"Hatféleképp tudok az égbe menni!"

Szegő Károly

KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

 

“Hatféleképp tudok az égbe menni!” lepte meg Guiche grófot Cyrano Rostand színművében, amikor fel akarta tartóztatni a legyottra sietőt (Edmond Rostand: Cyrano de Bergerac, fordította Ábrányi Emil, Európa, 1963). Nem is meglepő, hogy a gróf megállt, hiszen mindenkit érdekel, hogyan is lehet az égbe menni, milyen módon tudjuk a műholdakat, űrállomásokat pályájukra állítani. Ezekkel a technikákkal, eljárásokkal, ötletekkel foglalkozik ez a cikk.

Cyrano ötletei sajnos nem állják ki a gyakorlat próbáját. Egyik ötlete

     “A levegőt cédrus-ládába zárom,
     Gyújtó-tükörrel felfogott sugáron
     Addig hevítem, addig ritkítom,
     Míg száll s a holdig meg sem áll, tudom!"

De hát rosszul tudta. A légkör nem terjed a Holdig és felfelé egyre ritkul. A felbocsájtott ballonok a mai technikával elérhetik a sztratoszférát, akár 20 kilométer magasságba is eljutnak, de feljebb nem. Egy másik javaslata:

     "Mint gépész és rakéta-mester,
     Kemény acélból löveget csinálok…
     Lőport alá – aztán uccu, vesd el,

     Tüzes golyómmal az egekben szállok!"

Kacérkodott ezzel a módszerrel Verne Gyula is. Mi itt a baj? Csak annyi, hogy a tapasztalat megmutatta, nem lehet olyan nagy ágyút és löveget csinálni; hogy egy "rúgással", akármekkora is legyen az, a berendezést épségben föld körüli, vagy még távolabbi pályára állítsuk. (Kozmikus katasztrófák során lehetséges, hogy egy-egy kődarab akkora sebességet kap, hogy egy bolygó felszínéről kijut a világűrbe, vagy átrepül egy másik bolygóra. Így jutottak kőzetdarabok pl. a Marsról a Földre. De ezt emberi erővel nem tudjuk megismételni – és látjuk majd, hogy nem is célszerű, mert a rakétatechnika jobb módszert kínál.) Egy harmadik elképzelés volt a színdarabban a következő:

     "Végül felállok egy arasznyi vasra,
     Mágnest dobok föl, mégpedig magasra,
     A mágnes röppen és mint a bolond:
     A vonzott vas rögtön utána ront.
     S addig vetem föl mágnes-darabom,
     Amíg elérem holdam vagy napom!"

Ez az ötlet az erő-ellenerő egyenlősége miatt nem megy, a mágnes és az arasznyi vason álló Cyrano a legjobb esetben is csak rezegne a rendszer súlypontja körül. De hát akkor hogyan is lehet az égbe menni? A mai technika szerint rakétával. Hogyan is működnek a műholdakat pályára állító rakéták?

A működés alapja az a tény, hogy ha akármiből, pl. egy kocsiból kidobunk pl. egy egykilós vasdarabot, akkor ugyanakkora erő hat a kocsira, mint amekkorával a vasdarabot kidobtuk, és így mindkettő ellenkező irányba kezd mozogni. (Persze elég nagy vasat kell kidobni, hogy a kocsi surlódását legyőzzük.) Jól ismeri az erő-ellenerő jelenségét minden vadász, hiszen emiatt “rúg vissza” az elsütött puska. A kocsira, vagy a puskára ható ellenerő arányos a kidobott test tömegével és sebességével (pontosabban a tömeg és a sebesség szorzata). A rakéta úgy működik, hogy folyamatosan “dobálunk ki” belőle anyagot, és a rakétára ható ellenerő, az u.n. tolóerő mozgatja a rakétát. Ha tehát nagy tolóerőt szeretnénk elérni, akkor jobb minél nagyobb sebességgel kilökni az anyagot. A rakétahajtóművek épp ezt segítik elő, a hajtóanyagban rejlő kémiai energiát alakítják át, és így érik el a hajtógázok nagy kiáramlási sebességét, a nagy tolóerőt. A rakéták teljesítményét pl. jellemezhetjük azzal a sebességnövekedéssel, amit egy másodperc alatt elérnek. Egy modern rakétában ha 1 másodperc alatt 1 kg üzemanyag ég el, akkor egy 1 tonna súlyú rakéta egy másodperc alatt mintegy 4 méterrel több utat tesz meg, mint az előző másodpercben, és így tovább, míg csak a sebesség elég nagy nem lesz ahhoz, hogy elszakadjunk a Földtől. Ahhoz, hogy egy műholdat Föld körüli pályára állítsunk, annak legalább 28800 km/óra sebességet kell elérnie; ahhoz pedig, hogy kijusson a távoli világűrbe, 40000 km óránkénti sebességre kell felgyorsulnia.

