Un pod prea îndepărtat ? Omul spațial - p3

Aproape toată această „cisternă” capabilă de ardere controlată este epuizată în câteva minute pentru atingerea primei viteze cosmice, v1 (8,9 Km/s), cu înscrierea pe orbită terestră joasă. Dar, părăsirea acesteia și a vecinătății imediate a Pământului, de exemplu în drumul spre Lună, este posibilă pornind de la a doua viteză cosmică, v2 (11,2Km/s). Diferența energetică este furnizată prin arderea unei cantități de combustibil, relativ mult mai mică, aflată, după caz, în modulul de serviciu (Apollo) sau modulul de comandă și serviciu (Artemis).

O privire asupra posibilităților și tehnicilor de readucere pe Terra a unei mase infime față de a navei ce asolizează pe alt corp - deocamdată, Luna - este posibilă examinând cele 10 reușite de până azi.

Sondele sovietice Luna16 în 1970, Luna 20 în 1972 și Luna24 în 1976 au adus în total 301 grame de sol lunar. Ultimul vehicul, cel mai performant, a adus 170 de grame de sol, avea o masă totală, inclusiv combustibilul, la decolarea de pe Terra de circa 5700 Kg și cântărea „la gol” 1880 Kg. Combustibilul era destinat corecțiilor de traiectorie, inserției pe orbita lunară, manevrelor de aselenizare și decolării spre Terra. Modulul ascensional cântărea 520 Kg, dintre care aproape jumătate (245 Kg) combustibil „de întoarcere”. În sumar, 5700 Kg de vehicul plecat pentru 170 de grame de materie utilă adusă în 265 Kg de vehicul sosit !

Desigur că datele de mai sus nu se referă la racheta purtătoare Proton-K: 450 de tone dintre care „la gol” 31 tone; aproape tot restul, adică 93% - combustibil! Sute de tone!

În decembrie 2020, sonda chineză Chang-e 5 a revenit pe Pământ cu 1,7 Kg de sol lunar. Masa sondei la decolare a fost de 8200 Kg; notabil - s-a folosit un orbiter - vehicul care înconjura Luna și cu care partea ascensională a sondei s-a recuplat, i-a transferat containerul cu sol lunar, apoi s-a decuplat, căzând dirijat înapoi pe Lună. Oarecum la fel ca în scenariul Apollo! Lander-ul avea 1200 Kg „la gol” și 3800 Kg cu combustibil, ascender-ul 500 Kg, iar capsula de aterizare - 300 Kg. În sumar, 8200 Kg de vehicul plecat pentru 1730 de grame de materie utilă adusă în 300 Kg de vehicul sosit ! Din nou, de notat - racheta lansatoare Long March 5 avea o masă totală la decolare de 157 de tone, din care 143 de tone - combustibilul!

Față de acestea, 6 din cele 7 misiuni Apollo cu echipaj care au aselenizat au înscris în cronici aducerea pe Terra a uluitoarei cantități de... 381 Kg de rocă lunară! Datele Apollo 11: masa lansată era de 44 tone, din care modulul lunar 15 tone -„la gol” 4,2 tone - deci peste 10 tone de combustibil pentru evoluții și revenire; modulul de comandă și serviciu, care gravita Luna, avea 29 de tone. La amerizare, capsula avea 5 tone. Au fost aduse 21,5 Kg sol lunar și, desigur, 3 astronauți vii și nevătămați, într-un habitaclu protector.

Datele de mai sus, poate prea amănunțite, au fost sintetizate nu doar pentru corelații (să le numim istorice) dar mai ales, în contextul temei, pentru argumentarea enormei dificultăți „energetice” a drumului dus-întors celui mai simplu: la Lună!

Ponderea folosirii propulsiei la desprinderea din gravitația Pământului (incluzând, de exemplu, inserția pe orbită trans-lunară) este enormă: racheta purtătoare (lansatorul) se epuizează în minute. Câteva tone de combustibil și motoare-rachetă relativ mici trebuie, apoi, să asigure manevrele de drum, aselenizarea, re-decolarea, înscrierea pe orbită trans-terestră și poziționările la revenirea pe Terra. Toate componentele neesențiale următoarei faze se lasă în urmă; nava care decolează (de pe Lună, să zicem) este minusculă și diferită față de ansamblul plecat de pe Pământ. Dar, Selena oferă șansa proximității, lipsa atmosferei și cincimea gravitației față de Terra. Acestea au permis rezolvări la limită ale parcursului dus-întors. Orice malfuncție a propulsiei poate fi critică; redundanțele -posibilitățile de corecție adică- sunt minuscule. Doar viitoarea misiune Artemis-3, de revenire umană pe Lună, cu calendar incert, ar permite o reevaluare mai realistă a ce se dă și ce se cere în termeni energetici pentru o asemenea întreprindere cu oameni la bord.

