Promieniowanie kosmiczne a podróże międzyplanetarne – część druga omówienia

Wstęp


Załogowa misja na Czerwoną Planetę możliwa jest w okresie dekady, a w najbliższych 12 latach jest wręcz prawdopodobna.

Traktowanie powyższego zdania jako naiwnej mrzonki byłoby z perspektywy końca 2021 roku błędem, lecz bynajmniej nie dzięki wzmożonym ostatnio wysiłkom państwowych instytucji – te NASA, ESA, a także Chińska Narodowa Agencja Kosmiczna we współpracy z Roskosmosem, koncentrują dziś na srebrnym globie. Stała obecność człowieka na Księżycu to plan godny XXI wieku, wymagający konsekwentnej polityki przyszłych rządów i przezwyciężenia licznych trudności technologicznych. Ta nowa arena zmagań w zaostrzającej się rywalizacji między potęgami wschodu i zachodu może intrygować, jednak niniejszy tekst poświęcony jest – obok wątku tytułowego, służącego nam za oś narracji – unaocznieniu zmian, czekających niebawem całą, szeroką dziedzinę podboju kosmosu za sprawą w pełni komercyjnych podmiotów oraz przedsiębiorców-wizjonerów, dla których projekty pozaziemskie stanowią ambicjonalne rozwinięcie biznesowych dokonań.

Prywatne inicjatywy cechuje dążenie do kosztowo efektywnej realizacji celu, brak istotnego uzależnienia od przesunięć w obrębie budżetu państwa, a przede wszystkim, nie są one ograniczone wyobrażeniami kongresmenów czy dyrektorów rządowych agencji co do tego, jak powinna wyglądać misja na inną planetę. Różnice w mentalności i aspiracjach, a również nieskrępowana decyzyjność oraz „wybitna jakość zarządzania” (cyt. NASA) pozwalają SpaceX urzeczywistniać wizję o niespotykanym wcześniej zasięgu – jej rozmach wykracza nawet poza „realistyczne scenariusze” marsjańskich misji, oferowane na przestrzeni dziesięcioleci przez Hollywood.

Zamiarem Elona Muska jest utworzenie na Marsie samowystarczalnej osady, by „uczynić homo sapiens gatunkiem międzyplanetarnym” i tym samym zainicjować wielopokoleniowy proces uniezależniania się życia jako takiego od kosmicznych katastrof, które mogłyby „zgasić płomyk świadomości” (cyt. Musk). Zatem nie krótka wyprawa badawcza, a wstęp do szeroko zakrojonej kolonizacji. Cytując dr. Roberta Zubrina, wieloletniego propagatora załogowej misji na Marsa i autora licznych, poświęconych temu książek:

[plan Muska] to nie Apollo, to D-Day.

Mówiąc „D-Day”, dr Zubrin przyrównuje logistykę przedsięwzięcia do lądowania aliantów w Normandii – czyli nie operacja dywersyjna ani wysiłek propagandowy, a otwarcie nowego frontu potężnym desantem, w toku którego przybycie astronautów poprzedzają dostawy prawdziwie ciężkiego sprzętu (łącznie setki ton wyposażenia w misjach bezzałogowych, by odpowiednio zabezpieczyć pierwszych osadników).

By dało się tak astronomiczne wyzwanie utrzymać w ryzach przyziemnej ekonomii, SpaceX konstruuje obecnie system Starship. Jeśli wszystko pójdzie po myśli Muska – a wiele na to wskazuje – zmieni on paradygmat planowania wszelkich, późniejszych wypraw na dowolne ciała Układu Słonecznego. Dokładnie tak, jak Ford T odmienił na zawsze przemysł motoryzacyjny. Dr Zubrin zdaje się zresztą podkreślać przy każdej, nadarzającej się mu okazji, że nazywanie wydarzeń w Teksasie „budową rakiety” nie oddaje istoty rzeczy, gdyż Muskowi nie chodzi wcale o rakietę, lecz o fabrykę rakiet.

Prototypy Starshipa o oznaczeniach SN9 i SN10 przed lotami testowymi. [@RGVaerialphotos via Twitter]

Właściwie, Starship nie jest nawet rakietą w znaczeniu, w jakim historia przyzwyczaiła nas myśleć o rakietach (rakieta wynosi niewielką kapsułę, sondę czy satelitę, a następnie staje się „orbitalnym złomem” lub spala w atmosferze/spada do oceanu). Gotowy Starship będzie pierwszym, pełnoprawnym statkiem kosmicznym – bardzo bliskim ideom, znanym do tej pory z książek Stanisława Lema i innych autorów naukowej fantastyki. Dowodzony np. przez Pilota Pirxa statek nie jest jednorazowy: może wylądować na interesującym ciele niebieskim, wykonać określone zadanie, a następnie odlecieć w stronę innej lokalizacji w Układzie Słonecznym. Bez konieczności wymiany części, bez żmudnych oględzin przez setkę inżynierów.

Musk zakłada, że zalążek kolonii wymaga dostarczenia na Marsa miliona ton cargo, a w tym celu potrzebnych będzie 1000 (tysiąc) statków, każdy zdolny do wielokrotnych startów i lądowań. Pod tym względem, Starship ma być w „codziennej eksploatacji” zdecydowanie bliższy samolotom pasażerskim niż współczesnym rakietom. System, charakteryzujący się tak zwaną „pełną reużywalnością” (używalny wielokrotnie bez potrzeby każdorazowego serwisu, ang. fully-reusable launch vehicle) uznawany jest, nie bez przyczyny, za Świętego Graala przemysłu kosmicznego.

