Start, wizyta w kosmosie i bezpieczny powrót na Ziemię w dziesięć minut. Wszystko z zawrotnymi prędkościami i precyzją, która jeszcze niedawno wydawała się nieosiągalna. To misja rakiet Falcon 9, które w praktyce są wielkimi robotami zdolnymi do przetrwania ekstremalnej podróży dzięki szczegółowym obliczeniom matematycznym. Wyższe od większości polskich bloków maszyny mają być przepustką do nowej ery ludzkości. Choć nie brakuje głosów w to wątpiących.

Wizja ich właściciela, miliardera Elona Muska, jest bardzo ambitna. W najbliższej dekadzie chce dotrzeć na Marsa, uczynić z ludzkości cywilizację kosmiczną, a loty na orbitę - czymś rutynowym i powszechnie dostępnym. Według jego planu kluczem mają być rakiety wielokrotnego użytku, które znacząco obniżą koszty wypraw poza ziemską atmosferę. Choć od początku powątpiewano w realność takiego rozwiązania, to wbrew sceptykom należąca do Muska firma SpaceX systematycznie opracowuje przełomowe rozwiązania.

Pierwsze kroki w drodze na Marsa

Najnowszym osiągnięciem firmy SpaceX jest udany lot w miniony weekend. Rakieta Falcon 9 z ładunkiem w postaci statku Dragon, wiozącym zaopatrzenie na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), wystartowała z Przylądka Canaveral. Jej główna część, czyli pierwszy stopień, wylądował po dziesięciu minutach na lądowisku kilka kilometrów od miejsca startu. Robot trafił niemal dokładnie w jego środek z kilkumetrowym odchyleniem. Biorąc pod uwagę ekstremalną podróż z kosmosu, jest to wyjątkowe osiągnięcie.

Aury wyjątkowości niedzielnemu lotowi dodał fakt, że Falcon 9 wystartował ze stanowiska startowego 39A w Centrum Kosmicznym im. Kennedy'ego, skąd na Księżyc wyruszyły wszystkie misje Apollo, a później wiele razy startowały wahadłowce. Firma SpaceX wydzierżawiła je na 20 lat od NASA, która od wysłania promów kosmicznych do muzeów w 2011 roku nie miała dla niego zastosowania. Teraz mają z niego startować rakiety prywatne, docelowo takie, które zawiozą pierwszych ludzi na Marsa.

Kolonizacja Czerwonej Planety jest bowiem idee fixe Muska, który choć swoje miliardy dolarów zarobił na stworzeniu systemu płatności internetowych PayPal, to od dzieciństwa był wielkim entuzjastą lotów w kosmos. - Chciałbym umrzeć na Marsie, tylko nie podczas lądowania - stwierdził w 2013 roku. Według niego przyszłość ludzkości leży w kosmosie i chciałby zrobić wszystko, aby ludzie stali się gatunkiem swobodnie podróżującym poza swoją planetę. Przy obecnej technologii wydaje się to być bardzo dalekosiężnym celem. Do tej pory udało się dotrzeć na Księżyc, a uczyniono to nadzwyczajnym wysiłkiem, który miał mało praktycznego sensu.

Jeszcze do niedawna SpaceX zakładała, że pierwszy testowy lot na Marsa rozpocznie się w przyszłym roku przy pomocy najnowszej rakiety Falcon Heavy, jednak niedawno misja została przełożona na 2020 rok. Ludzie mają polecieć na Czerwoną Planetę około 2025 roku, choć jest to ogólne założenie, a nie konkretna deklaracja. Wszystko zależy bowiem od tego, jak przebiegną testy Falcon Heavy, która ma odbyć swój pierwszy lot latem tego roku. Będzie to największa z obecnie wykorzystywanych rakiet kosmicznych.

Rakiety firmy SpaceX »

Wielokrotne użycie jednego pomysłu

SpaceX liczy na to, że próby najnowszego dzieła firmy będą postępowały szybko, ponieważ do jego skonstruowania zastosowano w większości już wypróbowane rozwiązania. Cała rakieta Falcon Heavy jest bowiem w praktyce rozwinięciem Falcon 9. To przykład filozofii stosowanej przez SpaceX od swoich początków w 2002 roku - modułowość i wielokrotne wykorzystywanie tych samym pomysłów oraz urządzeń. Z tego powodu Falcon 9 jest i będzie podstawowym narzędziem Muska do realizacji jego wizji.

Rakieta została już dobrze przetestowana. 28 razy z powodzeniem wykonała misję. Raz częściowo, ponieważ nie umieściła wszystkich ładunków na założonej orbicie, raz eksplodowała przed startem i raz - niedługo po starcie. Daje to bardzo przyzwoity wynik w postaci 90-procentowej niezawodności. Zwłaszcza jak na tak młodą firmę z brakiem uprzedniego doświadczenia. Dodatkowo podczas startów SpaceX eksperymentuje ze swoim systemem powrotu głównej części rakiety na Ziemię. Od grudnia 2015 roku w 11 kolejnych lotach ta sztuka udała się osiem razy, podczas gdy trzy razy pierwszy stopień rozbił się, próbując lądować na barce-dronie, który pływał u wybrzeży Florydy.

