Uwaga dla czytających w formie newslettera: objętość publikacji przekracza limit Gmaila (innych skrzynek mailowych zapewne też) – by poprawnie wyświetlić tekst oraz wszystkie ilustracje, otwórz artykuł bezpośrednio na Substack lub SpaceX.com.pl (najlepszy polski portal poświęcony SpaceX, zawierający stale aktualizowane informacje o najbliższych startach oraz obszerną bazę wiedzy).
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 Roskosmosem1, 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.
Boca Chica Village, Texas: pracownicy SpaceX montują orbitalny prototyp statku Starship (S20) na stopniu nośnym (SuperHeavy booster), tworząc najpotężniejszą rakietę w historii, o docelowym ciągu silników ponad dwukrotnie większym niż w Saturnie V. Podczas startu, stanie się ona jednocześnie najcięższym obiektem, jaki kiedykolwiek oderwał się od ziemi. [photo: SpaceX] Uwaga: kliknięcie przenosi do oficjalnego profilu firmy, skąd można pobrać fotografię w wysokiej rozdzielczości.
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 decyzyjność2 oraz „wybitna jakość zarządzania” (cyt. NASA3) 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 propagatora4 załogowej misji na Marsa i autora licznych, poświęconych temu książek5:
[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 docelowy6 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 superciężką7 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, orbitalne8, 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 inne9.
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.
Na marginesie…
Do aktywnych metod ekranowania jeszcze wrócimy – temat jest bowiem bardzo ciekawy. Jeśli interesuje Cię prospekt generowania wokół statku ochronnych pól magnetycznych i tarcz plazmowych, dodaj swój e-mail do listy subskrypcji.
Substack nie wysyła spamu ofertowego – subskrybując, wspierasz niezależnych twórców oraz rozwój samej platformy. Doceń, że czytasz niniejszy tekst za darmo, w całości i bez potrzeby zamykania reklamowych pop-upów. Przyczynisz się tym samym do popularyzacji wysokiej jakości treści oraz kolejnych publikacji dużego formatu o tematyce New Space.
Wizja artystyczna hipotetycznego statku z generatorem „pola siłowego”, pełniącego rolę tarczy przed promieniowaniem kosmicznym. [Elreviae via DeviantArt]
Następny wpis, który ukaże się w styczniu, poświęcony zostanie wyjaśnieniu (jak zwykle bardzo przystępnym językiem) fizyki antyradiacyjnych tarcz elektrostatycznych; omówimy też zalety i wady ich implementacji.
W kolejnych artykułach przyjrzymy się innym koncepcjom systemów aktywnych, rozważając zakres ich potencjalnego zastosowania – kliknij poniżej, a otrzymasz je wprost na swoją skrzynkę.
Aktualizacja z dnia 31.01.2022: artykuł o systemach aktywnych już na Substack.
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 ostrzegania10 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” spektrum11. Planując misję, trzeba się zatem zdecydować na pewien złoty środek między masą, a możliwością zatrzymania cząstek o danej charakterystyce12. 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-v13. 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 włącznie14. 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 Artemis15 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.
Statek Orion, wizja artystyczna. [NASA]
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 autora16 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.
Na marginesie…
Najbardziej ambitny (uwzględniając te, które miały choć teoretyczne szanse się ziścić) projekt misji marsjańskiej NASA zakładał nadmuchiwany moduł TransHub o pojemności około trzykrotnie mniejszej – w przeciwieństwie do Starshipa, nie mógłby on jednak wylądować na powierzchni planety.
„Nadmuchiwany” moduł mieszkalny TransHub. [NASA]
Koncepcja TransHub została zarzucona przez Kongres, a patenty na technologię kupiła firma Bigelow Aerospace, z zamiarem wykonania prywatnej stacji orbitalnej17 – plany te są jednak dość iluzoryczne (Bigelow Aerospace zakończyła działalność18, lecz swoją stację zapowiedziała, z końcem października, Blue Origin Jeffa Bezosa we współpracy z firmą Sierra Space, która nabyła wcześniej aktywa Bigelow), a na pewno znacznie odleglejsze od testów załogowego Starshipa. Na moment ukazania się tego tekstu, prototyp statku jest już po udanej próbie lądowania z wysokości 10 km, a udany lot orbitalny spodziewany jest w roku 2022. Relacje z bieżących postępów prac publikuję w postaci wpisów zatytułowanych jako aktualizacje z Boca Chica – do przeczytania m.in. tu oraz tu).
Uświadomienie czytelnikowi znaczenia tego przedsięwzięcia dla kształtu całego przemysłu kosmicznego, a tym samym perspektyw eksploracji Układu Słonecznego w pierwszej połowie XXI wieku, stanowi jeden z celów niniejszego cyklu edukacyjnego – jeśli też uważasz zdobywanie tej i innej wiedzy za inspirujące, podziel się nią ze swoimi znajomymi:
Przesłanie ich dalej jest najlepszą formą podziękowania za pracę moją oraz zaangażowanych grafików (znajdujące się niżej wizualizacje, w tym animacje 3D, zostały wykonane od podstaw w celu zilustrowania omawianych tu koncepcji).
Naturalnie, bez wglądu do oficjalnych planów, nie można ze 100-procentową pewnością stwierdzić, że SpaceX wykorzysta wodę w podwójnej roli. To jednak wielce uzasadniona teza (prawdopodobieństwo swojej pomyłki w tej materii oceniam na <5%), gdyż w przeciwnym razie zbiornik wody stanowiłby kilkunastotonowy balast, a wykonanie schronu antyradiacyjnego z innych, dedykowanych temu zadaniu materiałów, to dalsze tysiące kilogramów masy, nie pełniącej żadnej, komplementarnej funkcji. Kolejną, istotną zaletą wody jest jej mobilność, umożliwiająca momentalne wypełnienie jedynie tych ścian, które w danym momencie skierowane są w stronę Słońca.
Ciekawym problemem do rozważenia jest natomiast optymalna wielkość schronu – tę determinuje właśnie funkcja ekranowanej przestrzeni na co dzień. Aranżując pokłady mieszkalne statku nie można sobie bowiem pozwolić na marnotrawstwo. Bazując na tym założeniu, możemy sformułować dalsze konkluzje co do specyfiki schronu – powinien on:
mieścić wszystkie osoby na statku,
być wyposażony w podstawowe instalacje sanitarne (bywa, że „pogoda słoneczna” nie uspokaja się przez parę dni; np. w okresie najpotężniejszej, zarejestrowanej do tej pory burzy magnetycznej, przez dwie doby utrzymywał się poziom jonizacji uznawany za zagrażający życiu potencjalnym astronautom – tych jednak w 1859 roku nie było19),
umożliwić spanie w systemie zmianowym.
Zmierzając tym torem rozumowania, możemy dojść do następujących wniosków…
Jeżeli schron ma umożliwiać spanie, powinien być wyposażony w standardowe kapsuły sypialne załogi – w ten sposób funkcja powierzchni nie jest dublowana w dwóch miejscach statku, a dodatkowo przez 1/3 doby astronauci są ekranowani, dzięki czemu przyjmują mniejszą dawkę promieniowania w całym okresie trwania misji.
