Dlaczego podróże w kosmos są takie trudne?

Podstawa techniki rakietowej jest prosta: rakieta jest obiektem, który wyrzuca materiał w jedną stronę, nadając sobie ruch w stronę przeciwną. Ten koncept jest tak prosty, że nawet dzieci mogą zostać mistrzami w budowaniu rakiet z butelek, które wykorzystują ten sam podstawowy mechanizm. Startują one wyrzucając z siebie z dużą prędkością strumień wody, która jest wcześniej utrzymywana pod ciśnieniem.

Butelkowe rakiety wystrzeliwują wysoko w powietrze, ale zawsze spadają na Ziemię, kiedy skończy im się niewielki zapas wody. Pokazuje to fundamentalny problem, z którym zmagają się wszyscy inżynierowie budujący rakiety: jako że napęd oparty jest na wyrzucaniu w tył materiału, rakieta jest napędzana tylko tak długo, dopóki tego materiału nie zużyje. W związku z tym przed startem musi ona mieć na pokładzie całe paliwo, które jest potrzebne, aby dotrzeć do celu. Małe i proste rakiety butelkowe nie mają oczywiście wystarczająco paliwa, aby osiągnąć orbitę.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że to wyłącznie problem skali, który można rozwiązać po prostu zwiększając rozmiar zbiorników z paliwem. Do pewnego stopnia jest to oczywiście prawda. Jeśli weźmiemy prostą rakietę, np. butelkową, i dołożymy nieco więcej paliwa przed startem, poleci ona wyżej i szybciej. Potem możemy powtórzyć ten proces i dodać jeszcze trochę paliwa, jednakże z każdym takim kolejnym krokiem zysk wysokości i prędkości w przeliczeniu na ilość dodanego paliwa będzie coraz mniejszy, aż do momentu, kiedy przestanie to przynosić jakikolwiek zysk. Wynika to z faktu, że dokładanie paliwa ma negatywne skutki. Dopóki paliwo nie zostanie zużyte, stanowi ono dodatkową masę, która musi być dźwigana razem z resztą rakiety. Kiedy paliwo jest zużywane poprzez wyrzucanie go z rakiety, popycha ono rakietę do przodu z taką samą siłą, niezależnie od tego kiedy jest ono zużywane, jednakże pchanie tego paliwa przez długi czas, zanim zostanie ono zużyte, działa na niekorzyść. Po pewnym czasie koszt dźwigania paliwa przewyższa zysk z jego użycia. Problem ten został nazwany „tyranią równania rakietowego” i matematycznie opisuje go wzór Ciołkowskiego.

Teoretycznie jeżeli dołożymy do rakiety paliwo o danej masie, masa całej rakiety wzrośnie o tę samą wartość. W praktyce jednak należy jeszcze wziąć pod uwagę masę powiększonych zbiorników i innej infrastruktury niezbędnej do obsługi paliwa. Co gorsza, o ile masa paliwa w rakiecie zmniejsza się wraz z jego zużywaniem, powiązana infrastruktura cały czas jest zainstalowana w rakiecie i jej masa jest dźwigana podczas całego lotu. Z tego właśnie powodu rakieta, która mogłaby dostać się na orbitę za jednym zamachem (tzw. pojedynczy stopień na orbitę, ang. SSTO – Single Stage to Orbit) nie została nigdy zbudowana, mimo że teoretycznie jest to możliwe. W zamian omija się ten problem poprzez rakiety wielostopniowe, czyli w praktyce umieszczanie jednej rakiety na szczycie drugiej. Dolne stopnie nazywane są boosterami i rozpędzają one górne stopnie, po czym są odrzucane, dzięki czemu można pozbyć się dużej części infrastruktury (zbiorników), która jest już zbędna, jako że duża część paliwa została zużyta. W efekcie rakieta nie musi wynosić na orbitę dużej części swojej własnej masy, dzięki czemu może wziąć ze sobą cięższy ładunek.

Czemu loty w kosmos są takie drogie?

Starty rakiet można łatwo porównać do innych form transportu i dojść do wniosku, jak absurdalnie drogie one są. Powody są bardzo proste, ale ciężko je zauważyć na pierwszy rzut oka. Rakiety są drogie, ponieważ wymagają precyzyjnej inżynierii, elementów pracujących w ekstremalnie wrogim środowisku i muszą być niezawodne. Wszystko musi zadziałać pomimo wystawienia na ekstremalne temperatury i zmiany ciśnienia i nie ma możliwości wprowadzenia poprawek czy konwersacji w trakcie lotu ani w kosmosie. Firmy z branży kosmicznej muszą po prostu wytworzyć możliwe jak najlepsze komponenty, co nie jest tanie.

Koszt nowej rakiety może oscylować w granicach 100 milionów dolarów, ale to nie jest właściwie tak dużo, jeśli weźmiemy pod uwagę koszty innych pojazdów:

• Nowa ciężarówka - 100 tysięcy dolarów

• Nowa lokomotywa ~ 5 milionów dolarów + 60 tysięcy dolarów za każdy wagon

• Nowy kontenerowiec - 50-100 milionów dolarów

• Nowy samolot transportowy - 70-150 milionów dolarów

Można zauważyć, że rakiety są zasadniczo porównywalne z innymi pojazdami transportowymi. Jedynym powodem, dla których korzystanie z nich jest tanie, jest to, że przez dziesiątki lat każdy z nich wykonuje tysiące podróży, a koszt ich kupna jest rozdzielany na wielu klientów. Oprócz inżynieryjnych wyzwań, głównym powodem wysokiej ceny lotu w kosmos jest to, że za każdym razem trzeba budować nowy pojazd i klient, który chce umieścić cokolwiek w kosmosie, musi płacić cały koszt pojazdu.

Wielokrotne używanie rakiety nie jest takie proste i nie wiąże się wyłącznie z obniżeniem kosztów produkcji i utrzymaniem wszystkich innych cen na takim samym poziomie. Nawet jeśli używa się ponownie rakiety, wciąż trzeba ją najpierw zbudować (choć można ją amortyzować w ciągu wielu lotów), więc koszt produkcji będzie istniał (choć stanie się znacznie niższy). Jednakże kontrola i konserwacja odzyskanych pierwszych stopni podnosi koszt kontroli jakości (choć ten wzrost kosztów nie powinien być nawet zbliżony do redukcji kosztu produkcji nowej rakiety). Prawdziwym sednem sprawy jest to, czy liczba roboczogodzin (koszty pracy są prawdopodobnie największym wydatkiem), potrzebnych do umieszczenia ładunku na orbicie, będzie znacznie mniejsza dla ponownie używanego boostera, czy dla tego produkowanego od zera?

Często używana jest analogia, że samoloty pasażerskie są tanie w użyciu, ponieważ mogą być używane tysiące razy przez okres użytkowania. Nikt by nie latał, jeśli trzeba by wybudować i wyrzucić dwa samoloty na podróż w tę i z powrotem. Naprawdę nie wiemy, co się stanie, kiedy SpaceX będzie w stanie rutynowo używać swoich rakiet wielokrotnie. Może to zmniejszyć cenę o 10% albo o 90%. Naprawdę tego nie wiemy i można podejrzewać, że SpaceX też tego dokładnie nie wie. Ważne, że próbują i droga do poznania tej odpowiedzi powinna być fascynująca.