To właśnie zdolność do wykonywania kontrolowanych powrotów jest największym osiągnięciem SpaceX. Do tej pory rakiety były wykorzystywane jednorazowo. To kosztowne rozwiązanie, bo te potężne urządzenia kosztują dziesiątki, a nawet setki milionów dolarów. Musk twierdzi, że czyniąc Falcon 9 rakietą wielokrotnego użytku, ograniczy koszty pojedynczego startu o około 30 procent i będzie mógł oferować bezkonkurencyjne ceny wynoszenia ładunków w kosmos. Celem SpaceX jest użycie jednej rakiety około stu razy. Ma to zredukować cenę wyniesienie kilograma ładunku na orbitę do około 2 tysięcy dolarów, czyli poziomu kilka razy mniejszego od dzisiejszych cen.

Dwa kluczowe manewry

Powrót części rakiety na Ziemię może nie wydawać się czymś nadzwyczajnym, ale to niezwykle trudne zadanie. Falcon 9 wykonuje wszystkie manewry samodzielnie, korzystając z własnego systemu nawigacyjnego i oprogramowania. Dlatego w praktyce jest robotem, czy jak przyjęło się w odniesieniu do latających urządzeń - dronem. Tylko że wyjątkowym, bo potrafiącym przetrwać ekstremalną próbę w postaci podróży w kosmos i powrotu na Ziemię w niespełna dziesięć minut.

Trzy minuty po starcie Falcon 9 pędzi z prędkością przekraczającą 6 tysięcy km/h i wylatuje poza granicę atmosfery, umownie znajdującą się na wysokości 100 km. Po oddzieleniu drugiego stopnia rakiety, która podąża dalej na orbitę z ładunkiem, pierwszy stopień musi zawrócić w kierunku miejsca startu. Najpierw ustawia się tyłem do kierunku lot i uruchamia silniki, aby wyhamować i ruszyć w drugą stronę. Potem musi jeszcze raz się obrócić, aby skierować się dołem ku Ziemi. Z odległej perspektywy wygląda to jak salto, które rakieta wykonuje, ocierając się o wysokość 200 km.

Kilka minut później nadchodzi pierwszy naprawdę trudny moment - ponowne wejście w atmosferę. Pędząca z prędkością sześciokrotnie większą od prędkości dźwięku rakieta przy pomocy silnika gwałtownie hamuje, a specjalne rozłożone stery zaczynają korygować tor lotu, aby podążała w kierunku lądowiska. Po około 15 sekundach silnik wyłącza się, a rakieta kontynuuje opadanie przez coraz gęstsze warstwy atmosfery, gdzie stery zaczynają coraz lepiej działać, a komputer może coraz precyzyjniej naprowadzić ją na cel. Błąd czy usterka w tej fazie lotu oznacza albo spalenie się robota, albo jego rozerwanie na kawałki przez opór powietrza, albo niemożność dotarcia do lądowiska.

Drugim kluczowym momentem jest samo lądowanie, czyli ostatnie pół minuty lotu. Kilka kilometrów nad Ziemią ponownie włącza się silnik, który musi teraz wyhamować rakietę spadającą z kosmosu tak, aby mogła łagodnie osiąść na lądowisku. Jednocześnie stery i małe silniczki pomocnicze muszą ustawić mierzącą 44 metry rakietę w pionie. Zbyt duże odchylenie w którąś stronę czy za duża prędkość oznaczają zbyt wielkie obciążenie dla czterech "nóg" z włókna węglowego, które muszą utrzymać ważącą około 30 ton całość.

Rządzi matematyka i aerodynamika

Kluczowym czynnikiem, który dał SpaceX sukces, są prace matematyków z prestiżowej uczelni Massachusetts Institute of Technology. Zespół pod kierownictwem Larsa Blackmoore'a w kilka lat stworzył zaawansowane oprogramowanie, które pozwala rakiecie nie tylko wykonać skomplikowane manewry w kosmosie, ale przede wszystkim naprowadzić się na lądowisko i gładko na nim wylądować. Komputer pokładowy na bieżąco analizuje ścieżkę lotu i wprowadza drobne korekty przy pomocy sterów. Ciągle musi mieć na uwadze, że przesadzając z manewrami, może utracić za dużo prędkości, przez co nie doleci do lądowiska. Wykonuje więc nieustanne obliczenia. Na dużej wysokości pozwala rakiecie nie trzymać się sztywno kursu. Im bliżej jednak rakieta znajduje się Ziemi, tym bardziej zawęża margines błędu, aż do praktycznie zerowego, kiedy musi trafić w punkt lądowania.