Skoro instalacje sanitarne są w schronie potrzebne, analogicznie do punktu pierwszego można uczynić z niego łazienkę. Ma to sens nie tylko pod kątem właściwości antyradiacyjnych wody, lecz również bliskości zbiornika do przyłączy hydraulicznych. Zlokalizowanie łazienki w bezpośrednim sąsiedztwie kabin sypialnych, by po przebudzeniu nie trzeba było pokonywać długiego dystansu w celu porannej toalety, również wydaje się logiczne.
Pytanie brzmi, na co w praktyce pozwala zabierany na Marsa zapas wody. Spróbujemy na nie odpowiedzieć z pomocą uproszczonych wyliczeń – będą to wyliczenia konkretne, acz bazujące na spekulacjach, dotyczących profilu pierwszych misji.
Założenia:
rozmiar pionierskiej załogi – 24 osoby*
ilość wody w obiegu zamkniętym statku, z uwzględnieniem skuteczności odzyskiwania 93% (poziom zbliżony do ISS) –6000 litrów**
„twarda rezerwa”, przechowywana poza obiegiem i używana wyłącznie w sytuacji awarii systemu recyklingu/filtracji – 10000 litrów***
czas trwania misji dla jednego statku –3 lata
start –2031 rok
*Liczbę tę uznać należy za dolną granicę – Musk wspominał, w luźnych rozmowach, o 40-50 osobach w pierwszej misji, lecz osobiście będę zaskoczony, jeśli uda się to zrealizować.
**Poziom obliczony jako ekstrapolacja systemu ISS przy założeniu, że średnio przebywa na stacji 4,8 astronautów (dla Starshipa x5); przyjęte zostało działanie systemu (i uzupełnianie niedoborów wskutek utraty 7% zużywanej wody) przez okres trzech lat, czyli podróży w dwie strony oraz dwóch lat na powierzchni planety; jest to asekuracyjne założenie, wedle którego braki nie są uzupełniane na Marsie, tj. wodą spoza statku (potencjalny scenariusz: uszkodzenie powłoki termicznej uniemożliwia lądowanie i Starship musi zostać na orbicie Marsa, w oczekiwaniu na organizację awaryjnego tankowania lub misji ratunkowej innym statkiem załogowym, w kolejnym oknie transferowym).
***Ekstrapolacja (x5) poziomu rezerwy na ISS, pozwalająca funkcjonować załodze przez cały okres tranzytu, również w skrajnie nieprawdopodobnej sytuacji permanentnego uszkodzenia systemu recyklingu na samym początku misji – założenie polega na możliwości uzupełnienia wody u celu podróży (niezależnie od topienia marsjańskiego lodu, zapasy wody pitnej będą oczekiwać na kolonistów, dostarczone przez wcześniejsze loty bezzałogowe), tudzież poprzez awaryjne dokowanie do drugiego statku (wysłanego po otrzymaniu sygnału o kłopotach z filtracją).
16 000 litrów łącznie umożliwia wyposażenie statku w efektywny, dwupoziomowy schron antyradiacyjny o kształcie cylindra, którego ściany zawierają aż 15-centymetrową warstwę wody na całym obwodzie (+ podłoga i sufit). Dla porównania, by zatrzymać protony o energii rzędu 100 MeV, wystarczy około 12 centymetrów.
Jednocześnie, na pokładzie ponad schronem cylindrycznym, może znaleźć się dodatkowa „ściana wodna” o analogicznej szerokości.
16 tys. litrów podzielone między cylindryczny schron i ścianę wodną.
Zwiększanie grubości ekranowania ponad tę wartość przynosi marginalne korzyści – 15 cm H2O w połączeniu z kompozytowymi ściankami zbiornika gwarantuje wystarczającą ochronę nawet przed potężnymi SPE (najsilniejszy, zarejestrowany od początku lotów kosmicznych rozbłysk byłby dla astronautów niegroźny, zaś burza z roku 1859 skutkowałaby dawką poniżej 100 milisiwertów), a także około dwukrotną redukcję promieniowania na skutek GCR.
Wykres odtworzony z opracowania anglojęzycznego [NASA Technical Memorandum,1990 – „Estimates of galactic cosmic ray shielding requirements during solar minimum”, Townsend et al.]
To dobre miejsce, by przypomnieć pewną liczbę z pierwszej części artykułu: nałogowy palacz przyjmuje dawkę promieniowania na poziomie 150-200 mSv rocznie (inhalacja polonu). Można więc zaryzykować półpoważną konkluzję, że lecący na Marsa w okresie maksimum słonecznego Starship, byłby dla takiej osoby miejscem terapeutycznym, tj. zapewniającym redukcję doświadczanej przez organizm radioaktywności. Przyjmując, rzecz jasna, że palenie na statku nie będzie dozwolone… A zupełnie poważnie: przyjmując, że palić w podróży międzyplanetarnej nie wolno, nie ulega wątpliwości, iż byłaby ona dla typowego nałogowca terapeutyczna, ponieważ dym papierosowy zwiększa ryzyko śmiertelnego nowotworu około dwudziestokrotnie bardziej (i bynajmniej nie radioaktywny polon jest za to odpowiedzialny) niż promieniowanie kosmiczne w okresie tranzytu. Tym bardziej, jeśli mówimy o podróży Starshipem.
Powyższe estymacje skuteczności ochrony są przy tym nadto konserwatywne, gdyż dotyczą sytuacji, w której płaszcz wodny pełniłby funkcję kadłuba statku (wykres). Tymczasem w naszym modelu (rys. poniżej), ściany schronu nie są eksponowane na próżnię kosmiczną – izolowane są półtorametrową przestrzenią, w okresie tranzytu szczelnie wypełnioną pojemnikami z cargo. Następną „linią obrony” są ściany kadłuba, czyli wielowarstwowa struktura aluminium (w funkcji usztywnienia konstrukcji oraz rusztowania, do którego mocowane są elementy awioniki), tytanu, kevlaru (zatrzymanie mikrometeorów), izolacji termicznej i tworzyw sztucznych. Dopiero na samym końcu, licząc od punktu centralnego, znajduje się stalowe poszycie Starshipa.
Przekrój przez kadłub na wysokości pokładu 0. Grubość ściany zewnętrznej (50 cm), uwzględniająca wszystkie warstwy poszycia oraz zintegrowane systemy (np. baterie, okablowanie awioniki, etc.) jest prawdopodobnie zawyżona – należy ją traktować jako konserwatywne założenie. Kolorem fioletowym zaznaczono ładownię cargo. Śluzy po obu stronach windy są dwupoziomowe (pokłady 0 i 1).
Jak wiemy z wcześniejszych akapitów, to wciąż nie wystarczy, by zatrzymać wszystkie wysokoenergetyczne cząstki****, lecz osłonę ponad dwóch metrów różnych materiałów, z czego 15 cm stanowi woda, można z powodzeniem przyrównać do wspomnianej przez Matta Lemke, w kontekście mało realistycznej zachcianki, foot of water (30 cm), która „naprawdę pomogłaby zredukować ryzyko dla astronautów” (a w domyśle: „…ale nie ma sensu tego analizować, ponieważ NASA i tak nie ma jak wynieść takiej ilości wody”).