Co więcej, dzięki wykorzystaniu stali nierdzewnej jako głównego materiału konstrukcyjnego (jeden z wielu rewolucyjnych pomysłów Muska), jednostkowy koszt produkcji statku ma z czasem spaść do poziomu poniżej 10 mln dolarów, a docelowy koszt silnika Raptor poniżej dolara na każdy kilogram generowanego ciągu. To wyniki, do jakich długo nie zbliży się reszta sektora, tym bardziej w odniesieniu do rakiety klasy superciężkiej (na ten moment, jedyną, operacyjną rakietą superciężką na świecie jest Falcon Heavy, której najbliższy start zaplanowany jest wstępnie na I kwartał 2022 roku – będzie to pierwsza w historii próba synchronicznego lądowania dwóch boosterów na autonomicznych barkach).

Dla uważnych obserwatorów tempa prac w Boca Chica, dostrzegających rosnący dystans, jaki dzieli SpaceX od konkurentów, stało się klarowne, że stulecie to zostanie zapamiętane jako zmierzch ery tzw. „Old Space” i nadejście „New Space”, w której kierunki rozwoju wytyczają prywatne firmy, a motywatorem innowacji jest redukcja kosztu wyniesienia ładunku (co nigdy nie było priorytetem dla państwowych agencji).

Starship w wersji załogowej – wizja artystyczna na potrzeby marketingu misji #DearMoon, zapowiadanej najwcześniej na rok 2023. [SpaceX]

W nowych realiach tym istotniejsza (choć w obliczu walki cenowej wiele osób zobaczy tu sprzeczność) stanie się troska o bezpieczeństwo – kosmos przestanie być dostępny jedynie dla niewielkiej garstki świetnie wytrenowanych specjalistów. Branża otworzy się na turystów (loty suborbitalne, orbitalne, a także kilkudniowe rejsy widokowe wokół Księżyca, jak zaplanowana już misja #DearMoon – jej pomysłodawca i sponsor, miliarder Yusaku Maezawa, kończy właśnie swój 12-dniowy pobyt na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej), a nawet chętnych do tymczasowej relokacji na Marsa. Owszem, stosunkowo wysokie prawdopodobieństwo śmiertelnych wypadków wciąż będzie występować, lecz diametralnie zmieni się komfort podróży oraz ekspozycja „astronautów-amatorów” na typowe zagrożenia przebywania w pozaziemskim środowisku. Jednym z takich zagrożeń jest promieniowanie jonizujące, od negatywnego wpływu którego jesteśmy na co dzień izolowani.

Popularyzacja lotów międzyplanetarnych wymusi dopracowanie środków zaradczych z zakresu przeciwpromiennej profilaktyki – zostaną one szczegółowo omówione w tym oraz kolejnych wpisach. I chociaż da się argumentować, że temat ochrony przed naładowanymi cząstkami nie należy do najbardziej ekscytujących, gdy mowa o zasiedlaniu innej planety, pozwala on w klarowny sposób zobrazować skalę przewagi statku Muska nad dotychczasowymi projektami.

Z drugiej strony, problematyka „niosących śmierć” promieni (jak to ujął Jacek Bartosiak w swej nowej, skądinąd poważnej książce „Wojna w kosmosie”) wciąż powraca w kontekście bariery, która miałaby wręcz uniemożliwić ludzkości długotrwałe funkcjonowanie z dala od Ziemi. Na podobne stwierdzenia natknąć się można w wiodących tytułach, których redakcje bezbłędnie zdiagnozowały, że fraza Elon Musk i temat jego marsjańskiej kolonii wzbudzają niemałe kontrowersje, zaś rezultatem kontrowersji są w Internecie kliknięcia. Co można, do pewnego stopnia, postrzegać za zjawisko pozytywne – wszak uczynienie z pisania o wyzwaniach eksploracji kosmosu generatora odsłon nie brzmi jak zbrodnia.

Niestety, pogoń za zwiększaniem ruchu na www nierzadko odbywa się za cenę rzetelnej informacji. Do wyrażenia poglądów zapraszani są youtuberzy, nader często oferujący „eksperckie opinie” bez dostatecznego przygotowania merytorycznego. Zdarzają się też wywiady z osobistościami nauki czy kompetentnymi popularyzatorami tejże, których kompetencje dotyczą jednak zupełnie innych obszarów niż te, o jakich proszeni są zająć stanowisko. Nie ułatwia to nawigowania w poszukiwaniu wiarygodnych danych.

Tymczasem, dla każdego entuzjasty załogowych misji kosmicznych, pragnącego być na bieżąco ze stanem naszego zrozumienia problemu, warto będzie przyjrzeć się tej przeszkodzie z bliska, a śmiałe zapowiedzi SpaceX są ku temu wyjątkowo dobrym pretekstem.

