicznych (j.a.), czyli 156 -krotność średniej odległości Ziemi od Słońca, wynoszącej 93 miliony mil (149,6 mln km), i potrzebował ponad 44 lat, aby się tam dostać. Aby uzyskać aktualne informacje dotyczące lokalizacji sondy Voyager, warto odwiedzić stronę internetową NASA pod adresem https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/. Jeśli sondy Voyager podróżowałyby w odpowiednim kierunku, potrzebowałyby mniej więcej 70 000 lat, aby dotrzeć do gwiazdy Proxima Centauri – a to jest przecież najbliższa nam gwiazda. Czas trwania takiej misji należy wyrażać w latach, a nie w tysiącleciach, bo w innym przypadku taka misja nie będzie miała racji bytu.
Napęd nie stanowi jednak jedynego wyzwania. W jaki sposób pojazd kosmiczny komunikowałby się na taką olbrzymią odległość? Jak uzyskiwałby energię z dala od jakiejkolwiek gwiazdy, przemierzając całkowite ciemności? Uzyskanie prędkości, która umożliwiłaby skrócenie podróży, zwiększyłoby ryzyko uszkodzenia pojazdu na skutek kolizji z pyłem międzygwiezdnym. Takie zdarzenie byłoby katastrofalne w przypadku podróży z dużą prędkością, wynoszącą choćby i ułamek prędkości światła.
Na szczęście wydaje się, że natura umożliwiła odbywanie podróży międzygwiezdnych z dużą prędkością bez konieczności tworzenia nowych praw fizyki. Napędy oparte na fuzji jądrowej, antymaterii lub energii przekazywanej laserem wydają się z punktu widzenia fizyki możliwe do
zbudowania i użycia, jednak konstrukcja takich układów w odpowiedniej skali stanowczo wykracza poza nasze obecne możliwości.
Rozpoczęcie takiej ostatecznej podróży jest możliwe, jeśli uprzednio dokonamy kolonizacji większości planet naszego układu. Podróże międzygwiezdne będą wymagały zastosowania nowych technik i technologii, wprowadzenia nowych ram etycznych dotyczących eksploracji, dzięki którym będziemy w stanie uniknąć błędów przeszłości, oraz wizjonerskiego podejścia na miarę budowy wspaniałych europejskich katedr. Rozpoczynający nowe projekty muszą mieć świadomość, że zostaną one zakończone nie przez nich samych, a przez przyszłe pokolenia.
Istnieje też pytanie „dlaczego?”. Dlaczego mielibyśmy odbyć podróż w kierunku innych gwiazd? W zasadzie w jakim celu prowadzimy eksplorację kosmosu? W ciągu pierwszych pięćdziesięciu kilku lat podboju kosmosu opracowaliśmy przekonywające i prawie powszechnie uznane powody przemawiające za eksploracją przestrzeni i rozwojem infrastruktury nieopodal Ziemi oraz na jej orbicie. Satelity pogodowe umożliwiają meteorologom przekazywanie w miarę dokładnych prognoz pogody na kilka dni i tygodni, pomagają nam również opracować ścieżki przejścia huraganów i cyklonów, ratując ludzkie życie. Satelity komunikacyjne łączą świat, dzięki czemu w czasie rzeczywistym wiemy, co dzieje się w dowolnym miejscu na naszej planecie. Satelity przekazują kanały telewizyjne i niektóre rozmowy przeprowadzane w sieciach komórkowych. Rozwija się oferta szerokopasmowego dostępu do Internetu z każdego miejsca na świecie dzięki sieci satelitów komunikacyjnych. Satelity szpiegowskie pomagają utrzymać pokój, umożliwiając monitorowanie operacji militarnych, dzięki czemu praktycznie nie ma zagrożenia niespodziewanym atakiem, co stanowi ważny element bezpieczeństwa strategicznego w naszym uzbrojonym po zęby w broń atomową świecie. Satelity globalnego systemu pozycjonowania umożliwiają nam uzyskanie wskazówek, jak dojechać do nowych miejsc, i są niezbędne, aby zapewnić funkcjonowanie naszego współzależnego świata i globalnej gospodarki. Przestrzeń wokół Ziemi stanowi niezbędny element naszego codziennego życia i dobrobytu.