W dalszej części artykułu przekonamy się również, iż w sytuacji awaryjnej, członkowie załogi mogliby skorzystać z półmetrowej (50 cm) „tarczy wodnej”, bez modyfikacji poniższej propozycji wnętrza statku i bez zwiększania litrażu H2O.
****Większość czytelników zapewne pamięta, że przed promieniowaniem kosmicznym nie chroni nas w stu procentach nawet atmosfera Ziemi, która stanowi ekwiwalent20 2,4 metra ekranowania wodą.
Realistyczna koncepcja schronu antyradiacyjnego
Trzymając się wymienionych wyżej „kryteriów brzegowych”, przyjrzyjmy się hipotetycznemu systemowi ochrony przed promieniowaniem w Starshipie, wraz z jego stroną praktyczną, uwzględniającą codzienne życie na statku.
Co ważne, nie staramy się uprzedzić SpaceX w zaprojektowaniu najlepszego położenia czy rozmiaru schronu – celem wizualizacji w kolejnych akapitach jest przedstawienie teoretycznych możliwości statku przy założeniu, że stałej ochronie załogi przed promieniowaniem zostałby nadany bardzo wysoki priorytet, wyższy m.in. od maksymalizacji przestrzeni użytkowej. W rzeczywistości, podejście takie jest co najmniej wątpliwe, ponieważ zwiększona ekspozycja na GCR przez okres tranzytu nie stanowi realnego zagrożenia (temat rozwinięty już wcześniej), a przeciwdziałanie skutkom SPE nie wymaga ochrony stałej.
Mamy jednocześnie świadomość, że aranżacja pokładów zależeć będzie od bardzo wielu czynników, lwiej części których obecnie nie znamy, gdyż profil misji nie został podany do publicznej wiadomości. Jest zresztą najbardziej prawdopodobne, że pozostaje on wciąż w fazie wstępnych analiz i nie podjęto decyzji odnośnie rozmiarów pionierskiej załogi czy liczby statków z wyposażeniem.
Nie zmienia to jednak faktu, że możemy pokusić się o niezobowiązujące uszczegółowienie pewnych koncepcji, obrazujących jak mógłby wyglądać standard przyszłych podróży na Marsa. A z uwagi na przyjęte we wcześniejszym akapicie założenie, obrazujemy raczej „standard minimum” dla 24 osób – przy takim rozmiarze załogi, poziom „luksusu” (np. wielkość kabin sypialnych) mógłby zostać łatwo podniesiony, kosztem zrezygnowania z pełnego otoczenia astronautów H2O na rzecz ekranowania kierunkowego (tylko od Słońca).
Aspekty funkcjonalne
Przykładowy, cylindryczny schron składa się z dwóch pięter, o łącznej wysokości zewnętrznej 5 metrów i średnicy wewnętrznej 465 cm. Licząc tylko po podłogach, do dyspozycji są więc prawie 34 m².
[1] Cztery piony kapsuł sypialnych. [2] Drugi pion komunikacyjny, mający swój początek w garderobie na pokładzie 0. [3] Stół z opcją podwieszenia pod sufitem oraz składane siedzenie dla dwóch osób (trzecia może usiąść bokiem na rowerze do ćwiczeń). [4] „Master bathroom”. [5] Konsola, zapewniająca dostęp awaryjny do systemów statku (konsolę można rozłożyć do postaci dwóch foteli z pasami, w razie konieczności efektywnego operowania w warunkach 0g). UWAGA: w dalszej części artykułu znajduje się link, pozwalający obejrzeć cały schron w technologii VR.
Na pierwszy rzut oka, 34 m² wydaje się małym metrażem dla 24 osób, lecz stan nieważkości pozwala na korzystanie ze wszystkich powierzchni. Sufity i ściany mogą pełnić rolę podłogi i vice versa.
Również w warunkach ciążenia (Mars) nie występuje problem szczególnej ciasnoty – by to zobrazować, możemy posłużyć się wizualizacją sytuacji awaryjnej (jaka może trwać np. dobę lub dłużej), w której cała załoga statku przebywa jednocześnie na ekranowanym obszarze:
Zmiana nocna (osoby śpiące w kapsułach) oraz dzienna w „widoku rentgenowskim”.
Co do zasady, nomenklatura typu schron może nasuwać skojarzenia z miejscem mało przyjaznym, a sama znajomość wymiarów nie gwarantuje prawidłowego wyobrażenia przestrzeni.
Przenieśmy się zatem na Starshipa w jego dziewiczej misji – przedstawiona dalej aranżacja pozwala spędzać w najlepiej zabezpieczonych pomieszczeniach około 1/2 doby (tj. czas snu, toalety, ćwiczeń oraz czasu wolnego, który astronauci mogą poświęcić książce lub odsłuchaniu/nagraniu video-wiadomości), by zminimalizować potencjalnie negatywny, długofalowy wpływ GCR na zdrowie (przy czym nacisk w tym zdaniu należy położyć na słowo „potencjalnie” – w rzeczywistości może się okazać, że takie środki zapobiegawcze nie są potrzebne).
Wszystkie instalacje dostosowane są do wygodnego używania zarówno w mikrograwitacji jak i marsjańskim ciążeniu. Wiele elementów – w ramach punktu odniesienia skali – stanowi „wymiarową kalkę” standardowych urządzeń (w łazienkach są to np. panele prysznicowe, a w garderobie wieszak na koszule).
Prezentowane kadry są jedynie wizją artystyczną, dyktowaną przyjętymi rozmiarami opisanego tu, teoretycznego systemu antyradiacyjnego. Grafiki nie mają związku z oficjalnymi materiałami czy zapowiedziami SpaceX. Twórcą wszystkich, poniższych modeli 3D (opracowanych wg wytycznych projektowych autora) jest Dawid Ryś aka @kotlesny.
UWAGA: kliknięcie otwiera pliki HD w nowej karcie (Flickr.com) – polecam miłośnikom detali:)
Na dolnym, najlepiej ekranowanym (cargo między ścianami cylindra a kadłubem) pokładzie o wysokości 250 cm, znajduje się 12 kabin sypialnych. Ich rozmiary ustępują zaledwie 10 cm międzynarodowym standardom hoteli kapsułowych (patrz zdjęcie21), przy czym relatywna przestronność wnętrza może wręcz być większa, ponieważ astronauci nie są z reguły rekrutowani spośród ludzi bardzo wysokich.
KAPSUŁA SYPIALNA – JASNY WARIANT KOLORYSTYCZNY:
KAPSUŁA SYPIALNA – CIEMNY WARIANT KOLORYSTYCZNY:
Kliknij w grafikę, aby obejrzeć w wysokiej rozdzielczości.
Każda kabina przylega bokiem do obwodu schronu, co pozwala na wdrożenieszeregu interesujących rozwiązań z dziedziny estetyki. Widok wody (w większym stopniu niż zieleni) działa kojąco na psychikę, której dobry stan jest kluczowy w środowisku międzyplanetarnym. Sama świadomość bliskości wody, a nawet jej symulowany dźwięk (szum płynącego strumienia, deszcz, fale, etc.) obniża stres, pomaga zasnąć i ma pozytywny wpływ na organizm22. Kapsuły są więc wyposażone w podświetlane, zgodnie z preferencją użytkownika, okno wodne.