Elon Musk prezentuje system Starship na forum Międzynarodowej Federacji Astronautycznej. Na slajdzie można zauważyć, że pierwotny projekt zakładał włókno węglowe jako podstawowy materiał konstrukcyjny – SpaceX wykonał w tej technologii testowy zbiornik paliwa (będący największą, monolityczną konstrukcją tego typu), lecz z końcem 2018 roku Musk doszedł do zaskakującego wniosku o przewadze stali nierdzewnej. W wywiadzie udzielonym Popular Mechanics zdradził, że wiele energii kosztowało go przekonanie reszty zespołu do porzucenia włókna węglowego (stal nigdy nie była stosowana do wykonania zbiorników i poszycia rakiet). Decyzja ta szybko okazała się kluczowa dla tempa modyfikacji kolejnych prototypów. [Refugio Ruiz via AP Photo]

Sam Musk, pytany o promieniowanie (i będący obiektem krytyki niektórych komentatorów, za rzekome bagatelizowanie zagrożenia dla przyszłych astronautów), zdaje się szczególnie nie przejmować – na forum Amerykańskiej Akademii Nauk, dn. 18.11.2021, skwitował tę kwestię beztroskim „coś sprytnego wymyślimy”.

Z kolei podczas sesji Q&A, po swojej prezentacji na konferencji Międzynarodowej Federacji Astronautycznej w 2016 roku (zdjęcie powyżej), tak odnosił się sprawy:

The radiation thing is often brought up, but I think it’s not too big of a deal.

Czyli, w luźnym tłumaczeniu:

Problem promieniowania jest często podnoszony, ale nie robiłbym z tego wielkiego halo.

Jednym z zaniepokojonych wyrażanym przez szefa SpaceX poglądem jest współpracujący z NASA naukowiec, dr Nathan Schwadron (wielokrotnie nagradzany za wkład w badania Układu Słonecznego, m.in. jako członek zespołów odpowiedzialnych za sondy New Horizons oraz Lunar Reconnaissance Orbiter), który w wypowiedzi dla magazynu Inverse wyznał, że jego zdaniem sektor prywatny nie traktuje problemu wystarczająco poważnie:

We know that it’s not going to kill astronauts immediately, but in terms of long-term effects, we know next to nothing. And the only information we have comes from relatively short missions we did many, many years ago when the radiation environment was different.

Wiemy, że [promieniowanie] nie zabije astronautów od razu, ale nasza wiedza na temat skutków oddalonych w czasie jest szczątkowa. Dane, jakie posiadamy, zbierane były podczas relatywnie krótkich misji, gdy poziomy promieniowania były inne.

Rzeczywiście, potrzeba dalszych analiz jest bezdyskusyjna, a nasz zasób informacji nie pozwala definitywnie rozwiać wszystkich wątpliwości. Co do tego, niemożliwością jawi się znalezienie chętnych do polemiki. Zapewne nikt przy zdrowych zmysłach nie insynuowałby też, że to właśnie Elon Musk dysponuje jakąś wiedzą o fizycznych właściwościach promieniowania, która niedostępna jest dla czołowych ekspertów.

Czy jednak dr Schwadron, formułując swoje ostrzeżenia pod adresem „sektora prywatnego”, bierze pod uwagę faktyczne możliwości systemu Starship? A może wybrzmiewają w jego opinii, typowe dla „Old Space” (i ludzi ogółem, nie wyłączając naukowców), wyobrażenia o lotach w ciasnych kapsułach, w jakich astronautów dzieli od złowrogiej przestrzeni kosmicznej cienka warstwa aluminium?

Poniżej spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, ile jest słuszności w argumentach „alarmistów”, a także czy niewzruszone podejście Muska można oprzeć na fundamencie solidnych danych, z uwzględnieniem architektury Starshipa.

Wpis stanowi kontynuację artykułu, w którym wyjaśniam naturę zjawiska promieniowania kosmicznego oraz przybliżam związane z nim ryzyka dla lotów załogowych poza pole magnetyczne Ziemi. Dla pełniejszego zrozumienia omawianych dalej kwestii, rekomenduję przeczytać najpierw część pierwszą.

Dla osób, które preferują od razu „skoczyć na głęboką wodę” lub czytały poprzedni wpis dawno (ukazał się on blisko rok temu), skrótowo podsumowuję najważniejsze, płynące z niego wnioski:

  • nieobojętne dla zdrowia astronautów w międzyplanetarnych misjach są dwa rodzaje promieniowania: cząstki spoza Układu Słonecznego (tzw. promieniowanie galaktyczne, dalej GCR) oraz cząstki, emitowane przez Słońce podczas wysokoenergetycznych rozbłysków, zwanych czasem „burzami magnetycznymi” (dalej SPE, od solar particle event);
  • intensywność (a tym samym negatywny wpływ na zdrowie) i częstotliwość SPE rośnie wraz z poziomem aktywności słonecznej, w 11-letnich cyklach (aczkolwiek w okresach niskiej aktywności również mogą wystąpić potężne rozbłyski – zdarza się to jednak sporadycznie); w przypadku GCR korelacja jest odwrotna;
  • cząstki emitowane podczas SPE poruszają się znacznie poniżej prędkości światła, co umożliwia ostrzeżenie astronautów o groźbie zwiększonego promieniowania i daje czas na znalezienie schronienia;
  • im cząstki poruszają się szybciej (ich energia jest większa, gdyż ta stanowi wypadkową prędkości i masy, zgodnie z równaniem E=mc²), tym trudniej je zatrzymać i tym samym chronić wnętrze statku przed promieniowaniem;
  • penetrujące ziemskie pole magnetyczne protony GCR rozpadają się następnie w atmosferze na cząstki o niższych energiach, docierające do powierzchni jako wtórne promieniowanie kosmiczne (im więcej atmosfery ponad naszymi głowami, tym mniejszą otrzymujemy dawkę) – na Marsie również wysokość nad poziomem „morza” ma istotne znaczenie dla dawki promieniowania przy powierzchni.