A rakéták hátránya, hogy cipelniük kell az üzemanyagot. A televízióban biztos mindenki látta már, hogy egy viszonylag kis műhold pályára állításához is hatalmas rakétákra van szükség. Ez korlátozza a fellőhető műhold súlyát, de a műholdak pályáját is.

Ha messze akarunk jutni a világűrben, más ötleteket is hasznosítani kell, nem csak a magunkkal vitt üzemanyagból, hanem máshonnan is energiát kell szereznünk. Talán meglepő, de a világűr “tele van” megcsapolható energiaforrásokkal:

· A legkézenfekvőbb a Nap fénye, ezt napelemekkel tudjuk elektromos energiává alakítani útközben.

· A tömegvonzás energiája sem megvetendő. A testek vonzzák egymást, emiatt esnek le a tárgyak a földre, a bolygók közötti tömegvonzás alakította ki a Naprendszer mozgását is. Ügyes eljárással kihasználhatjuk ezt az energiaforrást űrhajók sebességének és pályájának módosítására.

· A Nap nemcsak fényt és meleget sugároz, de folyamatosan nagysebességű részecskék is elhagyják. Ezt a részecskeáramlást találóan napszélnek nevezik, felhasználhatjuk ennek a "szélnek", de magának a Nap fényének a tolóerejét az űrhajók gyorsítására.

· A Nap, épp úgy mint a Föld, saját mágneses térrel rendelkezik, szerezhetünk valamicskét e mágneses tér energiájából is.

· Végül talán a Földről is küldhetnénk energiát az űrhajó után?

A rakétahajtást hozzávéve, mi is hat módszert soroltunk fel, épp úgy, mint Cyrano a színdarabban. Nézzük meg részleteiben is, hogyan is lehet(ne) ezeket az ötleteket felhasználni űrbéli utazásokhoz. A Földön a felületek súrlódása, a levegő ellenállása miatt a testek mozgatásához egy minimális erőnél nagyobb kell, még akkor is, ha vízszintesen szeretnénk a tárgyakat mozgatni. A világűrben mozgó tárgyak esetében ez nem így van, nincs közegellenállás, gyakorlatilag nem hat súrlódás, és így a legkisebb erő hatására is megváltozik a mozgásuk. Kis erő segítségével is, ha az megfelelő irányú, nagy távolságokra el lehet jutni, legfeljebb az utazás ideje nyúlik meg. Kis erő persze arra nem alkalmas, hogy a Földtől elszakadjunk, hiszen a gravitációt le kell győzni. Erre csak a nagy rakéták képesek, de ha már egyszer fent vagyunk, viszonylag kis erőhatások segítségével is a kitűzött célhoz érhetünk. Kezdjük hát az energiaforrások vizsgálatát.

A legközismertebb világűrbeli energiaforrás a Nap fénye; hiszen csaknem minden űreszközön napelemek biztosítják az áramellátást. A fényt elektromos energiává átalakító napelemek jól ismertek földi alkalmazásokból is, nálunk talán a leggyakoribb alkalmazásuk, hogy kis kalkulátorokat működtetnek. Nemrégiben írtak az újságok a nemzetközi űrállomás focipálya méretű napelemtábláiról, ezek árama kisebb földi közösségek számára is elegendő lenne. A napelemek által szolgáltatott elektromos árammal nem csak az űreszközök berendezéseit lehet működtetni, de töltött részecskéket is lehet gyorsítani. Nem túlzottan bonyolult töltött részecske gyorsítóval olyan nagy sebességekre lehet a töltött részecskéket felgyorsítani, amely akár a tízezerszerese is lehet a kémiai üzemanyaggal működő rakétákból kiáramló gáz sebességének. Ez viszont azt jelenti, hogy tízezerszer kevesebb üzemanyaggal – egy tonna helyett tíz dekával – ugyanazt a rakétahatást el lehet érni. Nem csoda tehát, hogy ez az ötlet sok mérnököt késztetett arra, hogy ezzel az u.n. ionrakétával foglalkozni kezdjen. Az elmúlt években jutott el a technika odáig, hogy a tervekből valóság lett, és az 1998-ban pályára állított “Deep Space 1” szonda fedélzetén valós körülmények között is sikeresen kipróbálták ezt az új hajtóművet az amerikai űrhajózási hivatal (NASA) kutatói. Az ionrakéta tolóereje, a napelemek korlátozott teljesítménye miatt, elmarad a kémiai rakéták erejétől, közelében aligha éreznénk többet, mintha egy szellő simogatna bennünket. Ez azonban ahhoz teljesen elegendő, hogy a már pályára állított szondát célba vigye. A “Deep Space 1” szonda esetében a napelem is új megoldásokat tartalmazott, a Nap fényét speciális módon ráfókuszálták a napelemcsíkokra, így hétszer több energiát kaptak, mint hagyományos napelemek segítségével. Az ionrakéták rövidesen az űrhajók szokványos hajtóművei lesznek.

