Un pod prea îndepărtat ? Omul spațial - p1

Alături de fuziunea nucleară comercială, un alt obiectiv major al umanității este cucerirea spațiului folosind nave cu echipaj. Euforia ieșirii, începând cu anii 1960, în orbita joasă a Pământului (Yuri Gagarin - 12 aprilie 1961, Alan Shepard - 5 mai 1961) a declanșat, între altele, previziuni spectaculoase, în care omul ajungea să fie prezent în baze permanente, cel puțin pe Lună, Marte, chiar Venus, și să cutreiere Sistemul Solar.

În prezent, după șase decenii, activitatea astro/cosmonauților este limitată, în primul rând de Știință, la inevitabila orbită joasă a Terrei.

O scurtă explicație poate fi utilă radio-cititorului  pentru evaluarea conținutului acestui episod. Atributul zborului - orbital față de suborbital - se referă la capacitatea navei de a evolua stabil, circumterestru, adică, în ultimă instanță, de a avea viteza necesară învingerii greutății prin forța centrifugă, nava rotindu-se în jurul Pământului. Nu trebuie confundat cu altitudinea;  spre exemplu, un „salt” la verticală cu nava New Shepard / Blue Origin a lui Jeff Bezos atinge 100 de Km, dar neavând nici pe departe viteza necesară orbitării, este atrasă imediat înapoi de Pământ. La fel de suborbital este zborul cu VSS Unity / Virgin Galactic a lui Richard Branson: viteza tangențială este de numai Mach3 (circa 3600 Km/oră) iar altitudinea - 80 Km. Marketingul clamează atingerea, astfel, a mezosferei, în timp ce concurența Blue Origin, cu cei 100Km, anunță ascensiunea până la Linia Karman - limita convențională a atmosferei.

Este de notat și că zborul pilotat, hipersonic (cu Mach 6, circa 7200 Km/h) a fost reușit încă din 1967: avionul experimental X-15, propulsat de motoare rachetă, folosea procedura desprinderii de purtătorul  B-52 și, în cele 199 de zboruri (!) nelipsite de incidente, a atins altitudini de până la 51 Km (1961, Robert White, zborul nr.34). X-15 a fost un remarcabil precursor suborbital, tester de tehnologii și... limite.

Pentru comparație, zborul orbital, la „numai” 200 Km de Pământ, implică o viteză de ...28000 Km/oră!  Nu este, deci, de mirare, că reușitele în premieră din 1961, sovietică și americană, au necesitat rachete lansatoare mult mai mari, construite la limitele fizice ale vremii. Cum era de așteptat, acestea erau derivatele unor modele militare: R-7 ICBM, respectiv Redstone.

De atunci, din 1961, dezvoltări și variante ale navelor au permis activitatea umană în așa-numita orbită terestră joasă, desemnată astfel în intervalul orientativ 160-1500 Km deasupra Pământului. Menținând condiția prezenței umane, exemple ale orbitelor atinse la apogeu au fost: Gagarin (URSS, Vostok1) în 1961 - 315 Km; Conrad și Gordon (SUA, Gemini 11) în 1966 - record de altitudine, la 1372 Km; Stația Spațială Internațională evoluează la circa 420 Km, naveta spațială a fost plasată în intervalul 220-620 Km; Stația Mir (1986-2001) a orbitat între 296-421 Km iar stația chineză Tiangong practică altitudini similare: 340-450 Km.

Motivațiile alegerii, în condiții de concurență acerbă, a unor altitudini orbitale asemănătoare sunt, în primul rând, de ordin tehnologic: există corelații peste care nu se poate trece, de exemplu între parametrii rachetei purtătoare și înălțimea orbitei posibile. Necesitățile vieții (și activității!) omului în spațiu impun module cu mase și volume minime ireductibile... care trebuie plasate pe orbită! Deși mai sus înseamnă superioritate în multiple planuri, cantonarea echipajelor se face, de decenii, în jurul a 400 de Km.

Stațiile spațiale sunt, în mod particular interesante prin capacitatea și cunoștințele acumulate privind găzduirea omului în spațiu pe termen relativ lung, chiar dacă numai pe orbite joase. Câtea informații, adiționale celor de mai sus, pot fi elocvente în contextul temei:

Precursoarele: Salyut-1 (aprilie 1971) a fost prima stație spațială, locuită 23 de zile. Au urmat altele din serii civile și militare, până în 1992. Particularități interesante, de exemplu privind înarmarea cu mitralieră „spațială”, depășesc tema acestui episod.