W tej i kolejnych częściach skupimy się na rozwiązaniach, dzięki którym ryzyko dla astronautów może być mitygowane.

Szczególnie interesuje nas misja na Marsa z wykorzystaniem systemu Starship. Dlatego, zanim przejdziemy do kompleksowego omówienia związanych z tym zagadnień, sformułujmy dodatkowe twierdzenia, które będą punktem wyjścia dla lepszego zrozumienia wyzwań, przed jakimi stoją inżynierowie SpaceX:

  • dawki promieniowania w związku z ekspozycją na GCR nie są istotnym zagrożeniem (zarówno w obrębie ziemskiego pola magnetycznego, w okresie tranzytu, jak i na Marsie), a ich wpływ na zdrowie jest niemalże pomijalny w okresie trwania typowej misji (w horyzoncie całego życia, ryzyko wywołanej przez GCR choroby nowotworowej szacowane jest na około 3%, aczkolwiek inne, potencjalne skutki uboczne nie są zbadane – panuje jednak zgoda co do znaczenia indywidualnej kondycji organizmu);
  • dawki promieniowania na skutek SPE mogą zagrażać zdrowiu i życiu, jeżeli rozbłysk jest wyjątkowo silny, a astronauci przebywają poza ekranowanym habitatem (sporadycznie zdarzają się anomalie, które mogą wywołać chorobę popromienną, zaś najpotężniejsze w historii obserwacji emisje skutkowałyby dawką uznawaną za śmiertelną);
  • osiągnięcie wysokiej skuteczności ekranowania utrudnia fakt, że zatrzymana cząstka o dużej energii ulega rozpadowi, tworząc kaskadę kolejnych cząstek o energiach niższych, czyli promieniowanie wtórne – jego specyfika zależy m.in. od ośrodka, w którym cząstka pierwotna wytraca energię;
  • GCR zawiera też cząstki, poruszające się niemal (>90%, a nawet >99%) z prędkością światła, co czyni ich ekranowanie w najlepszym razie niepraktycznym (ponadto, emisja cząstek wtórnych może być w takim przypadku groźniejsza niż sytuacja, w której cząstka pierwotna przelatuje przez statek na wylot); należy zatem skonkludować, iż metoda zatrzymania wszystkich cząstek GCR nie istnieje, jednak nie zachodzi potrzeba ekranowania o 100-procentowej skuteczności.

Kluczowe jest więc pytanie…

Jak osłonić astronautów przed promieniowaniem w optymalny sposób?


Zapewnienie całkowitej ochrony przed GCR w okresie tranzytu Ziemia-Mars jest po pierwsze niekonieczne (dawki otrzymywane przez ludzi pozbawionych jakiegokolwiek, dedykowanego ekranowania nie stanowią dużego zagrożenia, zwłaszcza w okresie wysokiej aktywności słonecznej – patrz pierwsza część artykułu), a po drugie zbyt trudne – zatrzymanie choćby zdecydowanej większości cząstek GCR metodą ekranowania pasywnego wymagałoby wielu warstw zaawansowanych polimerów, które jednak sukcesywnie traciłyby swoje ekranujące właściwości (bombardowanie wysokoenergetycznymi protonami narusza z czasem strukturę molekularną materiału).

Jedynym sposobem na stworzenie wolnej (choć też nie w 100%) od promieniowania „bańki” w przestrzeni międzyplanetarnej są aktywne tarcze, które jednak wiążą się z przezwyciężeniem szeregu problemów i wymagają dużych instalacji, montowanych na orbicie. Pod tym względem, aktywne systemy antyradiacyjne można przyrównać do mechanizmów rotacyjnych, imitujących pozostawanie statku w charakterystycznym dla planety polu grawitacyjnym – takie rozwiązanie również byłoby wielce przydatne w długich podróżach, lecz jego zastosowanie w jednostkach o małych rozmiarach pozbawione jest sensu praktycznego.

​Pierwsi kolonizatorzy nie zyskają więc pełnej ochrony przed GCR, lecz osoby planujące misję muszą zapewnić im w zamian adekwatne zabezpieczenie przed rozbłyskami słonecznymi, ponieważ to one stanowią realne, a bardzo sporadycznie wręcz śmiertelne zagrożenie.

Na szczęście, zważywszy na osiągane przez cząstki emitowane przy okazji SPE energie, ekranowanie pasywne zdaje egzamin. Dodatkowo, z uwagi na możliwość wczesnego ostrzegania o sytuacji na Słońcu, nieracjonalnym wydaje się (aczkolwiek może się tylko wydawać – o tym później) wyposażanie statku wielkości Starshipa w powłokę, ekranującą jednakowo silnie wszystkie pokłady. Wektor zagrażających załodze cząstek jest znany, co pozwala na stosowanie tarcz kierunkowych. Istnieje wreszcie opcja, by w okresie całego lotu utrzymywać statek w stałej pozycji względem Słońca, aby astronauci byli od niego oddzieleni ładownią, zbiornikami paliwa, silnikami. Takie rozwiązanie byłoby wystarczające w przypadku typowych rozbłysków i można sobie wyobrazić podjęcie ryzyka rezygnacji z innych systemów (podobnie, jak można sobie wyobrazić wyjazd na wakacje samochodem bez poduszek powietrznych – w większości sytuacji nie będą one potrzebne).