Po obu stronach zbiornika (tj. przed nim oraz na tylnej ścianie, 15 cm „głębiej”) znajdują się ekrany – dwa wyświetlacze (w tym przezroczysty OLED na froncie) umożliwiają stworzenie iluzji przestrzenności i symulacji praktycznie dowolnego widoku, np. trójwymiarowej rafy koralowej czy innego krajobrazu ze „złudzeniem dali”.
Powyższą koncepcję obrazuje dodatkowo animacja:
Kapsuła widziana „do góry nogami” oraz w standardowej orientacji:
Na drugim planie widoczny śpiwór oraz osobiste torby/kosmetyczki (kapsuła dzielona jest między dwóch użytkowników), przypinane do ściany na rzep.
Co ciekawe, wrażenie kropel deszczu, spływających po szybie okiennej, osiągnąć można z użyciem realnej wody, co w połączeniu z efektami dźwiękowymi zapewniłoby pełną immersję (rzecz jasna, w 2031 roku takie rozwiązanie mogłoby być bezzasadne, z uwagi na perfekcyjną wiarygodność „cyfrowego deszczu”):
W „rogach”, tj. pomiędzy kapsułami sypialnymi, mieszczą się trzy łazienki, każda wyposażona w standardowej wielkości muszlę sedesową, rozkładaną umywalkę i wygodny prysznic (widoczny na grafice panel prysznicowy ma typowe dla „ziemskich łazienek” rozmiary). Umiejscowienie prysznica w jednej kabinie z toaletą, czyli rozwiązanie znane z kamperów oraz spotykane w miastach o bardzo wysokiej cenie metra kwadratowego (np. Hong Kong, gdzie popularność zyskują tzw. „nano-apartamenty”), pomaga w utrzymaniu czystości i jest tym bardziej praktyczne w nieważkości. Co prawda, klasyczny prysznic nie jest w warunkach 0 g potrzebny do odbycia dokładnej kąpieli, lecz przez większość czasu statek będzie zapewniał dach nad głową na Marsie – tam woda płynie „normalnie”, a ochrona przed promieniowaniem wciąż jest pożądana. Stąd design wszystkich pomieszczeń dostosowany jest do orientacji góra-dół.
Słuchawka prysznicowa w podwójnej roli, umożliwiając rezygnację z dedykowanej baterii nad umywalką:
Suszarka na ręczniki (są one dostępne także od góry, przez podłogę pokładu pierwszego):
Mniejsze, trójkątne cargo obok, łączy łazienkę z najwyższą, sąsiadującą z nią kapsułą sypialną i służy jako „winda” do ubrań. Kapsuły dolne oraz środkowe połączone są z łazienką bezpośrednimi, podwójnymi drzwiczkami (ich kontur widoczny jest powyżej, na lustrzanej ścianie po lewej).
Każda kapsuła połączona jest bezpośrednio z jedną łazienką, co umożliwia wygodną zmianę ubrań.
Najwyższe kapsuły korzystają z opuszczanego do sąsiadującej łazienki „koszyka”.
Ostatni – tj. ten bez łazienki – „róg” między kapsułami pełni dwie role: pojemnej garderoby oraz przejścia do drabiny Pionu B. Garderoba składa się z wysokich szaf po obu stronach Pionu B oraz części wysuwanej (rys. poniżej).
Pion B prowadzi w pierwszej kolejności do łazienki głównej (czwartej), mieszczącej się na poziomie wyżej. „Master bathroom” charakteryzuje się większym komfortem, w postaci wydzielonej umywalki z dużym lustrem (patrz rzut od góry, rys. na początku segmentu), pojemnych szafek i bardziej przestronnej kabiny prysznicowej (brak sedesu).
Mieszczą się tu również dwie konsole sterujące (w sytuacji awaryjnej w 0g konsole można zmienić w pełnowymiarowe fotele z pasami) oraz opcjonalny stolik z rozkładanym siedzeniem dla dwóch osób – gdy nie jest używany, blat przylega do sufitu.
Pozostała część górnego pokładu cylindra poświęcona jest siłowni. Jej zlokalizowanie w obrębie płaszcza wodnego ułatwia uzyskanie maksymalnej efektywności recyklingu potu oraz zapewnia sąsiedztwo „infrastruktury łazienkowej”. Ekranowanie siłowni uzasadnia dodatkowo fakt, że astronauci spędzają w niej istotny odsetek czasu misji – w szczególności w drodze powrotnej na Ziemię, intensywne ćwiczenia fizyczne są konieczne dla ponownego funkcjonowania w warunkach 1 g po wylądowaniu.
Tu znajdują się też przejścia do pomieszczeń ze skafandrami (a dalej do śluz):
Cały poziom ponad ładownią (relatywnie mała przestrzeń ładunkowa wynika z założenia, że zaopatrzenie dostarczane jest na Marsa przez dedykowane statki cargo). Podwójna śluza dla zmniejszenia ryzyka oraz przyśpieszenia wejścia/wyjścia w sytuacji awaryjnej. Winda wewnętrzna w formie prostej, ruchomej platformy, używana opcjonalnie (drabinki jako podstawowa forma komunikacji w pionie), np. w razie konieczności transportu osoby nieprzytomnej lub ciężko rannej w warunkach ciążenia.
Pion B pozwala wspiąć się jeszcze wyżej i opuścić schron. Zainstalowana ponad cylindrem (pokład drugi statku, licząc pokłady ze schronem jako 0 i 1, gdzie 0 to także ładownia cargo po obwodzie) ściana wodna ma zadanie redukować dawki, przyjmowane przez osoby w kabinach „od góry”, jak i częściowo – w porównaniu z pełnym cylindrem – ograniczać promieniowanie na pokładzie 2, gdzie mieszczą się m.in. gabinet lekarski/sala operacyjna, laboratorium botaniczne oraz kontynuacja siłowni (4 urządzenia).
Teoretyczny rozkład pokładu ponad cylindrem schronu. Sufity na wysokości 250 cm, wymiary łóżka do intensywnej terapii 220x100 cm. Siłownia na statku składa się z 4 urządzeń na pokładzie drugim i dwóch na pokładzie pierwszym – pozwala to ćwiczyć w jednym momencie połowie załogi 12-osobowej zmiany. Na plan został naniesiony system ARED – uniwersalne narzędzie do ćwiczeń obciążeniowych w warunkach 0 g, używane na ISS.
ARED na Międzynarowej Stacji Kosmicznej. [NASA]
Dla jeszcze lepszej wizualizacji rozmiarów Starshipa, możemy sobie wyobrazić również poglądowy rozkład pokładu nr 3, restauracyjno-rozrywkowego, zawierającego bar i kuchnię, a także przestronną salę spotkań/gier, którą można wykorzystać w funkcji wykładowej, np. do odpraw przed poszczególnymi zadaniami misji.
