Vesoljske misije s posadko: Zakaj je vrnitev na Zemljo še vedno problem?

Vedno se veselimo misij s posadko v vesolje, a danes bomo govorili o tem, zakaj je vračanje posadk na Zemljo še vedno velik izziv.

Vesolje je vedno privlačilo ljudi, bilo je nekaj skrivnostnega, neraziskanega. Zore, oddaljeni planeti nas vabijo, spodbujajo k raziskovanju, eksperimentiranju in medplanetarnim poletom. Vredno je povedati, da se v zadnjem času vesoljski poleti, čeprav še vedno ne potujemo v prvem razredu, zdijo obvladani v osnovnem obsegu. Misija Artemis 1 proti Luni bi že morala poleteti, a so zaradi vremenskih razmer izstrelitev preložili na 2. september. In medtem ko nestrpno pričakujemo izstrelitev, moramo razumeti, da bo tudi vrnitev kritičen trenutek, kljub dejstvu, da gre za misijo brez posadke.

Vesoljske misije lahko razdelimo v dva razreda. Tiste, v katerih se bo vesoljska ladja nekoč vrnila na Zemljo, so večinoma misije s posadko in tiste, ki dobijo enosmerno vozovnico. Tu lahko omenimo tudi prihodnje misije s človeško posadko, na primer Elona Muska na Mars, ki se ne bodo nujno vrnile na Zemljo. A v resnici mora tako letalo tudi nekje pristati. Izkazalo se je, da je faza pristanka najtežji del takih misij. Danes bomo poskušali to ugotoviti.

Preberite tudi:

• 100 let kvantne fizike: od teorij dvajsetih let prejšnjega stoletja do računalnikov
• 5 prihodnjih vesoljskih misij, o katerih morate razmišljati

Varnost posadke in opreme

Odkar je človek prvič poletel v vesolje, nas skrbi za njegovo zdravje in celoten uspeh poleta. Pri poletih s posadko je lahko vsak trenutek kritičen. Varnost posadke in opreme na krovu, če gre za misijo brez posadke, je bila vedno prednostna naloga. Inženirji in vodje takšnih misij, pa tudi kozmonavti oziroma astronavti sami so razumeli vsa tveganja takšnih poletov. Vse te misije niso bile uspešne, zlasti prve, vendar je bilo pomembno narediti zaključke, popraviti napake in jih v prihodnosti ne ponoviti.

Na primer, med prvo misijo vesoljskega plovila Apollo se je vse tragično končalo v fazi predizstrelitvenih testov. V znameniti misiji Apollo 13 se je med letom zgodila nesreča, zaradi katere je pristanek na površini lune postal nemogoč. Še dobro, da je uspelo rešiti posadko in ladjo uspešno pripeljati 7,5 km stran od letalonosilke Iwo Jima. Sklepi so bili narejeni in naslednja misijska ladja je bila poslana v vesolje šele 5 mesecev kasneje. Tudi najuspešnejša misija Apollo 11 je bila polna napetih trenutkov med pristankom astronavtov na Luninem površju ter kasnejšim vzletom in vrnitvijo na Zemljo. Veliko nesreč je utrpelo tudi sovjetsko vesoljsko plovilo Sojuz. To je na žalost bila in je norma v vesoljski industriji.

Ja, to so predvsem samske, nepredvidljive situacije. Vendar pa je v vsaki vesoljski misiji s posadko, ki vključuje vrnitev na Zemljo, trenutek, ki je vedno osupljiv. Verjetno poznate nepredvidljive težave, ki nastanejo ob pristajanju brezpilotnih vozil na Mars, a v primeru misij s posadko so na kocki človeška življenja. Vsi se spomnimo katastrofe leta 2003 - med pristankom je shuttle "Columbia" preprosto zgorel v gostih plasteh ozračja, celotna posadka sedmih ljudi je tragično umrla.