Niezależnie jednak od profilaktycznego pozycjonowania statku, warto rozważyć specjalny schron antyradiacyjny. Z dużą dozą pewności można założyć, iż taki właśnie kurs zostanie (a właściwie został, ponieważ wstępne plany wnętrz załogowych istnieją, a po prostu nie są znane opinii publicznej) obrany przez SpaceX. Schron jest tym bardziej zasadny, że w pierwszych miesiącach na Marsie statek służyć będzie za podstawowy habitat, tj. głównie jego dziób i ściany (nie rufa z silnikami i zbiornikami) doświadczać będą kontaktu z rozpędzonymi cząstkami.

Statki załogowe na Marsie – wizja artystyczna. Przedstawiony układ okien należy traktować jako poglądowy (jest niemal pewne, że plan pokładów w pierwszych Starshipach nie będzie odpowiadać oknom na wizualizacjach); prawdopodobnie zmieni się też kształt docelowych powierzchni aerodynamicznych. [SpaceX]

Osłona przed promieniowaniem Słońca, sama w sobie, nie jest skomplikowana w wykonaniu – trudność pojawia się dopiero, gdy ekranowanie ma być jednocześnie skuteczne i maksymalnie lekkie. Przez skuteczne należy rozumieć, iż energia cząstek SPE nie tylko jest absorbowana, lecz również, że w wyniku tej absorpcji sam materiał ekranujący nie zaczyna z czasem promieniować. Dlatego zupełnie nie sprawdziłby się np. ołów, a aluminium nadaje się tylko do pewnego poziomu grubości (masa około 20 g/cm²), po przekroczeniu którego może „robić więcej złego, niż dobrego” (paradoks spowodowany akumulacją neutronów, odpowiedzialnych za promieniowanie wtórne). Generalnie, metale radzą sobie z zadaniem wyraźnie gorzej niż tworzywa sztuczne (plastiki). Z drugiej strony, metale mają inne, pożądane przez inżynierów szeroko pojętej awiacji właściwości – nie można więc, oczywiście, projektować kadłuba statku wyłącznie z myślą o ograniczeniu radiacji.

Summa summarum, współczesna nauka nie zna jednego, „magicznego” materiału, którego cienka warstwa zapewniałaby ochronę przed promieniowaniem o różnych energiach i „twardościach” spektrum. Planując misję, trzeba się zatem zdecydować na pewien złoty środek między masą, a możliwością zatrzymania cząstek o danej charakterystyce. By ekstremalnie streścić stan naszej wiedzy, sformułujmy twierdzenie, iż najlepiej sprawdzają się kompozyty, których składową jest wodór – np. lekki i tani w produkcji polietylen lub materiały na bazie wodorku litu (LiH). Obiecujące są też efekty badań nad kompozytami o bardziej złożonej strukturze, wykorzystujących np. nanorurki azotku boru (BNNT) – te technologicznie zaawansowane i kosztowne w pozyskaniu tworzywa mogą kiedyś znaleźć zastosowanie m.in. w skafandrach kosmicznych, z uwagi na swoją elastyczność.

[„Investigation of shielding material properties for effective space radiation protection”, Naito et al., 2020]

Istnieje jednak inny, bogaty w wodór surowiec, który świetnie sprawdza się w roli tarczy przed promieniowaniem. Co prawda, nie jest on lekki, lecz reguła lżej=lepiej wyjątkowo go nie dotyczy, ponieważ w każdą misję załogową i tak konieczne jest zabranie dużych jego zasobów. Najlepsza zaś, z punktu widzenia ekonomii przedsięwzięcia, konstrukcja ekranująca to taka, która spełnia więcej niż tę, jedną funkcję. Skoro więc astronauci potrzebują H2O do picia, dlaczego nie utworzyć z systemu filtracji przeciwpromiennego „płaszcza”?

Tu właśnie wracamy do zasadniczych różnic w optyce Old Space vs SpaceX.

Mianowicie tezy, jakoby woda rzeczywiście stanowiła wyjątek od reguły lżej=lepiej, nie dałoby się obronić w ujęciu historycznym. Masa ogółem zawsze była głównym czynnikiem, ograniczającym wszelkie, pozaziemskie inicjatywy ludzkości. Z kolei fraza „nie jest lekka” w odniesieniu do H2O i wynoszenia ładunku na orbitę jest, patrząc przez pryzmat Starego Kosmosu, sporym niedopowiedzeniem.

Należy podkreślić, że choć właściwości ekranujące wody są doskonale znane od dekad, nigdy nie była ona stosowana (ani nawet brana pod uwagę przy projektowaniu dotychczasowych statków kosmicznych, jeżeli mówimy o dedykowanych temu celowi instalacjach), właśnie ze względu na kryterium wagi.

Dowolne misje, od wirtualnej deski kreślarskiej po zamówienie ostatniego układu scalonego, nabierają kształtu pod nieustanną i niewzruszoną presją delta v. W tym równaniu, lepszy instrument badawczy przegrywa najczęściej z lżejszym, a uszczuplenie sondy o ekstra kilogram pozwala uzasadnić zwiększenie kosztu poszczególnych komponentów o rząd wielkości. Nie jest przesadą stwierdzenie, iż „ekosystem planowania” lotów kosmicznych, w tym ścieżki, jakimi podąża sama myśl techniczna i podejmowane na każdym rozdrożu decyzje inżynieryjne, podporządkowany jest kompromisowi: ile nauki da się zmieścić w tonie.