Propozycja aranżacji pokładu ponad zbiornikami H2O, tj. bez implementacji ekranowania wodą (aczkolwiek znajdująca się tu kuchnia jest podłączona do systemu recyklingu) – zaznaczony został blat baru o standardowych wymiarach, pozwalający na jednoczesne, wygodne zajęcie miejsc przez 6 osób. Stoły w części restauracyjnej również mają typowe wymiary stolika dla dwóch osób.
Powyżej znajduje się miejsce na pokłady nr 4 (biurowo-laboratoryjny, zapewniający ergonomiczne warunki pracy specjalistom misji) oraz 5 – poziom nawigacyjno-obserwacyjny (mostek/galeria), z najwyższymi sufitami (370 cm). Pokłady te, nie zwizualizowane w artykule, zajmują zwężającą się ku dziobowi części statku, stąd ich średnica jest mniejsza niż pokładów 0-3.
Na marginesie…
Jeśli masz ochotę obejrzeć pokład „restauracyjny” w trójwymiarowym odtworzeniu (o jakości analogicznej do pokazanych wyżej w 3D elementów schronu) lub zwiedzić cały statek w wirtualnej rzeczywistości, napisz na tex.substack@gmail.com.
Przy okazji: masz talent graficzny (2D lub 3D) i chcesz się nim podzielić, pomagając w „ożywianiu” różnych, kosmicznych koncepcji, które tu opisuję? Lubisz ćwiczyć i szlifować umiejętności graficzne, lecz czasem brakuje weny i pomysłów, co modelować? Widoczne tu ilustracje są efektem współpracy kilku kreatywnych osób w celu dostarczenia najwyższej jakości treści. Liczymy na Twoją pomoc – poproś o zaproszenie do naszego elitarnego Discorda:) – wizualizacje do kolejnych artykułów nie wyrenderują się same;)
Podsumowanie potencjału (plus mobilność wody)
Faktyczna aranżacja marsjańskiego wariantu Starshipa powinna zostać opublikowana na przestrzeni kilku najbliższych lat – jest oczywiście pewnym, że projektanci rozplanują przestrzeń użytkową zupełnie inaczej (i lepiej) niż na przedstawionych ilustracjach. Przykład ten powinien jednak uświadomić każdemu, jak kolosalną zmianą w postrzeganiu kosmicznych podróży jest Starship – cylindryczny schron (łącznie oba poziomy) stanowi poniżej 1/10 (!) objętości pokładów oraz około 1/5 możliwej do wyniesienia na Marsa masy.
Schron jest też jedynie czterokrotnie mniejszy (objętość) od całego, nadmuchiwanego modułu TransHub (największa przestrzeń użytkowa, jaka została kiedykolwiek zaprojektowana w NASA, z myślą o locie międzyplanetarnym), w założeniu mogącego służyć astronautom jedynie w stanie nieważkości (brak opcji użycia w roli bazy po wylądowaniu) i praktycznie pozbawionego ekranowania. Gdyby jednak zachować wysokość cylindra i jednocześnie rozszerzyć go na cały przekrój kadłuba Starshipa, jego objętość byłaby porównywalna z TransHubem.
Odnotujmy także w tym miejscu, że dzięki wykorzystaniu mobilności H2O w połączeniu z pozycjonowaniem statku, możliwe jest czasowe zwiększenie ilości wody pomiędzy załogą a (nad)aktywnym Słońcem. Schemat obrazuje potencjalny system, pozwalający skutecznie neutralizować emisje nawet w razie potężnych rozbłysków.
16 tys. litrów wody w “konfiguracji standardowej”, składającej się na ekranowanie “hybrydowe” – cylindryczny schron o wysokości 5 metrów (pokłady 0 i 1) oraz zbiornik w kształcie prostopadłościanu na pokładzie 2. Wszystkie ściany oraz sufit cylindra zawierają 15 cm H2O w przekroju prostopadłym. Zaznaczono także zarys kapsuł sypialnych.
16 tys. litrów wody w konfiguracji awaryjnej (ekstremalnie silny rozbłysk słoneczny), podczas której statek pozycjonowany jest dziobem w kierunku Słońca. Grubość wodnego sufitu schronu zostaje w ten sposób powiększona do 50 cm, podczas gdy ściany cylindra na pokładzie 0 pozostają wypełnione, zapewniając stałe ekranowanie przed GCR oraz ciągłość działania instalacji hydraulicznej.
Rezerwa wody (10 000 litrów) zostaje w nim przepompowana, tworząc obniżony „sufit wodny” o grubości 50 cm (powiększenie o 35 cm w stosunku do sufitu cylindra w normalnej konfiguracji). Standardowy obieg zamknięty funkcjonuje bez zmian, więc wzmocnione ekranowanie przed SPE nie odbywa się kosztem dookólnej ochrony przed GCR ani wyłączeniem wody w łazienkach.
UWAGA:
Planuję uzupełnić artykuł o suplement, w którym znajdzie się m.in. kilkuminutowa animacja 3D, obrazująca nieukazane wyżej fragmenty wnętrz statku przez pryzmat sytuacji awaryjnej.
Jeżeli nie chcesz przegapić suplementu, dodaj swój e-mail do listy subskrypcji:
Setka pasażerów na statku?
To moment, w którym wypadałoby skomentować fakt, iż ostatnie akapity dotyczą załogi w liczbie dwóch tuzinów, podczas gdy Starship projektowany jest jako statek, zdolny do zabrania na Marsa osób stu.
Co prawda, wskazując 100 osób jako cel, Musk niejednokrotnie zastrzegał, że w pierwszych misjach (tj. póki marsjańska baza nie osiągnie pożądanego poziomu organizacji) załoga będzie zdecydowanie mniej liczna. Czy jednak da się utrzymać relatywny komfort podróży w przypadku setki pasażerów?
Otóż te same wymiary wewnętrzne schronu (które – przypomnijmy raz jeszcze – przyjęte zostały czysto arbitralnie) pozwalają na akomodację dowolnej liczby osób w zakresie:
– do 60 bez zmiany wielkości kabin sypialnych i bez wprowadzania trzeciej zmiany (do 90 w systemie trzyzmianowym),
– do 84 przy niewielkim obniżeniu kabin sypialnych i bez wprowadzania trzeciej zmiany (do 126 w systemie trzyzmianowym)
…i kosztem braku „master bathroom” oraz w pełni ekranowanej siłowni na górnym poziomie (wszystkie urządzenia do ćwiczeń przeniesione na pokład ponad cylindrem, patrz rys. poniżej) – zamiast tego stanowi on kalkę układu poziomu dolnego: razem 6 łazienek w obrębie cylindra (3 na górze i 3 na dole) ze wspólnym „cargo ręcznikowym” (będącym zarazem suszarką) pomiędzy przylegającymi do sobie w osi pionowej łazienkami, tj. nad sufitem każdej łazienki na dole, z dostępem przez podłogę łazienki na górze.
