Adam Cebula

strona 17

Instrukcja ratowania świata

Kiedy tak sobie czytam gazety panikujące, że nam planetoida na łeb spadnie, to sobie myślę, że w końcu spadnie. Nikt się problemem poważnie nie zajmuje (patrz "Jak łysy o planetoidę") , a pomysły, o jakich się pisze, są świetne, gdyby chcieć zbudować perpetuum mobile. Myślę, że czas najwyższy, by się tym zajęli kompletni amatorzy tacy jak ja, bo przynajmniej wykażą co się nie da i dlaczego.

Zacznijmy od początku, czyli od tego, jak wygląda nasz problem. Tu trzeba powiedzieć że nie bardzo wiadomo. Koncepcje, co i jak grozi w kwestii zwalenia się na głowę, są najmniej ze trzy. Po pierwsze planetoida, po drugie kometa, po trzecie jakieś ciało pozaukładowe. Punkt trzeci z drugim jest bardzo bliski sobie, ale możemy się spodziewać bardzo istotnych różnic. Wiele wskazuje, że stosunkowo największym problemem są komety, bowiem prawdziwe ciała pozaukładowe pojawiają się rzadko. Kometa od nich odróżnia się tym, że powinna mieć charakterystyczny skład chemiczny, który może nam zdecydowanie pomóc (lub zaszkodzić) w kontynuowaniu akcji ratunkowej. Poza tym kometa prawie na pewno będzie się poruszała po torze parabolicznym lub straszliwie wydłużonej elipsie. Ciało pozaukładowe, to kategoria worek, to może być wszystko: statek Obcych, kometa z innego układu planetarnego, wreszcie coś o składzie i wyglądzie planetoidy, przynajmniej takim, jakiego się spodziewamy.

Ciało pozaukładowe może mieć ogromną prędkość, kometa także niemałą, natomiast planetoidy to całkiem konkretne kamienie plączące się między innymi w pasie planetoid, ale także takie, które tłuką się po bardzo skomplikowanych orbitach wewnątrz układu słonecznego. Krążą one w płaszczyźnie ekliptyki, czyli mniej więcej w tej samej płaszczyźnie w jakiej poruszają się planety Układu Słonecznego. Na skutek właśnie tego, prawdopodobieństwo spotkania takiego nieproszonego gościa jest znacznie większe. Jednak dzięki temu, że znamy orbity planetoid i że mają one stosunkowo niewielkie prędkości, możemy ewentualną kolizję przewidzieć na wiele miesięcy naprzód.

Komety niestety mają najczęściej bardzo wydłużone orbity. Odlatują bardzo daleko od Słońca, potem nagle pojawiają się i w ciągu zaledwie dni osiągają orbitę Ziemi. Praktycznie, jak dla ciała pozaukładowego, nie sposób przewidzieć czasu ich pojawienia się, ani dostatecznie wcześnie obliczyć bieg w przestrzeni z dokładnością, która rozstrzygałaby o naszym bezpieczeństwie. W przypadku takich obiektów w zasadzie musimy się zdać na stałą obserwację i nie liczyć na możliwość podjęcia planowej, wyprzedzającej kolizję na wiele miesięcy, akcji.

Jak widać mam za wiele tematów, za wiele zagadnień. Nie uda się ich zmieścić w czymś krótszym niż w jakimś pięcio-, czy siedmioksięgu.

Chciałem się tu skupić na jednym pomyśle: mianowicie zepchnięciu planetoidy z drogi Ziemi za pomocą "jakiegoś " silnika rakietowego. Metoda ta z przyczyn zasadniczych wydaje się najwłaściwsza, bowiem rozsadzenie, które jest właściwie metodą alternatywną, może spowodować zwalenie się nam na głowę kamiennej lawiny i dalsze, na pewno trudne do przewidzenia szkody.

Niestety, metoda spychania za pomocą silnika rakietowego żywcem przeniesiona z techniki lotniczej nie ma tu najmniejszych szans. Można to bardzo łatwo pokazać za pomocą prawa zachowania pędu. Powiedzmy, że uda nam się na planetoidę przetransportować 1000 ton paliwa rakietowego. Masę planetoidy ustalamy na 1 miliard ton. Załóżmy, że chcemy, by planetoida zmieniła swą prędkość o 1 metr na sekundę. Potrzeba chyba więcej, ale od czegoś musimy zacząć rozważania. Będzie trochę matematyki, ale na poziomie sklepowym. Prawo zachowania pędu mówi coś takiego:

Mp*Vp=Ms*Vs;

gdzie Mp to masa planetoidy, Vp to prędkość planetoidy, Ms to masa spalin z silnika rakietowego, Vs to prędkość tych spalin.

