Mlazni motor bez tijela, pričvršćen na glomazni otvor za zrak, nalazi se u vanjskom testnom postrojenju u Znanstvenom centru Culham u Oxfordshireu, Engleska. Kad motor oživi, stupovi pare sukljaju iz otvora, stvarajući dojam industrijskog dimnjaka. Inženjer Alan Bond vidi nešto više futurističko. "Gledamo revoluciju u prijevozu", kaže on. Za Bonda, motor predstavlja početak prvog svemirskog broda na svijetu za višekratnu upotrebu, nove vrste letjelice koja obećava da će učiniti ono što niti jedno svemirsko vozilo nikada nije: ponuditi pouzdan, pristupačan i redovit povratni pristup niskoj Zemlji orbita.
Bond i inženjeri u Reaction Engines, zrakoplovnoj tvrtki koju je osnovao s dvojicom kolega 1989., buduću letjelicu zovu Skylon. Vozilo bi imalo trup koji bi podsjećao na Concorde i polijetao bi poput konvencionalnog putničkog zrakoplova, ubrzavao bi do 5,2 Macha i izletio iz atmosfere poput rakete. Na povratku, Skylon bi sletio na istu pistu s koje je i poletio.
Bondov Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (Sabre) - dijelom kemijska raketa, dijelom mlazni motor - omogućit će Skylon. Sabre ima jedinstvenu sposobnost korištenja kisika iz zraka umjesto iz vanjskih spremnika tekućeg kisika poput onih na space shuttleu. Vezani za svemirsku letjelicu, motori ove vrste eliminirali bi potrebu za potrošnim pojačivačima, koji lansiranje ljudi i stvari u svemir čine sporim i skupim. "Skylon bi mogao biti spreman za povratak u svemir dva dana nakon slijetanja", kaže Mark Hempsell, direktor budućih programa u Reaction Enginesu. Usporedbe radi, svemirski šatl, koji je zahtijevao vanjski spremnik goriva i dva raketna pojačivača, podnio je oko dva mjeseca da se vrati (zbog štete nastale tijekom lansiranja i pada) i košta 100 USD milijuna. Navodeći jednostavnost Skylona, Hempsell procjenjuje da bi misija mogla koštati samo 10 milijuna dolara. Ta bi cijena čak potkopala iznos od 50 milijuna dolara koji privatna kompanija za svemirske letove SpaceX planira naplatiti za lansiranje tereta na svom dvostupanjskom
Falcon 9 raketa.Motor proizvodi nevjerojatnu toplinu dok se gura prema svemiru, a toplina je problem. Vrući zrak je teško komprimirati, a loša kompresija u komori za izgaranje daje slab i neučinkovit motor. Sabre mora moći brzo ohladiti taj zrak prije nego što stigne do turbokompresora. U studenom je tvrtka Reaction Engines dosegla kritičnu prekretnicu kada je uspješno testirala sposobnost prototipa da udiše mjehurasto vrući zrak i zatim ga brzo ohladi bez stvaranja leda za kraj misije. David Willetts, britanski ministar za sveučilišta i znanost, nazvao je ovo postignuće "izvanrednim".
Koncept Skylon također je impresionirao Europsku svemirsku agenciju (ESA), koja je prošle godine izvršila reviziju dizajna Reaction Enginesa i nije pronašla nikakve tehničke prepreke za izgradnju letjelice. Veći izazov može biti osiguravanje financiranja. Dok su ESA i britanska vlada zajedno uložile 92 milijuna dolara u projekt, Bond i njegova ekipa planiraju se okrenuti javnom i privatnom investitorima za preostalih 3,6 milijardi dolara potrebnih za dovršetak motora, za koji kažu da bi mogao biti spreman za probne letove u sljedeća četiri godine. Sama izgradnja letjelice zahtijevala bi mnogo veća ulaganja: 14 milijardi dolara.
* * *
Potraga za svemirskim brodom s jednim stupnjem u orbitu, ili SSTO, desetljećima je mučila zrakoplovne inženjere. Bondovo vlastito istraživanje ove teme počelo je ranih 1980-ih, kada je kao mladi inženjer radio s Rolls-Royceom kao dijelom tima zaduženog za razvoj svemirske letjelice za višekratnu upotrebu za Britance Aerospace. Tada je došao na ideju hibridnog motora. Ali tim se borio da otkrije kako ohladiti motor pri nadzvučnim brzinama bez dodavanja paralizirajuće količine težine. "U trenutku kada zrakoplov dostigne brzinu od 2 Macha, zrak postaje vrlo vruć i izuzetno ga je teško komprimirati", kaže Bond. Rolls-Royce i britanska vlada, sumnjajući da postoji jednostavno i ekonomično rješenje, otkazali su financiranje programa.
NASA i Lockheed Martin su u međuvremenu imali vlastite planove za potpuno višekratnu svemirsku letjelicu, VentureStar, zamišljenu kao pristupačnu zamjenu za djelomično višekratnu svemirsku letjelicu. VentureStar demonstrator, nazvan X-33 (koji je krasio naslovnicu ovog časopisa 1996.), bio je zdepasta, trokutasta raketa koja bi uzletjela okomito i klizila natrag na Zemlju baš kao shuttle učinio. Ukidanje potrošnih raketa potrebnih za poticanje shuttlea u svemir moglo bi teoretski smanjiti troškove lansiranja s 10.000 dolara po funti na 1.000 dolara po funti. No do 2001. godine, nakon što je u projekt uložila više od milijardu dolara, agencija je povukla utikač, navodeći ponovljene tehničke probleme i naglo rastuće troškove. "Odustali smo jer smo smatrali da je bolje usmjeriti naše napore na druge, jeftinije načine da se teret dopremi u orbitu", kaže Dan Dumbacher, NASA-in zamjenik pridruženog administratora za razvoj istraživačkih sustava, koji je proveo dvije godine radeći na X-33.