Zachowanie nie-sypialnego poziomu górnego (kapsuły tylko w dolnej części cylindra) oznacza odpowiednio:
– do 36 osób bez zmiany wielkości kabin sypialnych i bez wprowadzania trzeciej zmiany (do 54 w systemie trzyzmianowym),
– do 48 osób przy niewielkim obniżeniu kabin sypialnych i bez wprowadzania trzeciej zmiany (do 72 w systemie trzyzmianowym).
W każdym z ww. układów możliwe jest stosowanie kabin łączonych, tj. dwuosobowych lub – w opcji skonfigurowania kabiny wyłącznie pod kątem stanu nieważkości (co jest racjonalnym rozwiązaniem w sytuacji, w której na Marsie istnieje dedykowana infrastruktura mieszkalna i statek nie musi pełnić roli podstawowego habitatu) – czteroosobowych.
Możliwe są także wszelkie układy hybrydowe, jak dzielenie części kapsuł między dwie, a części między trzy osoby w ramach tej samej misji (np. większe kabiny używane na trzy, a mniejsze na dwie zmiany). SpaceX mógłby też oferować turystom droższe kapsuły osobiste, tj. bez konieczności dzielenia ich ze współpasażerami (opcja swobodnego wybierania godzin snu).
Różne warianty przedstawia tabela:
Przykładowo, gdyby chcieć zrezygnować z podziału na dwie zmiany w przypadku sugerowanej wyżej załogi 24-osobowej i jednocześnie zachować „master bathroom”, możliwym byłoby zastosowanie wariantu nr 9, z 24 kapsułami na dolnym poziomie schronu. Astronauci mogliby następnie wymieniać się, co umówiony czas, rozmiarami kabiny sypialnej. Alternatywą byłoby podzielenie każdego pionu na jednakowe kapsuły po 66 cm – lecz jeśli wysokość 57 cm wydaje się komuś klaustrofobiczna, warto odnieść punkt widzenia do ISS (na której astronautom zdarzało się przebywać kilkukrotnie dłużej, niż wynosi minimalny okres tranzytu na Marsa), gdzie spanie polega na przypięciu się do ściany w specjalnym śpiworze (kwestia zniwelowania „dryfu” w warunkach braku ciążenia). Z tego względu, przestronność kabin ma znaczenie głównie w momentach używania ich nie do spania, a takich jest stosunkowo niewiele, zwłaszcza w systemie zmianowym.
Naturalnie, maksymalizacja liczby osób na statku rodzi konieczność wyrzeczeń – prawdopodobnie kuchnia z możliwością przyrządzania zróżnicowanych posiłków i serwowania ich w warunkach bliskich restauracyjnym (jak najbardziej możliwe przy 24 osobach) musiałaby ustąpić miejsca „skompresowanym” racjom żywnościowym.
Sam cylinder mógłby zostać umieszczony wyżej (kosztem braku pokładu biurowo-laboratoryjnego, który w wersji 24-osobowej służy pracy badawczej i znajduje się ponad pokładem trzecim), by całą przestrzeń pod nim – tj. pokład 0 – poświęcić windom oraz śluzom, umożliwiającym wygodne przygotowanie się do opuszczenia statku.
90 skafandrów, rozmieszczonych na dwóch pokładach. Brak typowej przestrzeni cargo (ładunki dostarczane są, na tym etapie rozwoju marsjańskiej bazy, oddzielnymi statkami bezzałogowymi) pozwala na zrezygnowanie z wielozadaniowej „windy towarowej” – mechanizm mniejszych dźwigów osobowych znajduje się na pokładzie 0, wraz ze śluzami.
Konkluzje i wnioski
Różne konfiguracje statku, rozwijane wraz z postępami prac nad bazą, mogą oczywiście wymagać innych typów schronu i wersji aranżacji wnętrz. Chcąc np. powiększyć chroniony obszar kosztem grubości ekranowania, można umieścić tarczę H2O przy samym kadłubie – pokrycie wodnym płaszczem 100% powierzchni ściany pionowej (tj. od podstawy sekcji załogowej do miejsca, w którym zaczyna się ona zwężać) wciąż zapewnia ponad 6 centymetrów płaszcza przy 16 tys. litrów. W połączeniu z warstwami innych materiałów, które i tak być muszą, gwarantuje to więcej niż satysfakcjonujący poziom ochrony przed większością SPE.
Pokrycie płaszczem nie 100%, a 1/3 powierzchni ściany pozwala uzyskać grubość 15 cm na całej wysokości statku (rys. w prawym, górnym rogu):
Rysunek w dolnym rzędzie po lewej obrazuje ilość wody, która pozwala na pokrycie potrzeb setki osób w okresie tranzytu, jednocześnie oferując 30-centymetrową tarczę przed rozbłyskami – wystarczy ustawić statek rufą do Słońca. Po prawej natomiast widać, dla porównania, 100 ton (!) wody jako 2-metrowej głębokości basen o średnicy 8 metrów (ciekawostka: połączenie dwóch Starshipów dziobami w układzie rotacyjnym, dla uzyskania symulowanej grawitacji, umożliwia zaproponowanie pasażerom takiego basenu… w funkcji basenu).
Oczywiście, w grę wchodzą też rozwiązania hybrydowe: „twarda rezerwa” wody może chronić cienką warstwą (3-5 cm) wszystkie pokłady, a system recyklingu otaczać schron (8-10 cm) w centralnej części statku. Ekranowanie w postaci 3 cm H2O, samo w sobie, zapewniłoby de facto większy poziom ochrony niż w przypadku modułów dowodzenia Apollo (7-10 g/cm²), a także spełniało z nawiązką współczesne wymogi NASA dla misji poza ziemskie pole magnetyczne.
To właśnie doświadczenia zebrane podczas programu księżycowego oraz dokonane wtedy pomiary pozwoliły sformułować wytyczne dla projektów, realizowanych obecnie przez kontraktorów agencji. Najbardziej zaawansowanym23, rozwijanym przez NASA statkiem jest Orion, planowany do wykorzystania zarówno w misjach na Księżyc jak i na Marsa (wraz z dołączaną sekcją mieszkalną, rzecz jasna). Można go zatem traktować jako swoisty „benchmark” tego, co uznawane jest przez ekspertów za wystarczającą ochronę przed promieniowaniem w XXI wieku. Podstawowa „skorupa” Oriona, wykonana ze specjalnie opracowanego stopu aluminiowo-litowego (1-procentowa domieszka litu) ma około 5 cm grubości. Od jej zewnętrznej strony, kapsuła pokryta jest płytami z tytanu (oraz izolacyjnymi), lecz ich funkcja to głównie zabezpieczenie przed uderzeniami mikrometeorów. Pomiędzy tytanowymi płytami a aluminiową ramą znajduje się kilkucentymetrowa przestrzeń, dokładnie wypełniona tymi urządzeniami i systemami statku, które nie muszą znajdować się w części hermetyzowanej.
Statek Orion przed instalacją zewnętrznej warstwy poszycia. [NASA]
Od wewnętrznej strony, kabina załogowa zostanie prawdopodobnie wyłożona cienką warstwą lżejszych kompozytów, co w finalnej konfiguracji oznacza 15-17 cm ściany w przekroju (dokładna specyfikacja konstrukcji Oriona nie została jeszcze opublikowana).