Skylab, funcțională 24 săptămâni, din mai 1973, a orbitat la 430 Km și a găzduit trei misiuni, cu durate până la 84 de zile (Skylab 4).

Mir a fost locuită 3644 de zile (12 ani), record în interiorul căruia durata individuală maximă a fost de 437 de zile (Valerii Polyakov, 1994-1995). Echipajul posibil pe termen lung era de 3 cosmonauți, iar costul estimat al întregului program - circa 4,2 mld$.

ISS a găzduit numărul maxim de oameni simultan prezenți - 13, în anul 2009, la o andocare a navetei spațiale (STS-127).

Stațiile spațiale chineze Tiangong-1 (2011-2018) și 2 (2016-2019) au găzduit, la rându-le echipaje, pe durate de circa 2 săptămâni;  În stadiu avansat de extindere se află, în prezent, stația chineză Tiangong, cu modulul de bază lansat în 2021, urmat de misiuni automate și cu echipaje. Acestea au rămas la bord pe durate semnificativ mai mari, de 3, apoi de 6 luni.

Indiscutabilă performanță, prezența orbitală  a omului  pare, totuși, că frizează limite fizice, economice și tehnologice. Înainte de orice, masele/greutățile modulelor și sistemelor de asigurare a vieții timp de luni sunt limitate de posibilitățile lansatoarelor (rachetelor purtătoare). Această experiență este suficient de „veche” încât să se știe că rezistențele structurale și propulsia, în condițiile -cele mai solicitante- ale ieșirii din atmosferă și plasării pe orbită, nu pot crește fantezist.  Ca exemple: sus-menționata stație chineză Tiangong va avea 60 de tone, cu modului Mengtian lansat chiar în urmă cu zile, la 31 octombrie 2022. Cântărind 23 de tone, cu dimensiuni de circa 18 x 4 metri, Mengtian este al treilea și ultimul modul de bază al stației și oferă perspectiva posibilităților de ultimă oră pentru punerea pe orbită a unei incinte viabile.

Pentru comparație, Stația Spațială Internațională  cântărește 420 de tone, dar modulele au fost livrate în 42 de zboruri. Cel mai greu modul este „japonezul” Kibo cu masa de 15 tone, lansat în trei etape, în anii 2008 și 2009.

Ceea ce se știe mai puțin este cât reprezintă încărcătura utilă din masa totală a rachetei la decolare. Valorile referitoare numai la obiectivul plasării pe orbită terestră  par descurajante: Saturn V (lansatorul zborurilor spre Lună) a ridicat doar 4%  din masa proprie, în timp ce naveta spațială ... doar 1% util (cargo)!  Mai sus-menționatul modul chinez de 23 de tone a fost ridicat de racheta Long March 5B, cu masa la decolare de 1078 de tone (!) adică încărcătură utilă 4%. Această valoare pare de netrecut folosind propulsiile cunoscute. Este vorba de hidrogen-oxigen și combustibil solid la boostere (la americani și chinezi) și kerosen-oxigen (la sovietici/ruși). Ariane (europeană) folosește, de asemenea, boostere cu un mix combustibil solid și oxigen-hidrogen la corpul principal.

14 noiembrie 2022 - dată proximă apariției acestui episod - este planificată pentru lansarea misiunii Artemis-1, cu manechine la bord și obiectivul  înconjurării Lunii și revenirii pe Pământ. Vor fi 2520 de tone (!) la decolare, dintre care circa 90 tone (3,5%) sarcină utilă pe orbită terestră joasă și 27 tone (1%) pentru injecția trans-lunară.

Peste 85% din masa vehiculelor la lansare o constituie combustibilii, a căror capacitate energetică este limitată. Hidrogenul și oxigenul - deja menționați - oferă cele mai puternice arderi cunoscute nu de-azi-de-ieri...dar încă nedepășite. Chimia arderilor este implacabilă, iar deocandată, propulsia chimică s-a dovedit de-a dreptul imposibil de înlocuit, în pofida tuturor alternativelor. Despre acestea - în episodul următor.

Un interesant articol al NASA oferă priviri și considerații asupra costurilor energetice specifice unor destinații des evocate. Astfel, de exemplu, doar învingerea gravitației Pământului și plasarea pe orbită (LEO) consumă la fel de mult ca desprinderea de orbita terestră și drumul „dus” până la Marte! Cu frecările atmosferice și orice alte pierderi, de ex. combustie incompletă, neglijate! Pe bună dreptate apare formularea că saltul gigantic al umanității nu este primul pas pe Lună, ci atingerea orbitei terestre. Aluzia la cuvintele lui Armstrong este evidentă.

