Wynoszenie obiektów w kosmos, a nawet zwykła zmiana lub korekta orbity stawiają przed nami wyzwania, z którymi nie spotykamy się w żadnym innym środowisku, na ziemi, morzu czy nawet w powietrzu.
Przestrzeń kosmiczną z technicznych względów uznać możemy za próżnię, co oznacza brak punktów oparcia, z pomocą których możemy dokonać rozpędzenia bądź wyhamowania obiektu. Nie występuje tu również opór aerodynamiczny pozwalający na stabilizację jego ustawienia względem toru lotu.
Jednocześnie jednak nie mamy do czynienia ani z idealną próżnią, ani też z idealną harmonią niebiańskiej mechaniki, jaką mógł sobie swego czasu wyobrażać Keppler czy Newton. Na niskich orbitach spotykamy się z atmosferą resztkową, która stawia niewielki lecz nieustanny opór poruszającym się w jej obrębie obiektom, w większej odległości od Ziemi dominującym czynnikiem staje się wiatr słoneczny, sukcesywnie zaburzający stabilność wyższych orbit. Sama planeta również nie jest gładką kulą tylko spłaszczoną na biegunach elipsoidą obrotową o niejednorodnym rozkładzie wewnętrznej masy, od zewnątrz natomiast mamy do czynienia z oddziaływaniem grawitacyjnym Słońca i Księżyca. Wszystkie te czynniki zniekształcają elipsy, po których wedle klasycznej mechaniki nieba powinny poruszać się orbitujące ciała i zmuszają nas do regularnego korygowania ich trajektorii.
Przekleństwo masy reakcyjnej
Skutecznym rodzajem napędu w próżni kosmicznej okazał się silnik rakietowy działający w oparciu o trzecią zasadę dynamiki Newtona, zgodnie z którą pęd pojazdu oraz wyrzucanej przez niego masy reakcyjnej równoważą się, pozwalając na nadanie mu przyspieszenia. Problemem pozostaje skończona ilość materii, jaką możemy zabrać na pokład oraz koszt jej podniesienia z powierzchni Ziemi. W praktyce umieszczenie na niskiej orbicie okołoziemskiej jednego kilograma masy wymaga spalenia kilkudziesięciu kilogramów paliwa. Biorąc pod uwagę fakt, że od satelitów często oczekujemy dekad sprawnego działania i przewidywalnego toru lotu, stwarza to poważne problemy z długofalowym stabilizowaniem ich położenia. Zastosowanie silników jonowych czerpiących energię z ogniw słonecznych i wyrzucających jony ksenonu z prędkością dziesiątek tysięcy kilometrów na sekundę, pozwoliło co prawda na uzyskanie dziesięciokrotnie większej siły ciągu przypadającej na jednostkę masy niż w przypadku klasycznych silników chemicznych, ale nawet one nie są w stanie łamać praw fizyki i w końcu również zużywają cały zgromadzony zapas czynnika roboczego, stając się bezużyteczne.
Orbitalna kotwica i silnik (prawie) bezodrzutowy
Okazuje się jednak, że w miejscu gdzie nie występuje niemal żadna materia nadal obecne są pola grawitacyjne oraz magnetyczne wchodzące w mierzalne interakcje z poruszającymi się wewnątrz nich strukturami oraz dające się praktycznie wykorzystać w pozornie nieoczywisty sposób.
Umieszczenie na zewnątrz statku odpowiednio długiej liny pozwala na ustabilizowanie jego orientacji względem Ziemi. Gradient grawitacji, której siła zmienia się wraz z wysokością, sprawia, iż dolna część liny usiłuje poruszać się szybciej niż jej górna część, powodując naprężenie całej konstrukcji oraz trwałe utrzymywanie jej w pionie bez potrzeby używania silników korekcyjnych. Jeśli zaś zamiast zwykłej liny zastosujemy przewodzący kabel, otrzymamy działającą w oparciu o siłę Lorentza uwięź elektrodynamiczną, która może służyć zarówno do wytwarzania energii indukowanej w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym, pozwalając na wyhamowanie statku i obniżenie jego orbity, jak też na zwiększenie prędkości oraz jej podniesienie, jeżeli przez kabel przepuścimy prąd o przeciwnym kierunku pochodzący z własnego źródła satelity, na przykład wyprodukowany w panelach słonecznych. W obu powyższych wypadkach uzyskujemy możliwość korygowania trajektorii obiektu bez zużywania paliwa lub masy reakcyjnej.
Technologia ta znajduje się obecnie na eksperymentalnym etapie rozwoju, przewiduje się jednak przyszłe jej stosowanie w celu deorbitacji lub też stabilizacji orbity. Potencjalnie można ją wykorzystać również do podnoszenia orbity pojazdów, jednak maksymalny osiągalny tą metodą pułap wynosi nie więcej niż 1000 kilometrów, bowiem do skutecznej pracy silnik taki wymaga obecności zarówno silnego pola magnetycznego, jak też plazmy jonosferycznej, która zamyka obwód, pozwalając na przepływ prądu. Nie uda nam się zatem taką metodą osiągnąć wyżej położonych orbit (na przykład geostacjonarnej), ani prędkości ucieczki ze studni grawitacyjnej planety.
Kosmiczna proca
Jeśli chcemy, w oparciu o powyższy rodzaj napędu, wynieść ładunek poza orbitę Ziemi musimy zastosować trochę bardziej złożoną procedurę oraz instalację określaną mianem uwięzi wymiany pędu.
Na orbicie należy umieścić długą (od kilkunastu do kilkuset kilometrów) i ciężką linę lub konstrukcję rotującą dookoła własnego środka masy. Transportowany ładunek zostanie przechwycony przez dolny koniec liny poruszający się w kierunku przeciwnym do ruchu orbitalnego całej uwięzi, co ułatwi zsynchronizowanie ich prędkości. Obrót uwięzi przeniesie ładunek na jej górny koniec, gdzie zostanie zwolniona w momencie gdy prędkość rotacji sumuje się z jej prędkością orbitalną. Pozwoli to na przyspieszenie wyrzucanego ładunku kosztem energii kinetycznej uwięzi, która w efekcie obniży swoją orbitę i prędkość obrotową. Przywrócenia uwięzi do jej pierwotnego stanu można dokonać za pomocą wspomnianego już silnika elektrodynamicznego, proces ten jednak będzie wymagał od kilku tygodni do kilku miesięcy jego pracy.
Mira Żmijewska