Ciężko sobie wyobrazić, by ściany Starshipa, oddzielające załogę (bardziej liczną niż dowolne, zakładane przez NASA koncepcje) od kosmicznej próżni, miały okazać się cieńsze – zważywszy na średnicę statku oraz fakt, że jego strukturalna wytrzymałość musi zostać zaprojektowana z uwzględnieniem wielokrotnych startów i lądowań, bezpiecznie jest przyjąć, iż będą one około dwa razy grubsze. Prawdopodobnym jest też umiejscowienie różnych przestrzeni cargo (typu szafki z wyposażeniem) po obwodzie statku, by dodatkowo „odgrodzić” pokłady mieszkalne – stąd na rysunkach w artykule przyjęto asekuracyjnie 50 cm ściany (średnica użytkowa nakreślonych wyżej pokładów wynosi 8 metrów).
Reasumując, domniemywać można, iż załoga Starshipa byłaby dobrze (by nie powiedzieć świetnie, gdy przyrównać poziom ekranowania do dowolnej, przygotowywanej w ramach NASA misji) chroniona, nawet bez implementacji płaszcza antyradiacyjnego – w istocie, pomijając ewentualność wyjątkowo energetycznych rozbłysków, typowy poziom promieniowania w tranzycie (i na Marsie, bez żadnego ekranowania) byłby zbliżony do tego, jaki występuje naturalnie w niektórych miejscach na Ziemi, nie wyłączając tych zaludnionych24.
Bezcelowymi są więc próby zgadywania, jaki wariant wykorzystania H2O zostanie ostatecznie uznany za najlepszy: tarcze kierunkowe, ochrona „360 stopni” czy konfiguracje hybrydowe. Gdy tylko pojawią się oficjalne informacje, jak chociażby liczebność załogi, będziemy w stanie lepiej oszacować ilość potrzebnej wody i tym samym możliwości jej użycia jako podstawowego materiału ekranującego. Istnieje też szansa, że szacowanie okaże się zbędne, gdyż SpaceX poda specyfikację statku załogowego, jeszcze zanim poznamy skład osobowy historycznej misji.
W każdym razie możemy być spokojni, że inżynierom nie umknie możliwość wykorzystania wody – tej zabranej z Ziemi i tej, pozyskanej na samym Marsie. Czerwona planeta oferuje jednak więcej skutecznych metod ochrony kolonistów przed promieniowaniem – te przybliżę przy innej okazji.
Standardowo zachęcam do podlinkowania artykułu na kosmicznych grupach tematycznych oraz komentowania – w szczególności jeśli uważasz, że popełniam błąd w rozważaniach lub nie zgadzają się dane liczbowe. Nie wahaj się też zadać pytania, jeżeli cokolwiek wydaje Ci się niejasne (przykładam szczególną uwagę, by przybliżać złożone zagadnienia w maksymalnie przystępny sposób, lecz nie zawsze odnoszę sukces na tym polu, a poza tym nawet pozornie banalne pytanie może rzucić światło na braki w artykule i przyczynić się do ich uzupełnienia w suplemencie).
Pisząc ten oraz poprzednie artykuły, zapoznałem się z ponad setką opracowań naukowych na temat promieniowania kosmicznego, by następnie przełożyć zawarte w nich informacje na możliwie przystępny, ciekawy język – z reguły czytam przy dobrej kawie, dlatego jeśli chcesz zmotywować mnie do czytania i tym samym przyczynić się do powstawania wysokiej jakości treści, rozważ postawienie mi następnej filiżanki:
(rejestracja w serwisie BuyCoffee nie jest wymagana)
Z góry dziękuję:)
PS. Fundamentalną dla mnie sprawą jest jednak, by pewna rzecz była jasna: jeśli zastanawiasz się od czasu do czasu, czy stać Cię na latte z pianką, czy może lepiej odmówić sobie wyjścia do kawiarni i zamiast tego opłacić Netflix w terminie, akapit powyżej nie jest adresowany do Ciebie – nie chciałbym wywołać poczucia, że wywierana jest na Tobie jakakolwiek presja. Moje artykuły, w których omawiam zagadnienia związane z eksploracją kosmosu są i będą dostępne bezpłatnie.
Jeżeli natomiast obce są Tobie dylematy z kategorii Netflix czy Starbucks, a chcesz docenić czas, jaki został włożony w tworzenie dostępnych tu wpisów, link wyżej pozwoli Ci na sprezentowanie mi kawy BLIKiem lub w inną, preferowaną metodą.
W czerwcu tego roku, agencje kosmiczne Chin i Rosji opublikowały plany wspólnej eksploracji Księżyca, która miałaby zostać zwieńczona bazą załogową (finansowaną przede wszystkim przez stronę chińską). Ma ona oczywiście stanowić odpowiedź na projekt koalicji państw bloku zachodniego. Czas pokaże, na ile kooperacja ta będzie owocna, pomimo potencjalnych przeszkód natury geopolitycznej.
Wielu specjalistów, mających okazję pracować zarówno dla NASA jak i SpaceX, dzieliło się swoim zaskoczeniem, związanym z dynamiką procesu decyzyjnego firmy. Dan Rasky (uznany ekspert do spraw osłon termicznych) opowiada o szoku, jakiego doznał, gdy Musk podejmował esencjonalne decyzje na temat kapsuły Dragon w toku jednego spotkania (wg Rasky’ego, analogiczna sytuacja byłaby w NASA nie do pomyślenia) – tego samego, podczas którego niuanse danego rozwiązania zostały mu pierwszy raz przedstawione (m.in. przez Rasky’ego).
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.
W ewaluacji ofert, złożonych w konkursie na załogowy lądownik księżycowy, SpaceX jako jedyna firma otrzymała od NASA ocenę „outstanding” w kategorii zarządzania:
Właściwie, określanie Dr. Zubrina mianem „propagatora misji na Marsa”, zakrawa na niedopowiedzenie – trudno bowiem przecenić wpływ jego myśli na kształtowanie świadomości w tym obszarze.
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).
Przez koszt „docelowy” rozumieć należy koszt silnika (który do tego czasu zasłuży sobie prawdopodobnie na inną nazwę) po osiagnięciu masowej produkcji – tę Musk traktuje od początku jako najtrudniejsze wyzwanie dla całego projektu Starship. W listopadowym liście wewnętrznym SpaceX stwierdził wręcz, że firma może „stanąć na krawędzi bankructwa”, jeżeli miałoby się nie udać zoptymalizować procesu powstawania Raptora. Jako CTO i zarazem lead engineer odpowiedzialny za Raptora, Musk napisał również, że „(…) choć planował zrobić sobie wolny weekend, pierwszy od dawna, to poważny kryzys produkcyjny silników zmusza go do spędzenia kolejnych nocy w fabryce” – do takiego podejścia wezwał też w ww. liście pracowników, o ile nie mają „krytycznie istotnych spraw rodzinnych”.
Rakieta „superciężka”, czy inaczej „superciężki system nośny”, oznacza zdolność do wyniesienia na niską orbitę okołoziemską ładunku o wadze co najmniej 50 ton.
