W kosmos nie tylko w rakiecie, czyli kilka słów o SpinLaunch

22 października 2021 firma SpinLaunch dokonała pierwszego udanego testu akceleratora suborbitalnego – urządzenia umożliwiającego wystrzelenia ładunków w kosmos. Czy jednak jest to projekt, który ma przyszłość?

Już 22 lutego – niespełna rok po swoim pierwszym udanym locie 11 lipca 2021 roku – Richard Bronson, założyciel Virgin Galactic, zaczął sprzedawać bilety na loty kosmiczne. Nie był w tym względzie pierwszy, gdyż już wcześniej podobne usługi proponował Jeff Bezos, niemniej jednak Bronson może pochwalić się tym, że jego VMS Eve ma nietypowy sposób działania. Zamiast z Ziemi, statki kosmiczne Virgin Galactic startują z samolotów, co umożliwia im zwiększenie prędkości początkowej i osiągnięcie wyższego pułapu.

Virgin Galactic nie jest jednak jedyną firmą, która próbuje zrewolucjonizować podróże kosmiczne. 22 października 2021 roku start-up SpinLaunch przeprowadził pierwszy udany test suborbitalnego akceleratora, który wynosiłby niewielkie ładunki za pomocą wirówki przeciążeniowej.

Krótka historia SpinLaunch

SpinLaunch został założony w 2014 roku przez Jonathana Yaney’a. Celem start-upu było stworzenie systemu uruchamiania, którego koszty były o wiele niższe od obecnych i który byłby wielokrotnego użytku (obecnie jednym z największych problemów komercjalizacji lotów kosmicznych, są właśnie wysokie koszty spowodowane przez jednorazowe wykorzystywanie statków kosmicznych). Na początku SpinLaunch mieścił się w mieście Sunnydale w stanie Kalifornia, ale później przeniósł się na Long Beach.

W 2015 roku firma zaczęła zbierać fundusze od inwestorów na stworzenie nowego sposobu wystrzeliwania małych obiektów w kosmos. Przez dłuższy czas nie było głośno na temat postępów w rozwoju technologii, a to intrygowało osoby śledzące temat. Dopiero 14 czerwca 2018 roku SpinLaunch ogłosił, że udało mu się zebrać ponad 35 milionów dolarów od inwestorów takich, jak Airbus Ventures, Google Ventures i Kleiner Perkins, a wkrótce kolejni przemysłowcy wpłacili następne 5 milionów dolarów.

19 czerwca 2019 roku SpinLaunch ogłosił, że podpisał kontrakt z Departamentem Obrony Stanów Zjednoczonych (a konkretnie – z Jednostką Innowacji Obronnej) i że jeszcze w 2020 roku firma przeprowadzi pierwsze testy lotnicze. Testy miały odbyć się w komercyjnym kosmodromie Spaceport America mieszczącym się w Nowym Meksyku. Pomimo pandemii 16 stycznia 2020 roku Yaney ogłosił, że SpinLaunch udało się uzbierać 80 milionów dolarów inwestycji.

Pierwszy udany test suborbitalnego akceleratora SpinLaunch miał miejsce 22 października 2021 roku z kosmodromu w Nowym Meksyku, a sama firma podzieliła się tą informacją 9 listopada.

Jak to działa?

Akcelerator suborbitalny zbudowany jest z komory próżniowej i obrotowego ramienia wyposażonego w przeciwwagę. Działa na zasadzie wirówki przeciążeniowej – urządzenia treningowego pozwalającego przyszłym lotnikom i astronautom na oswojenie się z wysokim przeciążeniem i opanowania manewru przeciwprzeciążeniowego. W przeciwieństwie do wirówki, która zwykle ustawiona jest w poziomie, akcelerator znajduje się w pozycji pionowej do płaszczyzny gruntu.

Akcelerator mierzy 50,4 metry. Na ramieniu znajduje się ładunek o odpowiednio aerodynamicznym kształcie, który jest rozpędzany do ogromnej prędkości, a następnie wypuszczany w przestrzeń.