Otóż z tego pięknego równanka możemy wyliczyć szybkość spalin, będzie ona liczbowo w metrach na sekundę równa stosunkowi masy planetoidy do masy spalin. Miliard przez tysiąc, jakby nie liczyć, daje milion, tym razem metrów na sekundę. Jak na razie, takie prędkości są do pomyślenia tylko w silnikach jonowych o mikroskopijnych ciągach. Nie tylko trudne w konstrukcji, ale jeszcze proporcjonalnie do osiąganego ciągu, potrzebują wielokrotnie więcej energii, w stosunku do napędu chemicznego. Nawet przy mniej ekstrawaganckich rozwiązaniach, jak się wydaje, nie obejdzie się bez napędu jądrowego. Dowcip w tym, że sprawność silnika rakietowego jest tym mniejsza, im z większą prędkością wylatuje z niego czynnik roboczy. Jak się wydaje, w naszym zastosowaniu musimy sięgnąć do rozwiązań z czasów średniowiecznych.

Za pomocą prawa Newtona można wyliczyć, że działając na naszą planetoidę siłą ok. 12 ton (ciągiem 12 T) przez około 100 dni możemy nadać jej prędkość około 1 metra na sekundę. Tyle wystarcza, by kombinować dalej.

Jako czynnik roboczy silnika najlepiej zastosować to, z czego jest zbudowana planetoida. Byłoby wielkim szczęściem, jeśli okaże się ona śniegową kulą z wody i dwutlenku węgla. Wówczas wystarczy wszystko zagotować i w postaci strugi pary wypuścić w kosmos z dyszy naszego silnika. Do gotowania oczywiście najlepiej nadaje się stos atomowy.

(Na ilustracji: Silnik do napędu komety. Możemy sobie wyobrazić prostą rurę z dyszą, której ściany zawierają reaktor atomowy. Rurę załadowujemy zestalonym dwutlenkiem węgla i lodem. Następnie wszystko się pięknie gotuje i wylatuje w kosmos z odpowiednią prędkością.)

Musimy jednak przygotować się i na tę paskudną ewentualność, że planetoida będzie kawałem litej skały. Co wówczas? Wtedy zastosujemy katapultę. Myślę, że to najlepsze rozwiązanie, lepszego w każdym razie nie wymyśliłem. Musimy mieć jeszcze trochę maszyn górniczych, które będą kruszyć skałę. Urobek będzie się ładować do katapulty i ekspediować w kosmos.

Z punktu widzenia sprawności energetycznej im mniejsza prędkość wyrzucanej masy, tym lepiej. Wynika to z faktu, że energia kinetyczna, jaką musimy przekazać temu, co wyrzucamy, jest proporcjonalna do kwadratu prędkości. Najlepiej byłoby, gdyby miało masę wielokrotnie większą od tego, co chcemy napędzać, bo wówczas prawie cała praca poszłaby na rozpędzanie w tym wypadku naszej planetoidy. W każdym razie im wolniej wylatuje czynnik roboczy i im jest go więcej, tym więcej energii idzie na to, co chcemy wykonać, a mniej na miotanie materią po kosmosie. Nie sądzę jednak, żeby udało się zejść poniżej jakichś 100 metrów na sekundę. Jak na warunki kosmiczne i silnik odrzutowy, to bardzo mało, raczej kolejowo niż lotniczo. Ale i tak sprawność będzie około 1 procenta.

Niestety, nie można zejść poniżej II prędkości kosmicznej dla planetoidy (swoją drogą można się spodziewać, że będzie ona gdzieś w okolicy pojedynczych centymetrów na sekundę), a ważniejsze, odrzucony materiał musi sobie polecieć precz i nie mieć szans na utworzenie w pobliżu planetoidy niekontrolowanego gruzowiska, a już, na pewno nie może znaleźć się na trasie Ziemi. Jeśli prędkość "głazów wylotowych" będzie za mała, zapewne przeważy wpływ minimalnych lokalnych pól grawitacyjnych i w pobliżu planetoidy utworzy się strefa dryfujących kamieni rodem z filmów SF, z tym że raczej nikt nie będzie nawet próbował podejść w pobliże, wszelkie misje serwisowe, dostawa paliwa i części zapasowych staną się niemożliwe.

Możemy przystąpić do konkretów. Powiedzmy, że nasza katapulta będzie przez 10 sekund rozpędzać 10 ton kamieni do prędkości 100 m/sek. Wówczas uzyskamy ciąg 10 Ton. potrzebujemy 12 Ton (dużą literą dla rozróżnienia, że chodzi o siłę, a nie masę), lecz dla łatwości rachunku przyjmijmy 10. Wówczas do zasilania musimy dostarczyć minimum jakieś 5 MW mocy dla samej katapulty. Oznacza to, że reaktor musi mieć moc cieplną w granicach 10 MW. Nie jest to na szczęście wiele. Musimy założyć oczywiście zasilanie innych instalacji.