A bolygók és holdjaik gravitációs hatását csaknem két évtizede használják arra, hogy elősegítsék űrhajók célbajutását. A csillagászok sok száz év óta jól tudják, ha egy kis test egy nagyobb közelében elhalad, akkor a kis test egyenes vonalú pályája a két test tömegvonzása miatt megváltozik, a kis test mozgása eltérül az egyenestől és más irányban hagyja el a nagyobb test környezetét. Ahhoz azonban, hogy ezt az elméleti tudást fel is lehessen használni, nagyon pontos pályaszámítási módszerekre, nagytelesítményű számítógépekre volt szükség. Mindemellett nagyon pontosan kellett meghatározni mindkét test helyét és sebességét. Ezeket csak az elmúlt évtizedekben tette lehetővé a technika fejlődése.

1. ábra. Az ábra azt mutatja, milyen pályán vezették 1982. 06. 10-tól kezdve (az ábrán a dátumok az amerikai írásmódnak megfelelően láthatóak, hónap-nap-év sorrendben) a NASA “ICE” nevű szondáját annak érdekében, hogy 1985. 09. 11-én találkozzon a Giacoboni-Zinner üstökössel.

E módszer
alkalmazásának egyik csodája volt az a pálya (l. az 1. ábrát), amit a NASA egyik szondája futott be 1984-ben, amikor csekély fedélzeti tartalék üzemanyag felhasználásával vezényelték olyan pályára, hogy találkozhatott egy üstökössel. Az 1. ábrán bemutatott pálya kialakításához a Föld és a Hold fogta be többször rövid időre az űrszondát. A szakirodalomban “hintamanővernek” nevezik ezt a pályamódosító eljárást. Manapság ez a módszer rutinszerűvé vált, csaknem valamennyi naprendszer kutató szonda felhasználja egy vagy több bolygó gravitációs terét üzemanyag spórolásra, akár többször is. Így pl. a Jupiter segítségével tudott az Európai Űrügynökség “Ulysses” nevű szondája kilépni a bolygók keringési síkjából, és történelmünkben először megkezdhette a Naprendszer vizsgálatát teljesen új látószögből. A 2. ábrán a NASA “CASSINI” nevű űrszondája látható; szinte meteornak tűnik amint a Föld gravitációs energiájából merít, hogy elérje végcélját, a Szaturnusz bolygó térségét.

2. ábra. A Cassini űrhajó meteorként látszik a csillagháttérben 1999. augusztus 18-án, amint a Föld gravitációs terét kihasználva folytatja útját.