Spodaj je fragment iz filma "Apollo-13", ki prikazuje postopek pristanka astronavtov na Zemlji. Seveda je to film, ki ima svoja pravila, ni nujno, da natančno odraža realnost, a se od nje tudi ne razlikuje veliko.

Preberite tudi: Vesoljski teleskop James Webb: 10 ciljev za opazovanje

Zakaj je varna vrnitev na Zemljo iz vesolja tak problem?

Zdi se, da bi morala tukaj pomagati gravitacija, zato se ni treba truditi, da bi upočasnili raketo. Toda njegova hitrost je več deset tisoč kilometrov na uro - to je hitrost, ki je potrebna, da se naprava bodisi poda v orbito okoli Zemlje (tako imenovana prva kozmična hitrost, tj. 7,9 km/s), bodisi jo celo preseže ( druga kozmična hitrost, to je 11,2 km/s) in poletel na primer na Luno. In ravno ta visoka hitrost je problem.

Ključna točka pri vračanju na Zemljo ali pri pristanku na drugem planetu je zaviranje. To je tako težavno kot pospeševanje ladje med vzletom. Navsezadnje se raketa pred vzletom ni premaknila glede na Zemljo. In tudi po njenem pristanku ne bo več. Kot pri letalu, na katerega se vkrcamo na letališču. Čeprav med letom doseže hitrost 900 km/h (potovalna hitrost srednje velikega potniškega letala), se po pristanku znova ustavi.

To pomeni, da mora raketa, ki namerava pristati na Zemlji, zmanjšati hitrost na nič. Sliši se preprosto, a ni. Letalo, ki mora z 900 km/h zmanjšati hitrost na 0 km/h glede na Zemljo, ima veliko lažjo nalogo kot raketa, ki leti s približno 28 km/h. Poleg tega raketa ne le leti z noro hitrostjo, ampak tudi skoraj navpično vstopa v goste plasti atmosfere. Ne pod kotom kot letalo, ampak skoraj navpično po izstopu iz Zemljine orbite.

Edina stvar, ki lahko učinkovito upočasni letalo, je zemeljska atmosfera. In je precej gosta, tudi v zunanjih plasteh, in povzroča trenje na površini spuščajoče se naprave, ki lahko v neugodnih pogojih povzroči njeno pregrevanje in uničenje. Torej, potem ko vesoljska ladja upočasni na hitrost, ki je nekoliko manjša od prve vesoljske ladje, se začne spuščati in pade na Zemljo. Z izbiro ustrezne poti leta v atmosferi je mogoče zagotoviti pojav obremenitev, ki ne presegajo dovoljene vrednosti. Vendar pa se med spuščanjem stene ladje lahko in morajo segreti na zelo visoko temperaturo. Zato je varen spust v Zemljino atmosfero mogoč le, če je na zunanjem ovoju posebna toplotna zaščita.

Tudi Marsova atmosfera, ki je več kot 100-krat tanjša od Zemljine, je resna ovira. To čutijo vse naprave, ki se spustijo na površje Rdečega planeta. Z njimi se pogosto zgodijo nesreče ali pa preprosto zgorijo v atmosferi Marsa.

Včasih je takšno zaviranje koristno, kar dokazujejo misije, v katerih je atmosfera služila kot dodatna zavora, ki je vozilom pomagala vstopiti v ciljno orbito planeta. Toda to so precej izjeme.

Zanimivo tudi:

• Zakaj zvezde utripajo?
• Zakaj so vesoljska plovila opremljena s procesorji iz 20. stoletja

Atmosfersko zaviranje je učinkovito, vendar ima velike pomanjkljivosti

Da, atmosfersko zaviranje je precej učinkovito, vendar ima ogromne pomanjkljivosti, čeprav je nujno za učinkovito zaviranje.