Jak zakończona sukcesem, pierwsza w historii, w pełni cywilna misja Inspiration4, podczas której czwórka astronautów-amatorów spędziła na orbicie Ziemi trzy doby w kapsule Dragon (tu album niesamowitych zdjęć, wykonanych przez załogę). Pięcioodcinkowy serial dokumentalny, poświęcony temu wydarzeniu, można obejrzeć na Netflix (trailer) – polecam.
Dr Schwadron odnosi się do spadkowego trendu średniej aktywności słonecznej w ostatnich cyklach 11-letnich, co wpływa na wzmożoną penetrację pola magnetycznego Słońca przez cząstki promieniowania galaktycznego – patrz efekt Forbusha w pierwszej części artykułu.
Należy odnotować, że ostrzeganie członków misji przed SPE, zwłaszcza w okresie ich pobytu na Marsie, przedstawia praktyczne trudności, które będą musiały zostać skonfrontowane. Wynikają one z faktu, iż wycelowane w Słońce, ziemskie instrumenty (zarówno teleskopy jak detektory na satelitach, łącznie z tymi w punkcie L1) nie zdają się na nic, jeśli anomalia występuje jedynie po przeciwnej stronie tarczy słonecznej. Problem obrazuje schemat:
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.
Gdy mowa o „twardości” widma promieniowania, jest to odniesienie do jego właściwości penetrujących – stosowane jest tu często kryterium ołowianej płyty o grubości 10 cm: twarde promieniowanie (ang. hard radiation) przedostanie się na drugą stronę, miękkie (ang. soft radiation) nie.
Więcej o skali trudności tego zadania mogliby zapewne powiedzieć studenci z polskiego kolektywu Innspace, wielokrotnie nagradzanego w miedzynarodowych konkursach, m.in. ostatnio za projekt osłony przeciwradiacyjnej samolotu suborbitalnego.
Delta-v, lub ∆v, określa wysiłek energetyczny na jednostkę masy, jaki jest niezbędny do wykonania danego manewru orbitalnego. Lepszemu zrozumieniu delta-v poświęcę niedługo dedykowany artykuł. [aktualizacja: zapraszam do lektury]
A precyzyjniej – na ISS stosowane są dwa, niezależne systemy, z których jeden dedykowany jest rosyjskiej części stacji. Ponieważ system rosyjski, w przeciwieństwie do amerykańskiego, nie przetwarza moczu, astronauci NASA co jakiś czas biorą od swoich wschodnich kolegów torby z tym cennym, złotym surowcem, by „zasilić” swój system recyklingu. Fakt, iż obsada z USA nie ma problemu z piciem rosyjskiego moczu (a może ma, tylko nie mówi o tym głośno), jest całkiem dobrym wskaźnikiem, że w grze o ograniczanie konieczności wynoszenia w kosmos „nowej” wody (ciężkiej i przez to niemile widzianej w przestrzeni cargo dotychczasowych rakiet), obowiązuje zasada wszystkie chwyty dozwolone.
Program powrotu USA na Księżyc – Starship będzie w nim pełnić kluczową rolę, gdyż w kwietniu został wybrany najlepszym projektem lądownika (link prowadzi do mojego artykułu na Substack).
Tak zwany Carrington Event charakteryzował się około 4-krotnie większym poziomem jonizacji niż jakikolwiek SPE, który sięgnął Ziemi w erze lotów kosmicznych.
Jej wymiary zbliżone są do hipotetycznych kapsuł, wrysowanych w plan pokładu Starshipa (przy czym kapsuły na statku charakteryzują się zaokrągloną ścianą, która przylega do cylindrycznego płaszcza wodnego – w najszerszym miejscu, łóżko w projekcie schronu ma 115 cm).
W celu zgłębienia tematu pozytywnego wpływu bliskości wody na organizm człowieka, polecam zapoznać się z pracami dr. Mathew White’a oraz prof. Michaela Depledge.
Cytując przedstawiciela głównego wykonawcy Oriona, firmy Lockheed Martin: Everything inside Orion and all subsystems will be state of the art. W publikacjach prasowych, Orion bywa określany mianem „okrętu flagowego” amerykańskiego przemysłu kosmicznego.
Przykładowo, położone w Iranie miasto Ramsar, którego lokalną atrakcją są gorące źródła (wypłukujące spod ziemi radioaktywny rad i traktowane jako uzdrowisko), cechuje jeden z najwyższych na świecie poziomów naturalnego promieniowania jonizującego – w niektórych rejonach miasta pomiary wskazują średnio 260 mSv rocznie, tj. porównywalnie do powierzchni Marsa. Co interesujące, u mieszkańców (a tereny te zamieszkane są od pokoleń) nie tylko nie odnotowano zwiększonej liczby przypadków nowotworów czy innych schorzeń (w tym genetycznych), co wręcz jedno z badań wykazało zależność odwrotną: ludzie zamieszkujący miejsca o największym poziomie promieniowania rzadziej chorowali na raka płuc. Podobne korelacje notowano również w innych miejscach świata o wysokiej, naturalnej radioaktywności – istnieją hipotezy, że stały, podwyższony poziom promieniowania (do pewnej granicy) stymuluje działanie układu odpornościowego, co długofalowo ma pozytywny wpływ na jego funkcjonowanie i tym samym zdrowie. Oczywiście, jak zawsze w takich przypadkach, niezbędne są dalsze analizy.
W 1 wojnie na pancernikach był podobny problem co z promieniowaniem na starshipie.
Kiedy dochodziło do walki, należało minimalizować ryzyko trafienia.
Dlatego ustawiano się dziobem do przeciwnika, żeby zmniejszyć powierzchnię przekroju możliwą do trafienia i jednocześnie ustawić się najmocniejszym pancerzem do zagrożenia.
Tak samo wojskowi i policjanci zmniejszają przekrój stając bokiem.
Myślę że dokładnie tak będzie w razie wykorzystania wody w charakterze tarczy na starshipie, większość na górze lub dole statku i zwrot osią pojazdu na SRE.
Bardziej u dołu, wtedy zwężający się dziób znalazłby się w "cieniu" tarczy wodnej
Tak mi podpowiada intuicja, ale obliczenia zweryfikują :)
Wspaniała lektura. Czytało się jak dobre SF. Dzięki bardzo za spędzony czas, animacje, grafiki i morze tekstu!
Wow, Panie autorze, napracowane.
W 1 wojnie na pancernikach był podobny problem co z promieniowaniem na starshipie.
Kiedy dochodziło do walki, należało minimalizować ryzyko trafienia.
Dlatego ustawiano się dziobem do przeciwnika, żeby zmniejszyć powierzchnię przekroju możliwą do trafienia i jednocześnie ustawić się najmocniejszym pancerzem do zagrożenia.
Tak samo wojskowi i policjanci zmniejszają przekrój stając bokiem.
Myślę że dokładnie tak będzie w razie wykorzystania wody w charakterze tarczy na starshipie, większość na górze lub dole statku i zwrot osią pojazdu na SRE.
Bardziej u dołu, wtedy zwężający się dziób znalazłby się w "cieniu" tarczy wodnej
Tak mi podpowiada intuicja, ale obliczenia zweryfikują :)