Az űrhajók hajtására szolgáló, az alább ismertetésre kerülő ötleteket még nem alkalmazták a gyakorlatban. Mielőtt azonban ezekbe belefognánk, rövid kitérőt kell tennünk a világűrbe, és megismerkedni az ottani viszonyokkal. A legmeglepőbb talán az a tény, hogy a világűr nem üres. A bolygók és holdjaik, az aszteroidák és üstökösök, a csillagok közötti tért híg anyag tölti ki, ezek sokféle forrásból származnak. A naprendszerünkben e híg anyag legfontosabb forrása a Nap. A Nap egy aktív csillag, belsejében folyamatosan energia termelődik, és a megtermelt energiát a Nap változatos formákban sugározza ki. A legköznapibb tapasztalatunk a Nap fény és hősugárzása, de a Nap az elektromágneses hullámok teljes tartományában sugároz. A röntgen sugárzás tartományában (azaz abban a hullámtartományban, amellyel az orvosi röntgenfelvételek is készülnek) a Nap sokkal változékonyabb, mint ahogy az látható fénye változásából gondolnánk. Az elektromágneses hullámok mellett a Nap töltött részecskék (protonok, hélium, oxigén, vas, stb. ionok) sokaságát is kiönti magából, másodpercenként mintegy 50 tonna anyag szakad ki így a napból. E töltött részecskék a Nap közvetlen környezetében hatalmas sebességre gyorsulnak fel, elérve a néhány millió kilométer óránkénti sebességet. A töltött részecskéknek ezt a kiáramlását találóan napszél-nek nevezik. A Napból másfajta anyag is kirepül, pl. a Napot fűtő magreakciók eredményeképp neutrínók is távoznak; de mivel ezek a szilárd anyagon könnyeden átrepülnek, e cikk tárgya szempontjából érdektelenek. Hasonlóan sugároz anyagot minden más csillag is, így természetesen érkezik környezetünkbe anyag más csillagokból is, de ezek sűrűsége alacsony. Található a Naprendszerben porszemcse is szép számban, de e cikkben ezzel sem foglalkozunk. Egy nagyon érdekes, de itt nem részletezett fizikai mechanizmus következtében a napszél képes arra, hogy a Nap mágneses terét magával sodorja, így a Naprendszerben a bolygók közötti teret a Napból minden irányban kiáramló, töltött részecskékből álló, a Nap mágneses terét is magával sodró híg anyag tölti ki.

Ezt megértve, könnyedén megmondhatjuk, meddig is terjed a Naprendszer. Addig, amíg a Napból származó híg anyag a domináns. Ha többségbe jut a más csillagokból származó anyag, kijutottunk a Naprendszerből. Hasonlóképp, egy bolygó közelében a teret a bolygó légköréből származó töltött részecskék dominálják. A bolygó légköréből származó töltött részecskék kölcsönhatnak a napszéllel, így a Naprendszerben a testek körül a szem számára láthatatlan, de műszerekkel pontosan kimérhető tartományok alakulnak ki; a bolygók esetében ezt a bolygó magnetoszférájának nevezzük. A Nap körüli tartomány a helioszféra.

A napszél nagy sebességgel áramlik, de nagyon híg, a Föld körül egy köbcentiméterben mintegy tíz részecske található. Ha azonban a Nap irányába tartunk egy 1 cm-szer 1 cm-es tükröt, a nagy sebesség miatt másodpercenként ezt nagyon sokszor megütik a napszél részecskéi, folyamatos nyomást gyakorolva a tükörre, és végeredményben egy gyenge, de állandó tolóerőt produkálnak. Ugyanilyen tolóerőt, de erősebbet ad magának a Napnak a fénye is, hiszen a fény maga is számtalan fotonból áll. Alkalmas vitorlát építve, a napszélben, a napfényben is lehetne vitorlázni. A mai technológiák mellett már lehetséges igen vékony, négyzetméterenként mindössze néhány gramm tömegű, műanyagfelületre ültetett aluminiumfóliák létrehozása, ezekből akár 15000 m2-es felületű vitorla is készíthető. Egy ilyen űrhajóra szerelt vitorla rendszert mutatunk be a 3. ábrán.

3. Ábra Űrvitorlás.

E technika nehézsége a tartós, de könnyű vitorlaszövet és a tartószerkezetek kialakítása és mozgatása. Ebben az évtizedben azonban már felbocsájtják az első kísérleti űrszerkezeteket. Az űrvitorlás fedélzetén természetesen konvencionális hajtóművek is lesznek, épp úgy, mint ahogyan egy balatoni vitorlásnak is van benzinmotorja, mert nem minden helyzetben könnyű a vitorlák használata. Az űrvitorlással igen nagy sebességet lehet elérni, akár a fénysebesség harmadára is felgyorsítható az űrhajó. Manapság ez tűnik a legmegfelelőbb eljárásnak arra, hogy embercsinálta űreszköz csillagközi utazásra indulhasson.

Van azonban még egy megnemoldott nehézség mielőtt valóban a csillagokhoz indulnánk. Nem elég felgyorsítani az űrhajót, - ezt már csaknem tudjuk- de a célhoz érve le is kell lassítani azt. Erre vonatkozóan inkább csak ötletek vannak, a megvalósítás még távoli. Egy ilyen ötlet, hogy az űrhajó hosszú antennákat bocsájt ki, ebben a bolygóközi mágneses tér áramot gerjeszt (ezzel feltöltik a telepeket) és közben az űrhajó egy áramgenerátor motorjához hasonlóan lelassul.