Tak ubrał to w słowa (na swoim rewelacyjnym blogu) Casey Handmer, zatrudniony do niedawna jako programista w NASA JPL:

Entire design languages and heuristics are reinforced, at the generational level, in service of avoiding negative consequences of excess mass.

Całe języki projektowania i heurystyki wzmacniane są, na poziomie pokoleniowym, w służbie unikania negatywnych konsekwencji nadmiaru masy.

Spójrzmy więc na rekordowo masywny obiekt na niskiej orbicie – Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, jako największy (znany nam), sztuczny zbiornik H2O poza Ziemią, zawiera jej i tak o wiele za mało, by mogła stanowić podstawową ochronę przed promieniowaniem (moduły stacji ekranowane są lekkimi tworzywami sztucznymi) – astronauci zużywają do codziennych czynności ponad 10-krotnie mniej wody niż „ziemska średnia”. Higiena jest dość ograniczona (głównie do nawilżanych chusteczek), choć na rzecz oszczędności działa brak ciążenia, umożliwiający dalece bardziej efektywne „obchodzenie się” ze wszelkimi płynami (trick z umyciem się w szklance wody nie zadziała jednak na Marsie). Stosowany jest również wyrafinowany obieg zamknięty, odzyskujący około 93% wody wydalanej, z potem i oddechem włącznie. Opracowanie ultra-wydajnych technik recyklingu było esencjonalne, właśnie przez wzgląd na zredukowanie konieczności zaopatrywania stacji w wodę, której waga „zabierałaby” cenne miejsce w rakiecie.

Poza tym, jak zostało wspomniane w pierwszej części artykułu, wysokość orbity ISS leży w obrębie ziemskiego pola magnetycznego, a zatem dedykowany schron antyradiacyjny nie jest na niej niezbędny. Inaczej przedstawia się sytuacja w drodze na Księżyc – dlatego w planach Artemis uwzględniono procedurę, wg której załoga statku Orion miałaby, w razie otrzymania ostrzeżenia o wysokim poziomie promieniowania, zaaranżować dla siebie prowizoryczną osłonę z dostępnych w kapsule napojów i pożywienia. Czyli w skrócie: propozycją NASA dla astronautów jest własnoręczne otoczenie się pojemnikami z prowiantem.

Agencja opublikowała nawet film, dumnie prezentujący działanie tego „systemu”:

I to byłoby na tyle, jeśli chodzi o plany ekranowania wodą sprzed „ery Starshipa”.

W jednym z opracowań, na jakie natknąłem się przy okazji pisania artykułu, prezentowane na video rozwiązanie określone zostało jako zero mass storm shelter obtained by reconfiguration i trzeba przyznać, że to niesłychanie zgrabna terminologia na założenie sobie torby na głowę…

Znamiennym jest jednak przykładanie w tego rodzaju opisach nacisku na brak konieczności dodawania masy – taka właśnie narracja towarzyszy przemysłowi kosmicznemu od jego zarania, co owocuje osobliwą, samospełniającą się przepowiednią: promieniowanie jest groźne, gdyż najlepsze metody ekranowania są po prostu zbyt ciężkie, by w ogóle poświęcać im czas.

Tak np. wypowiadał się o problemie Matthew Lemke, którego pozycja w NASA to „Orion Avionics, Power and Wiring Manager”:

Matt Lemke: Space station has, you know, a certain amount of aluminum on it. Orion has, you know, aluminum, titanium, some back shells. But these particles are so energetic, they’re just going to go through. So, we don’t get a lot of physical shielding from anything like that. You know, if you had a space craft that was surrounded by a foot of water, like a water bladder, that would really help reduce your radiation risk.

Host: Yeah.

Matt Lemke: Kind of heavy and not very practical.

Host: Right. Yeah. That’s a lot of water.

Matt Lemke: [Cząstki promieniowania kosmicznego] mają takie energie, że poszycie stacji czy Oriona nie zapewnia istotnego ekranowania. Wiesz, co innego, gdybyśmy mogli otoczyć statek jakby wodnym pęcherzem, powiedzmy 30-centymetrowym – to naprawdę pomogłoby zredukować ryzyko [dla astronautów].

Trudno się jednak dziwić podejściu NASA, mając świadomość, że koszt jednego startu rakiety SLS dla amerykańskiego podatnika, nie licząc R&D, przekracza 900 mln dolarów (co najmniej – finalne wartości zależeć będą od wystąpienia dalszych opóźnień oraz tego, ile razy ta superciężka rakieta poleci na orbitę, zanim stanie się zbędna za sprawą SpaceX), a sam Orion oferuje wielodniową podróż w warunkach niewiele wygodniejszych niż w misjach Apollo. Wody jest na nim zaledwie 240 litrów, a astronauci mają do dyspozycji 9 metrów sześciennych.

Warto przy tym nadmienić, że nawet tak skromna ilość H2O, rozlokowana w formie permanentnego płaszcza, otaczającego załogę warstwą 8 mm, ograniczyłaby dawki promieniowania na skutek typowego SPE o 10-20% i wg komputerowych symulacji (aczkolwiek przeprowadzonych przez autora bez dostępu do specyfikacji Oriona, stąd wyniki obarczone są dużym marginesem błędu) chroniła nieco efektywniej niż „plan schowania się pod prowiantem”. Oczywiście, integracja płaszcza zwiększyłaby minimalnie wagę statku, co z perspektywy NASA jest wadą dyskwalifikującą.