În aceste condiții, cerințele abordării marțiene cu echipaj sunt, deocamdată, rezolvate doar ipotetic științific și -desigur, demult- în creația SF. Atât re-aselenizarea, cât și amartizarea se imaginează azi cu premiza unor stații orbitale care să permită acumulări și/sau tranzite ale unor enorme cantități de combustibili aferenți propulsiei - pentru a ne limita la tema acestui episod. Orizontul este atât de neclar, încât chiar antreprenorul spațial Musk a evocat posibilitatea drumului spre Marte doar într-un sens. Re-decolarea omului de pe Planeta Roșie implică atâtea etape intermediare, încât numai „Marțianul” (2015) a reușit-o.

Toate călătoriile interplanetare sunt, în prezent, proiectate cu premizele așa-numitului vid cosmic și efectuării manevrelor trans-orbitale (Hochmann) după eliberarea de Terra. Fără propulsie majoră, ci doar cu posibilitatea unor ajustări de traiectorie sau viteză. În aceste condiții, întoarcerile „în zbor” sunt imposibile în absența unei „planete - sens giratoriu”. Vitezele „de croazieră”, între mii și zeci de mii de Km/oră sunt enorme în contextul dinamicii, resurselor navei, dar infime în context interplanetar și depind esențial de gravitația planetelor care ar fi ințial „magneți”, apoi, eventual, „praștii” pentru navă. Bineînțeles că în aceste condiții erorile de calcul, de funcționalități sau eventualele urgențe energetice au marje de corecție minime, cu toate scenariile pre-imaginate. Cât despre dincolo de Sistemul Solar...

Evident conșientizându-se limitele propulsiei chimice, au fost imaginate și testate alte principii motoare, funcționale în spațiul cosmic. Se urmărește, desigur, obținerea unei propulsii suficiente din resurse energetice nelimitate, regenerabile sau cel puțin mai durabile decât marile rezervoare cu carburanți.

Încă din anii 1906-1911, pionierii zborurilor spațiale Konstantin Țiolkovsky și Robert Goddard au imaginat variante ale propulsiei electrice. Din nou, radio-cititorul interesat este invitat să găsească pe net informații interesante, care ar depăși cadrul acestui episod.

În esență, propulsia electrică lucrează prin accelerarea unor ioni în incinta motorului și expulzarea acestora sub acțiunea unor câmpuri electrice sau electromagnetice. Ionii sunt generați dintr-un gaz rar (xenon, argon) sau metal lichid (mercur) injectat dintr-un rezervor. Formarea ionilor și accelerarea, creșterea impulsului acestora necesită o sursă importantă de energie electrică la bordul navei, prin acumularea de la panouri solare. Eficiența propulsiei electrice este mult mai mare decât a arderii chimice, particulele fiind accelerate direcțional și cu viteze de circa 20 de ori mai mari decât în jeturile-rachetă clasice. Dar, tracțiunea se situează la infimi centi- sau miliNewtoni (fracțiuni de miligrame-forță) pentru puteri folosite de 1-7KW, foarte mari în energetica unei nave. Așa încât propulsia electrică este adecvată doar vehiculelor de mici dimensiuni - sonde, sateliți, tipic pentru manevre corective, cu cerințe de tracțiune minime. În plus, nu funcționează decât în „vidul spațial”, orice eventuală atmosferă alterând până la anihilare procesul de generare și impulsul ionilor produși. Re-decolarea electrică este imposibilă.

Generatoarele nucleare de electricitate sunt prezente la bordul majorității sondelor deep space: Pioneer, Viking, Voyager, Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons, a unor sateliți civili și militari și în programul Apollo. Din nou însă, limitările de masă au rezultat în puteri electrice disponibile de ordinul a 100W (sau 2,4KWh/zi). Cu totul insuficient pentru propulsie „unde, cât și când este nevoie”.

Fie și numai astfel de considerente elementare explică două necesități actuale în explorarea spațială cu echipaj: 1) gigantismul - singura posibilitate de a crește încărcăturile utile eliberate de Terra. Interesant, SLS+Orion (Artemis-1), Saturn V (Apollo) și sovietica N1 au avut mase totale la decolare comparabile, între 2500 și 2900 tone, la 50 de ani distanță. Starship aparținând SpaceX va cântări la decolare dublu: 5000 (cinci mii!) de tone. 2) stații intermediare orbitale având rol necesar dominant de realimentare. Același vizionar Musk declara că este posibil de plasat un „rezervor” cu de 100 de tone de combustibil(i) pe orbită lunară sau... marțiană. Evident - numai în corelație cu 1).

Costurile explorării spațiale cu echipaj sunt enorme – este un truism. Mai mult însă, nivelul este atât de ridicat, încât se invocă la nevoie chiar de agențiile spațiale, pentru explicarea stopării unor programe, precum Apollo sau naveta spațială.

Se chestionează adesea justificarea eforturilor de a construi și trimite habitate umane dincolo de orbita terestră joasă, în condițiile în care tehnologia sondelor, telescoapelor spațiale, roboților la sol este stăpânită, nu riscă vieți și – important – are un enorm potențial evolutiv.