A napszél nemcsak egy vitorlára képes tolóerőt kifejteni, a napszél hasonlóképp próbálja távolabbra tolni a bolygók magnetoszféráját. A kölcsönhatás itt nem mechanikai, nem a részecskék és a tükör ütközését alapul, hanem a napszél és a magnetoszféra között létrejövő elektromágneses kölcsönhatás során alalkul ki a tolóerő. Meghaladná e cikk kereteit, hogy ennek részleteit pontosabban kifejtsük. A lényeg azonban abban van, hogy mivel a napszél elektromosan töltött részecskékből áll, nemcsak mechanikai akadályra fejt ki tolóerőt, hanem minden olyan akadályra is, amely szintén töltött részecskékből áll; a töltött részecskék között fellépő elektromágneses kölcsönhatás miatt.

Talán már az olvasónak is eszébe ötlött, hogy egy további űrhajó hajtási eljárás lehetne, ha az űrhajó körül kialakítanánk a saját “minimagnetoszféráját”. Nem csak az olvasó volt így ezzel, már fizikusok és mérnökök dolgoznak azon, hogy ezt a meghajtási módot modellezzék. Nemrég jelent meg erről cikk e szerző tollából a Fizikai Szemlében is, egy amerikai szakmai folyóirat eredményeit ismertetve. A “minimagnetoszférán” alapuló űrhajó hajtásnak sok előnye lenne az űrvitorlázáshoz képest. Könnyű lenne kialakítani akár sok négyzetkilométeres vitorlának megfelelő felületet, és nem lenne szükség mechanikai mozgató szerkezetekre sem. A numerikus modellezés eredményei is bíztatóak, de még vannak nyitott elméleti kérdések: nem tudjuk pontosan, hogy mennyire stabilan tudnánk "minimagnetoszférát" építeni. Ennél a hajtási módnál a Nap mágneses tere is szerephez jutna, hiszen a “minimagnetoszféra” mérete és néhány egyéb tulajdonsága ettől is függ. A “minimagnetoszféra” természetesen zavarhatja az űrszonda mérőberendezéseinek működését; a meghajtás idejére ezeket ki kell kapcsolni. Ez azonban általában is igaz: az űrszonda hajtóműveinek működése alatt a fedélzeti műszereket általában kikapcsolják.

Utoljára hagytuk azokat az ötleteket, amely során nem a “helyszínen” található, a napszélben meglevő energiát szeretnénk megcsapolni, hanem a már pályáján mozgó úrhajó után küldenénk a Földről energiát. A legelső ilyen ötlet magyar fizikushoz, Marx György professzor nevéhez fűződik; ő tervezett eljárást arra, hogy egy tükörrel ellátott űrhajót a Földről, vagy inkább a Holdról lézerfénnyel toljunk. A lézert vagy Föld körül keringő űrállomásra, vagy a Holdra kellene helyezni, hogy kiküszöböljük a légkör miatti jelentős energiaveszteséget. Nehézséget jelent a Föld forgása és Nap körüli keringése, mert ez a kapcsolattartást nehezíti. A lézertükröt az űrhajón a parabola antennára célszerű helyezni, mert ezt amúgy is a Föld felé irányítják. Energetikailag azonban ez manapság nem tűnik kedvezőbbnek, mint a korábban tárgyalt ionhajtómű.

Ennek az ötletnek egy továbbfejlesztése az a rakétahajtómű, amelyet nem kémiai, vagy iongyorsítón alapul, hanem fúziós energiával működtetnék. Technikailag a földi lézerfúziót akarják az űrhajón megvalósítani, de oly módon, hogy a fúziót beindító lézerfény a Földről érkezne az űrhajóra. Ehhez a technikához azonban a lézerfúzió stabil földi megvalósítása még várat magára.

A fentiekben rövid összefoglalást adtam azokról az újfajta hajtóművekről, amelyeket vagy már alkalmaznak is az űrhajózásban, vagy amelyekkel a mérnökök komolyabban foglalkoznak. Biztos számos kérdés fogalmazódott meg az olvasóban, amelyekre e rövid cikk nem adhatott választ. Arról azonban talán képet alkothat az olvasó, hogy ha egyszer egy rakéta már magasba emelt egy űreszközt, sokféle módon tudjuk azt a Naprendszer távoli vidékeire eljuttatni. A távoli csillagokhoz való utazás sem csupán álom ma már.