SpaceX zmienia zasady gry


Zerwanie z „dogmatem” jednorazowości rakiet umożliwi wynoszenie ładunków na Marsa (czy w inne miejsca Układu Słonecznego) w nieosiągalnych wcześniej cenach, a także załogowe loty w bezprecedensowo przestronnych wnętrzach.

Prototyp Starshipa w porównaniu z Airbusem A380 (największy samolot pasażerski). [@ErcXspace via Twitter]

Na górze: porównanie rozmiarów Oriona oraz kapsuły SpaceX Dragon (po lewej); Starship, prom kosmiczny i Dragon (po prawej). Na dole: Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, prom kosmiczny, rakieta Falcon Heavy (SpaceX) oraz Starship na szczycie stopnia nośnego SuperHeavy [kolejno: @RogerLewisHolt via Twitter, @Dtrford via Twitter, Dawid Ryś we współpracy z autorem]

Całkowita objętość części hermetyzowanej bliska jest największemu samolotowi pasażerskiemu (bez luków bagażowych) i porównywalna z Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Przy czym modułowa konstrukcja ISS jest zdecydowanie mniej „ustawna” niż wynoszony jako całość Starship.

NASA nie uznała nigdy statku o podobnych gabarytach za wartego choćby analizowania, tym bardziej w kategoriach czegoś możliwego do sfinansowania.

Jego ukończenie przez SpaceX pozwoli, po raz pierwszy w historii, na praktyczną implementację permanentnego ekranowania z użyciem płaszcza wodnego.

(…)

teaser 1

Artykuł powstał w ramach współpracy z użytkownikiem TexasBocaChica, publikującym swoje teksty w serwisie Substack. Wszystkie jego wpisy można znaleźć pod tym linkiem, zachęcamy do subskrybowania.

Przypisy

Zbliżoną historię opisał magazyn Inverse, cytując byłego astronautę Garretta Reismana: [w SpaceX] na jednym spotkaniu ustalamy rzeczy, które w NASA ciągnęłyby się przez lata. Reisman wie o czym mówi, ponieważ w pewnym okresie swej kariery odpowiadał za procedury awaryjne w misjach wahadłowca – nie udało mu się wtedy przeforsować zakupienia przez agencję kolorowej drukarki, by uczynić książki z instrukcjami dla załogi bardziej czytelnymi w kryzysowym momencie. A jeśli ktoś jest daltonistą? – słyszał od przełożonych. Argumentacja, że przez sito rekrutacyjne nie przechodzą astronauci-daltoniści, okazała się niewystarczająca.

hls summary of eval results

Jako założyciel międzynarodowej organizacji non-profit The Mars Society (od 1999 roku z oficjalnym oddziałem w Polsce – dzięki wysiłkom organizacyjnym Mars Society Polska wielu naszych naukowców bierze aktywny udział w marsjańskich projektach badawczych) oraz autor koncepcji Mars Direct, której poszczególne elementy były kompleksowo analizowane przez NASA, a częściowo też implementowane w propozycjach budżetowych agencji (można by nawet zaryzykować tezę, że Space Launch System nie otrzymałby finansowania, gdyby nie konsekwentny „lobbing” Zubrina na kolejne administracje w temacie pilnej potrzeby superciężkiej rakiety – jej projekt, oparty na komponentach rodem z programu wahadłowców, został pierwotnie przedstawiony w ramach działań Mars Society), Zubrin od ponad 30 lat walczy „na linii frontu” bitwy o bazę na Czerwonej Planecie.

Jest wielce prawdopodobne, że właśnie Zubrin odpowiada za „zarażenie” Muska wizją podboju Marsa.

Dziś bardzo niewiele osób pamięta, że firma SpaceX założona została jako odpowiedź Muska na pytanie „skąd wziąć tanie rakiety” po tym, gdy na panewce spaliły jego próby zakupienia poradzieckich pocisków balistycznych, z zamiarem ich przerobienia i usprawnienia. Po co Musk, jako młody milioner (jeszcze długo nie miliarder) Doliny Krzemowej, latał do Rosji po rakiety z demobilu? Ponieważ chciał wysłać na Marsa „mini-szklarnię” (projekt ochrzczony przez niego Mars Oasis), dzięki której „życie dotarłoby dalej, niż kiedykolwiek w historii”, co miało rozniecić zainteresowanie szerokiej opinii publicznej eksploracją kosmosu i wywrzeć presję na Kongres, by zwiększyć budżet NASA.

Musk utworzył w tym celu fundację Life to Mars (około rok przed założeniem SpaceX), jednak pomysł wysłania roślin na inną planetę nie pojawił się w próżni: otóż kilka miesięcy wcześniej Musk gościł na gali charytatywnej Mars Society, gdzie momentalnie wzbudził zainteresowanie Zubrina (m.in. przez fakt, że Elon zjawił się z czekiem na 5000 dolarów, tj. 10x koszt wejścia na galę), który wypił z nim kawę przed uroczystym obiadem, a następnie zaprosił do swojego stolika. Tam miejsca zajęli również reżyser (a także znany entuzjasta eksploracji kosmosu i nie tylko) James Cameron oraz specjalistka NASA, dr nauk planetarnych Carol Stoker. Dyskusja toczyła się o konstrukcji przez Mars Society symulowanej bazy marsjańskiej oraz idei wysłania na orbitę żywych myszy w kapsule rotacyjnej.