Tak, czy owak, na planetoidzie musi się znaleźć sporej mocy siłownia. Jako czynnik roboczy, którym w elektrowniach jest zazwyczaj woda, w kosmosie lepiej zastosować gaz typu hel lub wodór. Tu następny problem. O ile wiemy już, jak zbudować kocioł, bo zabierzemy tam reaktor atomowy, to potrzebna jest nam jeszcze chłodnica. Bez chłodnicy nie będzie działać żadna maszyna cieplna. Co prawda w kosmosie panuje straszliwy mróz, ale niestety są bardzo kiepskie warunki do wymiany ciepła, bo nie ma powietrza. Narzuca się tu chłodzenie naszej siłowni za pomocą urobku, który zostanie potem wyrzucony w przestrzeń. 1 tona kamienia na sekundę powinno zapewnić odpowiednią wydajność chłodnicy, jeśli jednak z jakichś powodów zechcemy zwiększyć moc reaktora, będziemy musieli dodać dodatkowe chłodzenie w postaci pól radiatorowych, które wypromieniują w przestrzeń ciepło.

Trochę uwagi trzeba poświęcić samej instalacji.

Na rysunku mamy bardzo uproszczony schemat proponowanego rozwiązania. Są to oczywiście najogólniejsze założenia, szkoda czasu na projektowanie technicznych szczegółów, gdy nie mamy podstawowych danych. Reaktor atomowy o umiarkowanej mocy stanowi źródło ciepła. Z niego rozgrzany nośnik biegnie rurami do turbiny. Nie musi to być turbina, ale wydaje się to najlepszym rozwiązaniem. Niskie ciśnienie na wylocie turbiny jest uzyskiwane dzięki chłodnicy działającej dzięki wyrzucanemu materiałowi i systemowi radiatorów. Tu drobna uwaga: w zależności od mocy reaktora, raz lepszym rozwiązaniem będzie umieszczenie jako pierwszego radiatora, a za nim chłodnicy innym razem na odwrót. Ochłodzony nośnik, który ma dzięki temu znacznie mniejszą objętość, pompa tłoczy na powrót do reaktora. Dla zwiększenia sprawności sama pompa także powinna być chłodzona, ale to energetyczne szczegóły, które są do rozpracowania w konkretnej konstrukcji. Tu chodzi o zasady.

Jaka będzie skala działania naszej machiny? Tona na sekundę urobku, 86400 ton w ciągu doby, czyli do wyrzucenia około 10 milionów ton skały w ciągu 100 dni, może nawet trochę więcej, bo dla łatwości rachunków zamieniliśmy 12 ton ciągu na dziesięć. Zgadza się zasada zachowania pędu bo 1/100 masy planetoidy uzyska prędkość ok 100 m/sek po to, by planetoida uzyskała ok 1 m/sek. Przy takich parametrach musiałaby mieć ok 500 długości, przynajmniej tyle wynosi droga rozpędzanego urobku. Prawdopodobnie z technicznego punktu widzenia znacznie lepiej jest wybrać maszynę rzucającą z częstością raz na sekundę, po jednej tonie (ale z prędkością końcową 100 m/sek) bo wówczas miałaby tylko 50 metrów.

Aby dostarczyć do naszej katapulty taką ilość masy, potrzebnych będzie szereg górniczych maszyn. Dzięki znikomej grawitacji, transport będzie stanowił znacznie mniejszy problem niż na Ziemi, także prawdopodobnie niepotrzebne będzie szalowanie wykopanych dołów. Jednocześnie z braku ciążenia prawdziwym problemem może się stać utrzymanie konstrukcji na powierzchni oraz choćby zanurzenie czerpaka maszyny w gruncie. Możemy się spodziewać przyspieszenia na poziomie ułamka milimetra na sekundę kwadrat, będzie to prawie stan nieważkości. Jak te problemy rozwiązywać, można będzie powiedzieć dopiero po tym jak się przekonamy, z czego planetoida naprawdę jest i jakie to coś ma właściwości. Zamieszczony kolejny rysunek "schemat montażowy" służy do ocenienia skali przedsięwzięcia w żywych metrach. Możemy sobie wyobrazić, że maszyny górnicze muszą dostarczać ok. 3600 ton masy na godzinę. Możemy tę ilość zmniejszyć kosztem sprawności, ale i tak widać, że to coś żółtego na rysunku, co robi za kombajn ścianowy, nie może być mniejsze od tego, co pracuje w ziemskich kopalniach. Reaktor musi być kociołkiem o rozmiarach najmniej 10 metrów wysokości, biorąc pod uwagę, że jakąś osłonę radiacyjną musi mieć Razem setki najmniej ton urządzeń do przetransportowania.