Există 6 agenții spațiale de stat, menționate în primul episod al temei. Între acestea, doar trei (Roscosmos, NASA, CNSA) au capacitatea aselenizării line (soft landing). Bugetul anual cumulat este estimat la 42mld$, dintre care NASA are aproape jumătate.

Ce preț are „biletul” unui om în spațiu? Mai întâi – distracțiile suborbitale de 15 minute: un loc pe Virgin Galactic SpaceShipTwo sau BlueOrigin New Sheperd costă între 250000 și 500000 $.

Transportul unui astronaut pe orbita joasă (drum la Stația Spațială) în racheta Soyuz costa NASA circa 80mil $, în timp ce SpaceX îl facturează (se crede) la 58 mil$. Fiecare lansare a navetei spațiale cu 7 astronauți la bord (plus sateliți și alte beneficii) costa (conform declarațiilor NASA) 450mil$. Oarecum paradoxal, considerând motivul esențialmente financiar pentru oprirea programului navetei. Costurile reale de călătorie umană pe Low Earth Orbit aferente navelor agențiilor spațiele rusă și chineză sunt necunoscute.

Pentru „marfă”: de exemplu, constructorul american de rachete United Launch Allianace (concurent cu SpaceX și cu Boeing - constructorul SLS) oferă punerea pe orbită a unei încărcături de până la 20 de tone începând cu 109mil$, folosind racheta AtlasV.

Dar, când e vorba de „omul spre/pe Lună”, costurile devin astronomice. Întreg programul Apollo (incluzând cele 7 misiuni cu echipaj, dar fără premergătorul Gemini) au costat 29mld$ la nivelul anilor 1960-70 corespunzând la... 283mld$ (!) în prezent, după ajustarea cu inflația, conform The Planetary Society unde radio-cititorul poate găsi și alte numere.

A privi în perspectivă este totdeauna interesant. Transcrierea unei cuprinzătoare discuții menționează oferta dezvoltării unei rachete pentru Lună din partea unui reputat constructor, care ar fi fost, în 2010, de 6mld$. Estimările programului Artemis sunt de 91mld$ între 2012-2025, de 8 ori mai mult decât proiecția din 2012. O lansare a rachetei SLS care include componente Artemis-3 ar costa 4,1mld$.

Este frecvent citată declarația auditorului NASA, conform căruia, la acest nivel estimativ, pentru 4 lansări programul Aretmis apare ca nesustenabil. Pentru cititorii mai analitici, documentul de audit oferă, nepolarizat, informații interesante.

Sectorul spațial privat pare, acolo unde există, mai performant, cel puțin economic, decât cel de stat. Musk anunță dezvoltarea mega-rachetei Starship la 2,5-5 mld$, adică de 10 ori mai ieftin decât racheta SLS (care folosește numeroase module cunoscute, mai ales motoarele navetei spațiale).

Dar, lansatorul-rachetă e doar o parte din scenariul actual pentru revenirea pe Lună „și - conform sloganului - dincolo de ea”. Dezvoltarea vehiculului de aselenizare-decolare (lander) a fost câștigată tot de SpaceX, cu 2,9 mld$. Vor mai fi de la alți constructori două stații orbitale, vehiculul lunar (rover), capsula Orion și modulul de comandă și serviciu, acesta din urmă deja livrat de ESA (Agenția Spațială Europeană) pentru Artemis-2.

Cum se spune, doar viitorul va arăta dacă plecarea spre Lună (to the Moon) cu echipaj, eventual aselenizarea și întoarcerea se vor produce conform proiecțiilor actuale. Ca timp - cel devreme în 2025; ca bani - deja menționații 91 mld$. La data apariției acestui episod, capsula Orion din Artemis-1 a început să fie analizată. Nu au fost, încă, publicate nici măcar idei preliminare privind viabilitatea umană timp de 2-3 săptămâni în jurul Lunii. De rezultatele măsurătorilor extrem de complexe prin construcția și senzorii celor trei manechine depinde însăși continuarea programului.

Este, de asemena, în pregătirea lansării indispensabila Starship - ilustrarea gigantismului, megaracheta produsă de SpaceX, esențială în procedurile de aselenizare ale Artemis-3. Etapa completă, critică, de alimentare pe rampa de lansare a fost îndeplinită pe 23 ianuarie, urmând ca rezervoarele să fie golite. Data decolării pentru primul zbor orbital de test nu a fost, încă, anunțată, dar este de așteptat să fie în prima parte a anului 2023.

La mizele, eforturile și costurile implicate fie și doar până acum, este clar că orice eșec major ar întârzia nedefinit, dacă nu chiar compromite aventura spațială în persoană a omului. Obiecțiile privind utilitatea prezenței umane acolo unde explorarea robotică a reușit deja sunt multiple și puternice, cu atât mai mult când sunt angajați bani publici.

Costurile financiare ale trecerii, mai mult - prezenței susținute a omului dincolo de orbita terestră joasă vor putea fi cunoscute doar după eventualele, dorite succese.

redactor Florin VASILIU