W pierwszym teście z 22 października zeszłego roku wykorzystano ładunek mierzący 3 metry i udało się go wynieść na pułap „dziesięć tysięcy stóp” (jak twierdzi właściciel firmy, Jonathan Yaney). SpinLaunch chwali się też tym, że w teście użyto zaledwie 20% mocy urządzenia, a w przyszłości zamierza zbudować trzy razy większy od prototypu akcelerator suborbitalny. Dzięki temu byłby w stanie osiągnąć prędkość 80000 kilometrów na godzinę. Firma zakłada też, że przyszłe ładunki po osiągnięciu pułapu 61 000 metrów uruchomiłyby własne silniki, które rozpędziłyby się do 28 000 kilometrów na godzinę (czyli pierwszej prędkości kosmicznej, którą trzeba osiągnąć, aby obiekt mógł pokonać siłę grawitacji).

Główne zastrzeżenia

SpinLaunch na pewno oferuje ciekawe rozwiązanie, niemniej jednak akcelerator suborbitalny jest przeznaczony głównie do wysyłania w przestrzeń kosmiczną małych obiektów, takich jak cubesaty. Nawet jeśli mamy to na względzie, jest kilka problemów natury technicznej, które rozwiązanie SpinLaunch musi wziąć pod uwagę podczas rozwoju swojej technologii. O trzech z nich mówi na swoim kanale fizyk Ben Miles.

Pierwszy problem to odpowiednia trajektoria startowa – doktor Miles zwraca uwagę na to, że akcelerator suborbitalny musi wypuścić ładunek z dokładnością do jednego stopnia i w przeciągu 1/3 milisekundy (przy założeniach, że ładunek podróżuje z prędkością 450 obrotów na minutę). W takim przypadku obliczenia prędkości i trajektorii muszą być bardzo dokładne. Gdyby doszło do choćby lekkiego odchylenia trajektorii, ładunek mógłby spaść na jednostkę startową. W przyszłości, kiedy suborbitalny akcelerator wystrzeliwałby w przestrzeń rakiety, mogłoby się to okazać niebezpieczne dla bazy startowej i pracującego w niej personelu.

Następny problem to „ekstremalne nagrzewanie się” ładunku. Nie od dzisiaj wiadomo, że przy wejściu w i poza atmosferę dochodzi do spalania części satelitów, statków kosmicznych czy meteorów. Jest to spowodowane przez tarcie, opór powietrza i falę uderzeniową tworzoną przez obiekt podczas podróży przez atmosferę. Przy ogromnej prędkości, jaką osiągnąłby wystrzelony przez akcelerator ładunek, będzie trzeba wziąć pod uwagę to, jak zabezpieczyć go przed ciepłem. Jednym z rozwiązań może być to, że akcelerator działałby najpierw w próżni (co gwarantowałoby mniejszy opór powietrza i mniejsze nagromadzenie ciepła). Kolejnym rozwiązaniem jest wykorzystanie do budowy ładunków materiałów kompozytowych, które mają dużą odporność na ciepło.

Ostatni problem, na który zwraca uwagę doktor Miles, to tak zwany wstrząs łożyska, który pojawiłby się przy uwolnieniu ładunku. W 1/3 milisekundy, w której ładunek byłby wystrzelony, masa i prędkość stanowiłyby spore obciążenie dla łożyska akceleratora. SpinLaunch próbuje rozwiązać ten problem poprzez ciąg wsteczny, wypuszczony podczas startu i stanowiący przeciwwagę to wytwarzanej przez start ładunku energii.

Podsumowanie

Test z 22 października wzbudził zainteresowanie nietypowym rozwiązaniem firmy, chociaż na razie nie jest ona na ustach wszystkich. Po części dlatego, że w przeciwieństwie do trzech głównych uczestników Nowego Wyścigu Kosmicznego – SpaceX, Virgin Galactic i Blue Origin – SpinLaunch przeważnie milczy na temat swoich działań i odzywa się tylko w momencie, kiedy może pochwalić się rzeczywistymi osiągnięciami; a po części dlatego, że nie zamierza oferować w przyszłości turystycznych lotów kosmicznych – jedynie szybki i tani transport małych obiektów. Czy pod tym względem zagrozi rakietom Muska, zobaczymy w przyszłości.