Jak może wyglądać taka instalacja choćby w największym przybliżeniu:

Na powierzchni planetoidy rozmieszczamy elementy naszej elektrowni jądrowej. Reaktor mimo tego, że najprawdopodobniej nie będzie tu żadnej żywej istoty, lepiej umieścić w pewnym oddaleniu, za osłoną wykonaną choćby z kamiennego gruzu, bo promieniowanie może uszkodzić pozostałe urządzenia. Katapultę najlepiej umieścić w szybie wywierconym w planetoidzie, żeby uniknąć wzmacniającej konstrukcji. Dzięki minimalnej grawitacji będzie można dziurawić planetoidę do woli bez konieczności stosowania górniczych obudów. Jednak z tego samego powodu trzeba będzie przemyśleć sposób mocowania wszystkiego. Siłownia wymaga wielkich rurociągów a transport urobku także wywoła działanie sił związanych z jego bezwładnością Jak się wydaje, najlepiej wyrzucać urobek po przeciwnej stronie planetoidy, czyli na naszym rysunku w dół. Wtedy niewielkie przyspieszenie wywołane działaniem silnika będzie dodatkowo przyciskać całą instalację do powierzchni. Możemy sobie wyobrazić, że urobek będzie najpierw transportowany na powierzchnię do budynku nadszybia, który będzie między innymi mieścił wymiennik ciepła i napęd katapulty, a potem silnym kopniakiem urządzeń napędowych zostanie wyrzucony.

Wniosek, jaki się nasuwa po rozpatrzeniu pobieżnej choćby listy problemów, jest taki , że przy takim, jak obecnie, stosunku do problemu, nie mamy szans. Zagadnienia, jakie są tu do rozwiązania nie należą do jakichś szczególnie trudnych problemów naukowych czy technicznych. Są jednak czymś zupełnie nowym i bez solidnego zabrania się do roboty nic nam nie wyjdzie. Po pierwsze widać, że aby umieścić na planetoidzie naszą katapultę, musimy przetransportować najprawdopodobniej setki, jeśli nie tysiące ton sprzętu. Nie ma obecnie środków transportu, nie mówiąc już o tym, że nie ma samego sprzętu. Można sobie tylko pomarzyć o sytuacji, w której dysponujemy bazą na Księżycu. W niej, dzięki obfitości tytanu, można wyprodukować niezbędne urządzenia i wysłać w kosmos, tracąc na to kilkakrotnie mniej paliwa niż przy starcie z Ziemi. Odpowiedni zestaw powinien czekać na orbicie, na wypadek pojawienia się nieproszonego gościa.

Obliczenia mocy, wielkości ciągu silnika trzeba traktować z bardzo wielką ostrożnością: nie bardzo wiadomo, jakiej masy i jakiej budowy może być zawalidroga, z jaką przyjdzie się potykać. Trzeba sobie zdać sprawę z tego, że ciało niebieski o średnicy 10 km będzie miało masę 1000 razy większą od tej, jaką sobie założyliśmy. Jak widać kilkudziesięciokrotny zapas mocy i wydajności nie będzie najmniejszą przesadą.

Niestety, nie widać, by ludzkość się zabrała poważnie za choćby niewielką część zadania, jak skatalogowanie planetoid, zbadanie, z czego są naprawdę zbudowane, jaka jest ich struktura wewnętrzna. Nie mamy zorganizowanej stałej obserwacji kosmosu, a już samo ostrzeżenie o mającym nastąpić upadku, choćby tylko kilkanaście minut przed faktem pozwoliłoby ludziom np. wyjść z wysokich budynków i to już, moim zdaniem mocno ograniczyłoby skutki katastrofy.

Ze środków obrony aktywnej w sferze realnej pozostaje chyba tylko rakieta z głowicą jądrową, bo to akurat mamy na składzie. Rozwiązanie jest fatalne w porównaniu z silnikiem, czy to na kamienie, czy jakimkolwiek innym systemem pozwalającym uniknąć kolizji z powierzchnią Ziemi. Wydaje się jednak, że zasadniczy problem leży nie w technice, ale nieumiejętności zorganizowania się. Trzeba sobie powiedzieć jasno, że większość ludzi, którzy nawet angażują się w problem planetoid nie traktuje tej sprawy poważnie. Ostatecznie w ciągu najmniej ostatnich kilku milionów lat nic nam na głowę nie spadło, dostatecznie wielkiego, by zrobić poważną krzywdę. A że kamyk wielkości meteorytu Tunguskiego byłby w stanie zmieść na przykład Nowy York? A niech się jego mieszkańcy martwią.

Koniec