Sabre Engine: Kako radi
S shuttleom koji je sada u mirovini, a tvrtke poput SpaceX-a imaju ugovor o opskrbi Međunarodne svemirske postaje (ISS), NASA je udvostručila potrošne pojačivače kao sredstvo za slanje ljudi i sondi daleko izvan Zemljine orbite. NASA-ina nova platforma za istraživanje dubokog svemira, Space Launch System, bit će najmoćnija raketa ikada napravljena. Usredotočenost agencije na istraživanje svemira i potreba za velikim raketama da bi se to postiglo znači da NASA više ne treba graditi vlastite platforme samo da bi dopremila teret u orbitu. "Iz čiste tehničke perspektive, svi bismo voljeli raditi SSTO", kaže Dumbacher. "Ali mi smo usredotočeni na to da ljude odvedemo dalje u svemir, a to je skup prijedlog."
Potrošne rakete imaju smisla za misije izvan niske Zemljine orbite. Mogu vući više tereta i više goriva nego jednostupanjska plovila. Rakete također nude pouzdanost - u prosjeku, samo jedno od 20 lansiranja ne uspije, djelomično zato što se ne troše zbog ponovljene uporabe. Konačno, rakete dolaze s manje troškova istraživanja i razvoja, jer većina tehnologije postoji od 1960-ih.
Ali za rutinske misije na ISS ili za parkiranje malog promatračkog satelita u orbiti, pristupačnost postaje kritično razmatranje. Izvršni direktor SpaceX-a Elon Musk rekao je publici u National Press Clubu 2011. da će privatni svemirski letovi morati slijediti model bliži modelu zrakoplovnih kompanija. “Da se avioni ne mogu višekratno koristiti, vrlo malo ljudi bi letjelo”, rekao je. SpaceX planira učiniti stupnjeve rakete višekratnim korištenjem, ali i to ima nedostataka: iako je moguće oporaviti raketni stupnjevi, dizajniranje dijelova koji će preživjeti ponovni ulazak u dobrom radnom stanju dodaje razinu složenosti i trošak.
Letite bilo gdje u svijetu za manje od četiri sata.
Hempsell kaže da bi Skylon potencijalno mogao napraviti 100 letova godišnje—što bi, ako je istina, moglo u prvoj godini nadoknaditi novac potrošen u istraživanje i razvoj i izgradnju, ostavljajući samo troškove kao što su gorivo, održavanje i iznad glave. A Bondova tehnologija motora, osim što održava raketu-nosač netaknutom od početka do kraja, nudi još jednu prednost: nadzvučnu avijaciju. "To bi moglo omogućiti zrakoplovu da leti bilo gdje u svijetu za manje od četiri sata", kaže Bond.
* * *
Kada zrak udari u motor brzinom pet puta većom od brzine zvuka, on se može zagrijati do gotovo 2000 stupnjeva Fahrenheita. Trenutačno ispuštanje te topline, prije nego što zrak stigne do turbokompresora i zatim do potisne komore, bio je najteži tehnički izazov za inženjere Reaction Enginesa. Bondovo rješenje je izmjenjivač topline koji radi propuštanjem hladnog tekućeg helija kroz niz cijevi s metalnim stijenkama tankim poput papira. Dok se vrući zrak kreće kroz izmjenjivač, ohlađena cijev apsorbira energiju, hladeći zrak na minus 238 stupnjeva Fahrenheita u djeliću sekunde. Bond kaže da bi njegov izmjenjivač mogao podnijeti oko 400 megavata topline (ekvivalent srednjoj veličini postrojenja za prirodni plin). "Da je u elektrani, vjerojatno bi bio izmjenjivač topline od 200 tona", kaže on. "Onaj koji smo napravili težak je oko 1,4 tone."
Za raketne znanstvenike ništa nije važnije od težine. "Svaka funta koju stavite u orbitu zahtijeva oko 10 funti ili nešto više goriva da bi se tamo stigla", kaže NASA-in Dumbacher. "Izazov sa SSTO-om uvijek je bio učiniti letjelicu što je moguće lakšom [i generirati] što je moguće više potiska." Bond procjenjuje da bi Skylon težio oko 358 tona pri polijetanju i sadrži dovoljno vodikovog goriva da ponese sebe i oko 16,5 tona korisnog tereta—otprilike istog kapaciteta kao većina operativnih raketa—u orbitu.
Ako i kada motor prođe testove leta, jedan od planova Reaction Enginesa je licencirati tehnologiju potencijalnom partneru u zrakoplovnoj industriji. Bond se nada da će nedavni uspjeh izmjenjivača topline potaknuti zanimanje. Nakon 30 godina istraživanja, to ga je svakako inspiriralo. "To predstavlja temeljni napredak u tehnologiji pogona", kaže on. “Ovo je najponosniji trenutak u mom životu.”
Ovaj se članak izvorno pojavio u izdanju časopisa iz rujna 2013 Popularna znanost.