Nowym rozwiązaniem, choć już nie tak przełomowym, są widoczne na nagraniach z pokładu rakiety specjalne stery, a właściwie kratownicowe stabilizatory, przypominające fragment metalowego ogrodzenia albo materaca. Taka konstrukcja znacznie lepiej nadaje się do sterowania podczas lotów z wysokimi prędkościami naddźwiękowymi niż zwykłe stery w postaci jednolitej płyty, montowane na samolotach czy wolniejszych rakietach. Podobne stabilizatory stosuje się na szybkich rakietach wojskowych, np. rosyjskich Iskanderach. Wcześniej nikt nie stosował ich do kontrolowanego wejścia w atmosferę.

Wypracowane do lądowania na Ziemi rozwiązania mają być też stosowane podczas misji na Marsa. SpaceX chce zrezygnować ze spadochronów, które są zaprzeczeniem precyzji i sadzać swoje statki na Czerwonej Planecie pionowo przy pomocy silników rakietowych. Pozwoli lądować w wybranym miejscu, a nie gdzieś w promieniu kilkunastu lub kilkudziesięciu kilometrów, jak to było ze wszystkimi dotychczasowymi lądowaniami ludzkich pojazdów na Marsie. Firma Muska podzieliła się (przynajmniej w teorii) pozwalającymi na to technologiami i wynikami pomiarów z NASA, aby wspomóc prace agencji nad załogowym lotem na Marsa, wstępnie planowanym na lata 30. - To pozwoliło zaoszczędzić kilkaset milionów dolarów z kieszeni podatników - przyznał w 2014 roku wiceszef NASA ds. technologii kosmicznych Michael Gazarik.

Kto za to płaci

Choć firma SpaceX od swojego powstania w 2002 roku osiągnęła bardzo wiele i doszła do etapu, na którym może czegoś uczyć NASA, to stoi przed nią jeszcze wiele bardzo poważnych wyzwań. Są one zwłaszcza związane z tak bardzo promowaną przez Muska misją na Marsa i udowodnieniem, że cała koncepcja rakiet wielokrotnego użytku jest czymś więcej niż imponującą ciekawostką techniczną.

Nie brakuje bowiem głosów, zwłaszcza ze strony rywali na rynku wynoszenia ładunków na orbitę, że SpaceX nie osiągnie takich oszczędności, jakie deklaruje. Największym problemem może być to, ile pracy i przygotowań będzie potrzeba, aby rakieta była gotowa do kolejnego lotu. Promy kosmiczne NASA też miały być tanie, bo wielokrotnego użytku, ale w praktyce okazało się, iż dokładny przegląd i przygotowania przed kolejną misją pochłaniały astronomiczne kwoty, przez co cała koncepcja okazała się ślepym zaułkiem. Chwila prawdy dla SpaceX nadejdzie w tym roku. Na marzec zaplanowano bowiem pierwszy ponowny start rakiety, która z powodzeniem wróciła z kosmosu.

Co więcej, nie wiadomo, czy inwestycje poczynione w uczynienie z Falcon 9 robota wielokrotnego użytku nie przekroczą zysków z jego wielokrotnego użycia. Nie sposób jednak tego na razie ocenić, bo SpaceX jest firmą prywatną i nie musi ujawniać informacji o swoich finansach. Pozostają tylko zapewnienia o obniżeniu ceny startu o 30 procent, co oznacza około 20 milionów dolarów, bo dzisiaj jeden lot Falcon 9 kosztuje nieco ponad 60 milionów.

Trudno też powiedzieć, skąd Musk planuje wziąć pieniądze na misję na Marsa. O ile inwestorzy mogą być zainteresowani technologiami, pozwalającymi taniej wynosić satelity na orbitę, bo to dobry biznes, to lot na Czerwoną Planetę już dobrym biznesem nie będzie. Co więcej, to ogromny wydatek bez jakiegokolwiek zwrotu, poza sławą i odkryciami naukowymi. Jest też wątpliwe, aby pieniądze na ten cel SpaceX dostałą od NASA. Bo obecnie to amerykańskie państwo faktycznie sponsoruje całe przedsięwzięcie Muska. SpaceX otrzymuje od NASA corocznie setki milionów dolarów na misje zaopatrzeniowe do ISS. Kontrakt podpisany w 2008 roku jest wart 1,6 miliarda dolarów, a w 2016 roku podpisano kolejny, większy, ale bez ujawniania kwot. Dodatkowo firma otrzymał 3 miliardy dolarów na rozwój systemu lotów załogowych na ISS. Nieoficjalnie wiadomo, że 85 procent przychodów firmy to pieniądze amerykańskiego podatnika.

Nie ulega wiec wątpliwości, że firma Muska dokonała niezwykłych osiągnięć technologicznych za pieniądze władz USA. Czy pozwoli to na szybką realizację wielkich wizji o przeobrażeniu ludzkości w cywilizację kosmiczną i o kolonii na Marsie? Tutaj wskazana jest zdrowa doza sceptycyzmu.