„Elon był wyjątkowo skoncentrowany na tej rozmowie, to odróżniało go od innych milionerów na gali” – relacjonował później Zubrin – „nie orientował się jeszcze w temacie, lecz myślał jak naukowiec i oczekiwał szczegółowego wytłumaczenia, co planujemy w odniesieniu do Marsa oraz dlaczego jest to ważne”. Tuż po spotkaniu, Musk przelał 100 tys. dolarów dotacji na rzecz Mars Society, zaś Zubrin, widząc w nim potencjalnie kluczowego sojusznika, nominował go do Rady Nadzorczej organizacji.

W świetle tych wydarzeń wydaje się więc dość realistyczne, iż genezą projektu Mars Oasis była chęć Muska, by pchnąć do przodu cele organizacji, której stał się członkiem (być może myszy na orbicie wydały mu się za mało ambitne i mniej medialne niż rośliny na Marsie).

Po tegorocznym, spektakularnym lądowaniu Starshipa (SN15), Zubrin wspominał swoją ówczesną relację z Muskiem następująco:

(…) Pieniądze nie grały dla niego roli. Gdyby chciał zarobić więcej, potrafiłby to zrobić na mnóstwo łatwiejszych sposobów, niż finansując start-up rakietowy – przedsięwzięcie o ogromnym stopniu trudności, niemal skazane na porażkę [przed SpaceX, żadnej prywatnej firmie w historii nie udało się własnym sumptem zaprojektować i sfinansować rakiety orbitalnej – przyp. autora]. Poszukiwał celów o dziejowym znaczeniu. (…) Byłem jednym z tych, którzy przekonywali go, by uczynił z Marsa swoje powołanie.

Cóż, nikt nie może zarzucić Zubrinowi, że w swej argumentacji na rzecz Marsa nie jest przekonujący (zdecydowanie zachęcam do obejrzenia tego 4-minutowego fragmentu wykładu, by na jego podstawie odpowiedzieć sobie, czy coś podobnego, tylko w nieporównywalnie większej dawce, mogło mieć wpływ na młodego Elona…).

Przytoczone wyżej słowa Zubrina znajdują dodatkowe potwierdzenie w dawniejszej wypowiedzi Muska, który przy okazji jednego z wywiadów stwierdził, iż jako wielki miłośnik gier komputerowych (Musk zaprojektował i sprzedał swoją pierwszą, prostą grę w wieku 12 lat, zaś po emigracji do Ameryki, jako student, utrzymywał się m.in. z pracy jako programista dla niewielkiego studia… Rocket Science Games) zawsze chciał je projektować, lecz miał jednocześnie świadomość, że nieważne jak wspaniałe byłyby to tytuły, nie będą mieć żadnego znaczenia w ujęciu historycznym. „Kocham gry, ale nie byłem w stanie traktować takiej drogi poważnie” – wyznał.

Kończąc ten niepoważnie długi przypis (który prawdopodobnie powinien być oddzielnym artykułem) warto zauważyć, że Musk wciąż gości na konwentach Mars Society (przy czym zdjęcie niżej pochodzi z roku 2006 – tu video-rozmowa z Dr. Zubrinem na e-konferencji w 2020). Sfinansowana z jego dotacji, symulowana baza marsjańska na pustyni stale przyjmuje nowe załogi (w tym z Polski), a znajdujący się na jej terenie teleskop słoneczny, The Musk Mars Desert Research Observatory jest dziś administrowany przez Fundację Muska i służy studentom, którzy mogą zarezerwować czas na wykonanie obserwacji on-line (teleskop jest automatyczny i obsługiwany przez Internet).

musk mars society

Rozbłyski słoneczne w latach 1999-2016, dane o anomaliach niewidocznych z pozycji Ziemi pochodzą z sondy-orbitera Mars Global Surveyor [Camron Saul Gorguinpour, 2010]

Dlatego przed wyruszeniem statków załogowych, pożądane wydaje się uruchomienie jakiegoś rodzaju monitoringu pełnego obwodu Słońcu. Możliwym sposobem rozwiązania problemu jest taktyczne rozmieszczenie satelitów obserwacyjnych (wraz z przekazującymi dane satelitami systemu Starlink – opcja używania usługi SpaceX na Marsie została już zawarta w jej regulaminie i błędem byłoby odczytywać to wyłącznie w kategoriach żartu Muska) na orbicie wokółsłonecznej.

Europejska Agencja Kosmiczna prowadzi obecnie prace nad misją Lagrange (nazwa robocza – trwa proces selekcji nazwy docelowej spośród nadesłanych propozycji), której celem jest „zaparkowanie” dwóch sond w punktach L1 i L5. By uzyskać nieprzerwany ogląd na zachowanie naszej gwiazdy, potrzebne byłoby jeszcze „oko” w punkcie L3, tj. po przeciwnej stronie niż Ziemia. Na dzień dzisiejszy, misja taka nie jest planowana – należy się jednak spodziewać zmiany tego stanu rzeczy, gdy baza na Marsie nabierze realnych kształtów.

We would love to thank the author of this short article for this incredible web content

Promieniowanie kosmiczne a podróże międzyplanetarne – część druga omówienia

Fuzzy Skunk