O instructivă (și elocventă!) comparație a stațiilor spațiale realizate până în prezent pare să indice tendințe limitative dimensional, dar crescătoare tehnologic. Ideaticele colosale stații tip Odiseea spațială 200...2 (!) ca hipertrofii ale „minimalistelor” din prezent nu mai sunt evocate de agențiile spațiale, care aleg să anticipeze tonic, dar fără angajamente ferme, avansul omului în spațiu. Cât despre hotelurile spațiale tip Fhloston Paradise (din Fifth Element), acestea rămân doar în seama producțiilor de ficțiune și marketing.

Această primă parte a temei a avut drept scop argumentarea sumară a faptului că fie și numai  învingerea gravitației pentru plasarea unui habitat uman, durabil săptămâni, pe orbită terestră joasă (LEO) este o performanță. Doar SUA, Rusia și China au reușit-o, eforturile științifico-tehnice și financiare necesare fiind enorme.

Dincolo de LEO, prezența omului a fost înregistrată pe durate scurte, de orinul zilelor, doar în programul Apollo. Și, pentru că suntem aproape de o nouă tentativă de lansare Artemis-1 (la 14 noiembrie 2022), să amintim că, în decembrie 1968, într-o secvență concurențială pe repede înainte,  conotată politic, omul s-a îndepărtat pentru prima dată de „casa Terra” și a revenit: Apollo 8 cu trei astronauți s-a rotit de 8 ori în jurul Lunii. Mizele remake-ului îmbunătățit Artemis-1, cu manechine la bord, sunt foarte mari: o reușită ar justifica investițiile colosale, trecute și viitoare, în numele prezenței umane interplanetare. Un eșec ar alimenta criticile deja acerbe privind nu numai costurile, ci chiar rostul și fezabilitatea unui astfel de obiectiv, fără o revoluție a propulsiei.

Chiar fapte privind propulsia încheie acest episod. Un părinte fondator al teoriei rachetelor a fost omul de știință rus Konstantin Țiolkovski (1857-1935), căruia i se datorează jaloane fundamentale în domeniu, valabile și azi, după un secol de la enunțare.

Înainte de toate se situează, probabil, „Ecuația rachetei” care îi poartă numele. Țiolkovski a datat-o 10 mai 1897 și numit-o, atunci, „formula aviației”.  Aceasta stabilește relația între schimbarea vitezei rachetei pe de o parte și: viteza jetului de gaz, masa finală și masa inițială a rachetei, de cealaltă parte.

Folosindu-și ecuația, Țiolkovski a calculat, în 1903, ceea ce numim azi prima viteză cosmică: este viteza cu care o navă (racheta, satelitul) trebuie să zboare în jurul unui corp ceresc (nu neapărat Pământul!) astfel încât să „compenseze” gravitația, situându-se pe o orbită circulară. Pentru Pământ, această viteză este de 7,9 Km/s.

Tot în sfera propulsiei, altă găsire de nedepășit a lui Țiolkovski s-a dovedit a fi compoziția combustibilului rachetei: amestecul de hidrogen și oxigen! Nici un alt amestec chimic controlabil nu poate oferi energie superioară; și este lesne de imaginat, de-a lungul anilor, fie și numai interesul mediului militar-industrial pentru obținerea unor carburanți superiori.

Puteți presupune, stimați radio-cititori, unde se „întâlnesc” ecuația rachetei și carburantul suprem cunoscut al acesteia? Ei bine, se arată matematic  faptul că o rachetă are limite în atingerea vitezelor circum-planetare, oricât ar crește cantitatea de combustibil ! Aceasta, deoarece masa inițială crește, de asemenea și este nevoie de mai multă energie pentru accelerare. În fapt, s-a calculat că, dacă raza Pământului ar fi cu 50% mai mare, nici un obiect nu ar putea fi înscris pe orbită; nu ar putea, adică, atinge prima viteză cosmică, nicicum să evadeze interplanetar!

Suntem, deci, încă odată, norocoși  și -se putea altfel?- nemultumiți: să locuim un Pământ nu atât de mare sau dens încât să ne interzică Spațiul, dar suficient de masiv pentru a ne „lăsa” să-i locuim, pe termen de luni, doar orbitele joase!

De la această stare de fapt se construiesc, de 100 de ani, ipotezele de lucru ale călătoriilor interplanetare, întru visul condiției de Homo Cosmicus.

Despre acestea, în episodul următor.

redactor Florin Vasiliu