Dlaczego podróże do innych planet trwają tak długo? Pomówmy o prędkościach i odległościach w kosmosie

Kilka miesięcy temu pojawiły się informacje wskazujące na to, że być może na początku lat trzydziestych wystartuje z Ziemi sonda, której celem miałby być Uran. Dla miłośników astronomii to niezwykle ekscytująca wiadomość bowiem o gazowych olbrzymach - a szczególnie o Uranie i Neptunie - wciąż wiemy bardzo niewiele. Tym razem jednak miałaby to być sonda, która nie tylko przeleci w pobliżu planety, ale wejdzie na orbitę wokół niej. Entuzjazm jednak szybko opada w momencie, gdy okazuje się, że lot do Urana potrwa co najmniej 12 lat.

Czytaj także: Oto TOP 7 najszybszych statków kosmicznych w historii. Takie prędkości rozwijają ludzkie sondy

Niemal natychmiast pojawiły się pytania o to dlaczego to tak długo ma trwać, dlaczego nie wymyślono jeszcze lepszego napędu do sondy tak, aby mogła dotrzeć ona do celu w 2-3 lata, a nie w 12-15.

Wbrew pozorom odległości między planetami w Układzie Słonecznym nie wyglądają tak, jak na uproszczonych grafikach, które możemy zobaczyć na wizualizacjach. Gdyby chcieć sfotografować nasz układ planetarny „od góry” na jednym zdjęciu, trzeba by było się od niego na tyle oddalić, że nie byłoby widać ani jednej planety. Spójrzmy poniżej.

Tak prezentuje się Układ Słoneczny w liczbach:

Odległość to tylko jeden problem. Można zadać sobie pytanie dlaczego nie można zwiększyć prędkości sondy w przestrzeni kosmicznej? Także w tym przypadku odpowiedź nie jest prosta.

Wyobraźmy sobie, że mamy sondę kosmiczną załadowaną na szczycie rakiety stojącej na stanowisku startowym. Aby sonda mogła wyrwać się z objęć grawitacji Ziemi i uciec w przestrzeń międzyplanetarną, należy nadać jej prędkość 11,2 km/s. Jest to tzw. druga prędkość kosmiczna.

Pamiętajmy jednak, że na początku trzeba podnieść nie tylko sondę, ale także rakietę z zapasami paliwa. Im szybciej chcemy lecieć w przestrzeni kosmicznej, tym więcej paliwa musimy ze sobą zabrać. Automatycznie rośnie wtedy masa całej rakiety i paliwa, które należy wynieść.

Im większa masa tego zestawu, tym więcej paliwa potrzeba, aby nadać mu drugą prędkość kosmiczną. Owszem, podczas pierwszej fazy lotu, wraz ze spalaniem olbrzymich ilości paliwa, masa rakiety bardzo szybko spada, jednak jeżeli chcemy zabrać ze sobą więcej paliwa do późniejszego rozpędzenia sondy, wciąż będzie to zbyt dużo.

Owszem, możemy rozpędzić sondę do dużych prędkości tak, aby pokonała ona drogę do swojego celu możliwie najszybciej. Dobrym przykładem jest tutaj sonda New Horizons wystrzelona w 2006 r. w kierunku Plutona. Potężną odległość blisko 5 mld km sonda pokonała w zaledwie 9 lat 5 miesięcy i 25 dni, dzięki temu, że już na początku nadano jej prędkość 16,26 km/s, a po drodze dostała jeszcze zastrzyk energii od grawitacji Jowisza.

Taki szybki lot ma jednak pewną wadę. Po dotarciu do celu 14 lutego 2015 r. sonda New Horizons poruszała się z prędkością 13,78 km/s. Jedyne co sonda mogła zrobić, to przelecieć obok wykonując bez ustanku jak najwięcej zdjęć. W ciągu 24 godzin w okolicach przelotu sonda nie kontaktowała się z Ziemią a jedynie robiła zdjęcia planety i jej księżyców.

Pluton ma średnicę zaledwie 2376 km, a więc jego masa do największych też nie należy. To automatycznie definiuje przyciąganie grawitacyjne planety. Przelatująca w pobliżu planety sonda New Horizons miała ogromną prędkość i pole grawitacyjne planety nie było w stanie jej przechwycić. Aby taki manewr się udał New Horizons musiałby mieć prędkość 3500 km/h, zamiast ponad 50 000 km/h.

Aby zwolnić do takiej prędkości, dolatująca do Plutona sonda New Horizons musiałaby włączyć silnik hamujący i zużyć 153 tony paliwa. I tu pojawia się problem.

Startująca rakieta Atlas V w 2006 r. musiała wynieść na orbitę transferową sondę o masie zaledwie 457 kg. Jak dużej rakiety trzeba, aby wynieść w podróż do Plutona taką samą sondę ale z zapasem 153 ton paliwa? Otóż taka rakieta musiałaby ważyć 211 000 ton, czyli musiałaby być 69 razy większa od rakiety Saturn V, największej rakiety kiedykolwiek wystrzelonej przez człowieka.

Nie oznacza to jednak, że nie jesteśmy w stanie wysłać sondy, która jest w stanie wejść na orbitę wokół Plutona. Jak najbardziej nie ma absolutnie żadnego problemu, aby taką sondę wysłać z wykorzystaniem współczesnej technologii.

Wystarczy po prostu wystrzelić obiekt, nadając mu mniejszą prędkość na początku, tak aby po dotarciu do celu leciał on wystarczająco wolno, aby grawitacja Plutona była w stanie go przechwycić. Problem jednak w tym, że taka podróż trwałaby wtedy nie dziewięć, a ponad czterdzieści lat.

To stanowi już pewien problem z zupełnie innej przyczyny. Jakby nie patrzeć potężne pieniądze na sondę kosmiczną musieliby z góry wyłożyć ludzie, którzy prawdopodobnie nie doczekaliby dolotu do celu misji. W 2020 roku naukowcy z Oxfordu przedstawili obliczenia, które wskazują, że lot orbitera do Plutona można skrócić do 28 lat. To mniej niż 40, jednak wciąż całkiem sporo.

Owszem, można dolecieć tam szybciej niż w 12 lat, ale wtedy zapewnimy sobie jedynie przelot w pobliżu planety. Pytanie czy lepiej mieć serię zdjęć z Urana po 7 latach lotu, czy jednak poczekać nawet 15 lat i przez kolejne kilka lat mieć sondę, która na spokojnie będzie przyglądała się wszystkim szczegółom planety z bliska.

Podbój kosmosu wymaga czasu i nic z tym nie zrobimy. Na pocieszenie można dodać, że tak naprawdę 15 lat to nie jest za dużo, wszak prawdziwe problemy napotkamy dopiero wtedy, kiedy będziemy chcieli dotrzeć do najbliższych gwiazd.

Wystarczy tu wspomnieć, że gdybyśmy skierowali sondę New Horizons w kierunku Proximy Centauri, najbliższej nam gwiazdy i rozpędzili ją do prędkości 84 000 km/h, to dotarłaby do celu za… 54 400 lat, a i tak wtedy leciałaby przy celu za szybko, aby wejść na orbitę wokół gwiazdy.