Wielu ludzi uważa, że kolejnym, logicznym krokiem jest rozwój przestrzeni cislunarnej, czyli obszaru pomiędzy orbitą Ziemi a orbitą Księżyca. NASA i inne narodowe agencje kosmiczne planują w nadchodzących latach wysłać ludzi na Księżyc i uważa się, że nowe produkty i usługi zrodzą się tam tak, jak powstały na orbicie Ziemi. Kolejnym krokiem będzie eksploracja Układu Słonecznego, a potem nastąpi podbój gwiazd.
Jako naukowiec uważam, że istnieje ważny powód, dla którego powinniśmy badać kosmos, łącznie z przestrzenią poza naszym niewielkim Układem Słonecznym, jednak nie jest on związany z kwestiami ekonomicznymi czy zwrotem nakładów ekonomicznych. Ten powód to wiedza –powinniśmy zdobywać więcej informacji na temat wszechświata, tego, co w nim jest i jak działa. Wszelkiego rodzaju techniki i technologie, które wykorzystujemy, aby funkcjonować w XXI wieku, zrodziły się w głowach naukowców żyjących we wcześniejszych epokach, którzy zadawali sobie podobne, ważne pytania. Odpowiedzi na nie mogły nie mieć lub nie musiały mieć bezpośredniego odzwierciedlenia w wynikach ekonomicznych, czy nadawać się do praktycznego zastosowania w codziennym życiu. Rozwój ludzkiej wiedzy jest równie ważnym powodem jak każdy inny.
Te poglądy rodzą obiekcje i kłopotliwe problemy etyczne, które przychodzą do głowy, gdy myślimy o ekspansji ludzkości w kosmos i w kierunku gwiazd (wiele z nich omówiłem w rozdziale 3, Podróże międzygwiezdne w kontekście).
Podróże międzygwiezdne są możliwe, ale bardzo trudne. Czy jesteśmy gotowi, aby sprostać temu wyzwaniu?
Wszechświat czeka
Kosmos jest wielki. Naprawdę wielki. Nie uwierzyłbyś, jaki wielki, gigantyczny, szalenie olbrzymi jest kosmos. Może dla ciebie droga do drogerii to niezły kawałek, ale w porównaniu z kosmosem to pryszcz. Douglas Adams, Autostopem przez Galaktykę
Do wczesnych lat dziewięćdziesiątych XX wieku jedynymi ludźmi, którzy wiedzieli o istnieniu planet krążących wokół innych gwiazd, byli fani gatunku science fiction. To oni śledzili na ekranie telewizora kapitanów Kirka, Picarda, Janeway, Sisko i innych, którzy każdego tygodnia odwiedzali nowe, dziwne światy, albo z ekscytacją oglądali, jak Luke Skywalker i księżniczka Leia przywracają pokój w odległej galaktyce. No dobrze –niezupełnie wiedzieli, ale stan faktyczny nie odbiega daleko od prawdy. Do końca XX wieku astronomowie byli przekonani, że istnieją inne planety i że krążą wokół swoich gwiazd, ale brakowało im konkretnych dowodów na ich istnienie. Opierali się wyłącznie na założeniu, że nasz Układ Słoneczny nie jest wyjątkiem, lecz stanowi jeden z wielu układów
Najwięcej nadziei w zakresie napędu Interstellar Probe pokłada się w ciężkiej rakiecie nośnej NASA – SLS. Zakłada się, że rakieta wyniesie sondę wraz z dwoma doczepionymi konwencjonalnymi silnikami na stały materiał pędny, osłoniętymi solarną tarczą termiczną, umożliwiającą przelot niezwykle blisko Słońca, w obrębie 5 promieni Słońca (~3,5 mln km). Merkury orbituje wokół Słońca w odległości około 36 milionów mil (ok. 58 mln km). To byłaby najmniejsza odległość od Słońca, w której znalazł się pojazd stworzony przez człowieka. Silniki ciężkiej rakiety nośnej zostałyby uruchomione w peryhelium (punkcie trajektorii najbliższym Słońca), nadając sondzie dodatkowy pęd. W ten sposób pojazd ma przyspieszyć do prędkości 15 j.a. rocznie, co przełoży się na spektakularną ucieczkę przy prędkości zbliżonej do pożądanej13. Manewr w niewielkiej odległości od Słońca nosi nazwę Manewru Obertha na cześć Hermanna Obertha, pierwszego naukowca, który opracował taką możliwość pod kątem matematycznym*. Zainteresowani Czytelnicy, którzy śledzą misje międzyplanetarne, mogą z pewnością zauważyć, że taki manewr stanowi wariant standardowej „asysty grawitacyjnej” polegającej na przelocie w pobliżu ciała, która jest często wykorzystywana przez inżynierów do przyspieszania pojazdów w dalekiej przestrzeni kosmicznej. Sondy Voyager wykonywały taki manewr wielokrotnie, aby osiągnąć obecną prędkość. Przelot wokół masywnego Słońca pozwoli pojazdowi osiągnąć całkiem sporą prędkość. Jest to natomiast podejście diametralnie różne od tego, które brano pod uwagę, gdy około roku 1990 po raz pierwszy zaangażowałem się w projekt sondy międzyplanetarnej. Zakładano wówczas, że to opracowanie nowej technologii napędu będzie odpowiadało za uzyskanie wymaganej prędkości. Nie braliśmy pod uwagę możliwości opracowania olbrzymich pojazdów startowych ani potencjału, który niesie ze sobą wykorzystanie brutalnej siły.