Takšna upočasnitev v primeru orbitalnih misij na druge planete ni popolna, vrnitev na Zemljo pa je povezana s popolno upočasnitvijo. Enako velja za pristanek roverja na Marsu. Sonda, ki vstopi v njeno orbito, se ne sme popolnoma ustaviti, sicer bi padla na površje Rdečega planeta.

Naprave v vesolju, ki krožijo okoli Zemlje ali se vračajo z Lune, se premikajo z enormnimi hitrostmi, ki so jim bile dane ob vzletu. Zato na primer Mednarodna vesoljska postaja občasno prilagaja orbito, jo zvišuje, kajti višja ko je, nižja mora biti hitrost, potrebna za bivanje v orbiti.

Ker zagotavljanje teh hitrosti zahteva ustrezno porabo energije, mora biti zaviranje povezano s podobno porabo energije. Če bi torej bilo mogoče napravo pred vstopom v atmosfero upočasniti, leteti z nizko hitrostjo ali celo počasi padati na Zemljo, se ne bi tako segrela in nevarnost za posadko bi bila nepomembna.

Tu se skriva zanka. Vesoljski poleti zahtevajo velike stroške energije. Masa tovora rakete je majhen del celotne vzletne mase rakete. Večinoma je v sredini rakete gorivo, ki ga večina zgori na prvi stopnji prehoda skozi nižje plasti atmosfere. V vesolje je treba poslati opremo oziroma posadko ladje. Gorivo je potrebno tudi za izhod iz Zemljine orbite med pristankom, in to zelo veliko. Zato pri zaviranju obstaja nevarnost, da bo gorivo povzročilo požar ladje. V večini primerov gre za rezervoarje za gorivo, ki eksplodirajo zaradi visoke temperature med pristajanjem.

Zanimivo tudi:

• 10 najbolj nenavadnih stvari, ki smo se jih naučili o črnih luknjah leta 2021
• Teraformiranje Marsa: Ali se lahko Rdeči planet spremeni v novo Zemljo?

Pristanek, podoben vzletu, le v obratni smeri

Za skoraj popolno upočasnitev vozila pred vstopom v atmosfero bo treba porabiti enako količino goriva kot pri vzletu, ob predpostavki, da se masa vozila med misijo bistveno ne spremeni. Ko pa teži ladje prištejemo gorivo, potrebno za dvig ladje in za kasnejše zaviranje, se izkaže, da se to večkrat poveča. In prav ta žalostna ekonomska računica pomeni, da se je še vedno treba zanašati na zaviranje zemeljske atmosfere.

Na primer, pri pristajanju raket Falcon 9 SpaceX se porabi gorivo, tu pa je sama raketa zelo lahka (na Zemljo se večinoma vrne samo rezervoar za gorivo), vrnitev iz daljne orbite pa se ne izvede.

Inženirji so izračunali, da pristanek na Zemlji zahteva enake vire goriva na kilogram kot vzlet v orbito. To pomeni, da je skoraj kot vzlet, le v nasprotni smeri.

In verjetno bo tako še dolgo. Ne samo med misijami Artemis 1, ampak tudi potem, ko človek doseže Rdeči planet. Ko bo ta ovira do neke mere premagana, potem bo mogoče reči, da smo vesoljske polete dokončno obvladali. Kajti vsak lahko vzleti, pri pristajanju pa so lahko težave.

Toda zgodovina pozna veliko primerov, ko so naši znanstveniki in inženirji uspeli rešiti zapletene probleme. Upamo, da kmalu polet na Luno ali Mars ne bo nič težji od leta iz New Yorka v Kijev. S prijetnim in varnim pristankom.

Če želite pomagati Ukrajini v boju proti ruskim okupatorjem, je najboljši način za to, da donirate oboroženim silam Ukrajine prek Savelife ali preko uradne strani NBU.

Preberite tudi:

• Opazovanje rdečega planeta: zgodovina marsovskih iluzij
• Teleportacija z znanstvenega vidika in njena prihodnost