* Aby zobrazować Czytelnikom mój stopień obsesyjnego zainteresowania tematem kosmosu, dodam, że niedawno zaplanowałem wakacje w Niemczech tak, by mieć szansę odwiedzić muzeum Obertha w Feucht . Takie odwiedziny polecam każdemu.
Niestety, z wykorzystaniem takiego podejścia wiąże się spory problem* –jest to z technologicznego i technicznego punktu widzenia ślepa uliczka. Za pomocą największej na świecie rakiety, przelatującej tuż koło Słońca, nadamy sondzie takie przyspieszenie, aby mogła osiągnąć docelową prędkość. I tyle. Zgodnie z obecną wiedzą z zakresu fizyki i inżynierii jest to granica naszych możliwości, które możemy kiedykolwiek zrealizować za pomocą rakiet o napędzie chemicznym. Nie uzyskamy lepszych (szybszych) efektów. To jest w końcu nasz kajak. Takie rozwiązanie pomoże nam wystrzelić sondę międzygwiezdną, jednak z punktu widzenia napędu nie przyczyni się w żadnym stopniu do rozwoju bardziej ambitnych misji w przyszłości, które będą wymagać większych prędkości ucieczki z Układu Słonecznego.
Zanim jednak dokonamy omówienia bardziej ambitnych misji w dalekiej przestrzeni kosmicznej, należy wspomnieć, że mnóstwo pionierskiej pracy związanej z badaniami i odkrywaniem przestrzeni może zostać wykonane zdalnie za pomocą teleskopów kosmicznych znajdujących się w pobliżu Ziemi. Nasze oczy umożliwiają nam dostrzeżenie pobliskich gwiazd, teleskopy naziemne sprawiają, że jesteśmy w stanie obserwować o wiele dalej położone gwiazdy, a urządzenia, zlokalizowane w przestrzeni kosmicznej, widzą jeszcze dalej. Jesteśmy zdolni do budowy wielkich teleskopów kosmicznych posiadających możliwości optyczne, dzięki którym dostrzeżemy planety orbitujące wokół pobliskich gwiazd. Jednak tutaj leży problem. Gwiazda, wokół której orbituje planeta, jest o wiele jaśniejsza niż światło odbijane przez orbitujące ciało, a ponieważ oba obiekty znajdują się stosunkowo blisko (z naszej perspektywy), to z uwagi na blask gwiazdy nie jesteśmy w stanie dostrzec planety. Przypomnij sobie problem związany z dostrzeżeniem komara na tle światła reflektora samochodowego – analizowaliśmy taką sytuację w rozdziale 1.
* Tak naprawdę jest wiele potencjalnych problemów związanych z planowaniem misji z wykorzystaniem rakiet SLS. Przede wszystkim jest to nowy typ rakiety, która (w momencie pisania niniejszej książki) nie odbyła jeszcze żadnego lotu. Czy będzie funkcjonowała tak, jak trzeba? Czy będzie dostępna w momencie wysyłania misji i czy jej wykorzystanie będzie możliwe, biorąc pod uwagę kwestie finansowe?