Gravitacija – nevidljivi motor svemirskih putovanja

<!—->

Mjesec se mnogo puta našao na teleskopskom vidiku Valentine Komarove. Poslednjih godina ga posmatra iz Goričana u Zeti, iz svoje lične zvjezdarnice – astronomske opservatorije dostupne svim zaljubljenicima u svemir koji zakucaju na njena vrata. Komarova već godinama popularizuje astronomiju u Crnoj Gori tako što vodi klub za mlade talente pri fondaciji za promovisanje nauke “PRONA” i osmišljava praktičnu nastavu iz Osnova astrofizike na našem Prirodno-matematičkom fakultetu.

 Kako se svemirski brodovi na misijama kao što je Artemis II kreću najdužim dijelom putanje bez goriva, „na pogon“ gravitacije?

Zamislite da čovjek baca kamen uvis. Što je čovjek jači, to može više da podigne kamen. Kamen leti ka gore, postepeno gubeći brzinu jer Zemljina gravitacija pokušava da ga vrati nazad. U jednom trenutku kamen se zaustavlja u vazduhu, potpuno izgubivši brzinu uspona. A zatim, pokoravajući se gravitaciji i povećavajući brzinu, pada na Zemlju. Što se više podigao, to će veću brzinu razviti pri padu. Na ovom zakonu gravitacije zasniva se putanja leta svemirske letjelice Artemis II. Ova putanja doprinijela je uštedi troškova i omogućila maksimalnu bezbjednost kosmičkog leta za posadu.

Ali, kao i u primjeru sa kamenom, svaki let u svemir počinje savladavanjem upravo te gravitacije – gravitacije Zemlje. Za to su potrebne rakete sa snažnim motorima koje sagorijevaju ogromne količine goriva i ubrzavaju se do prve kosmičke brzine (8 kilometara u sekundi), odnosno izvode svemirski brod u orbitu oko Zemlje. Takvi brodovi će kružiti samo oko Zemlje. 

“Kvačilo” u svemiru – iz prve u drugu kosmičku brzinu

Da bi letjelica napustila površinu Zemlje i izašla u orbitu potrebna je prva kosmička brzina. Ali da bi napustila Zemljinu orbitu i krenula ka Mjesecu, potrebna je druga kosmička brzina – 11 kilometara u sekundi. Bez nje posada misije Artemis II nikada ne bi ostvarila svoj cilj. Zbog toga svemirski brod prelazi sa kružne orbite oko Zemlje na izduženu, eliptičnu.

Izdužena, eliptična orbita dobra je zbog toga što je najudaljenija tačka orbite veoma daleko od Zemlje (74 000 km, sjetite se kamena koji je bačen veoma visoko). Brod koji iz te tačke počinje da „pada“ ka Zemlji duž svoje orbite, dobija veliku brzinu. I u najbližoj tački Zemlji tokom tog pada (200 km iznad površine) nakratko uključuje manevarske motore, koji mu daju dodatni impuls, dodatni potisak. Tako se postiže druga kosmička brzina, ona izbacuje brod u međuplanetarni prostor. Upravo ovaj gravitacioni manevar usmjerio je Orion na putanju slobodnog povratka. Nakon tog trenutka čak i u slučaju otkazivanja manevarskih motora broda gravitacija Mjeseca bi sama vratila Orion na Zemlju. 

<!—->

 Kako gravitacija funkcioniše tokom leta?

Od trenutka izlaska na translunarnu putanju brod leti po inerciji, bez rada motora. On leti sve dalje i dalje od Zemlje i postepeno gubi brzinu. Što je dalje od Zemlje, to slabije djeluje Zemljina gravitacija.

Ali, čim brod uđe u zonu djelovanja Mjesečeve gravitacije, tamo gdje gravitacija Mjeseca nadjačava Zemljinu, povećava se njegova brzina. Uz to mijenja se i putanja njegovog kretanja. Putanja se zakrivljuje i sada obilazi Mjesec, a ne ide pored njega u beskonačna prostranstva svemira. Brod, zaletjevši se daleko iza Mjeseca po izmijenjenoj putanji, postepeno smanjuje svoju brzinu i, kao kamen koji se zaustavi u vazduhu nakon što je bačen, počinje da pada ka Mjesecu. Padajući, naravno, ponovo dobija na brzini. A upravo ta brzina omogućava Orionu da se u sledećoj fazi putovanja izvuče iz zone gravitacionog privlačenja Mjeseca. Sada se vraća nazad ka Zemlji, opet po inerciji, bez uključivanja motora, samo zahvaljujući djelovanju Zemljine gravitacije.

<!—->

Kao što smo vidjeli, korišćenje Zemljine i Mjesečeve gravitacije u svemiru moguće je bez direktnog kontakta sa fizičkim objektima. Ovo veoma korisno svojstvo postalo je osnova za gravitaciono manevrisanje svemirskog broda Orion. Tokom gravitacionog manevra mijenjaju se dvije komponente – veličina brzine i pravac kretanja. Neprestano korišćenje motora u svemiru nije moguće – nijedna količina goriva ne bi bila dovoljna. A gravitacionim manevrima možemo ne samo ubrzati, već i usporiti svemirski brod. U tome i jeste velika ušteda energije i resursa – korišćenje „besplatne“ kosmičke gravitacije na putanji slobodnog povratka, dakle, bez rada motora.

 Ima li ovakav način leta i svoja ograničenja?

Ima. Kada se leti na ovaj način svemirski brod ne može da Mjesecu priđe previše blizu, pa se ne mogu fotografisati sitni detalji na njegovoj površini. Ali zato putanja slobodnog povratka povećava šanse za bezbjedan povratak ljudi na Zemlju na koju ih, kao što smo vidjeli, vraća sama gravitacija. Da bi se sletjelo na tačno određeno mjesto na Zemlji, potrebna je mala korekcija kursa, ali brod sigurno neće promašiti našu planetu. Drugim riječima, ovo je najbezbjednija putanja od svih mogućih. Zato se u misijama gdje je glavni cilj provjera rada sistema svemirskog broda sa posadom bira upravo ovakva trajektorija.

 Zašto je važno pravilno izvesti izlazak na translunarnu trajektoriju da bi se dospjelo na „put slobodnog povratka“?

Treba znati da iza ovih, na prvi pogled jednostavnih, gravitacionih manevara stoji ogroman trud. Važno je tačno proračunati ne samo trajektoriju leta, količinu goriva potrebnog za lansiranje i korekciju orbite, već se mora tačno znati i kada treba izvršiti lansiranje sa Zemlje (postoje takozvani prozori lansiranja) i kada uključivati motore za korekciju orbite, a zatim sve to precizno sprovesti. Sve treba uzeti u obzir i ne pogriješiti. Ne zaboravite da je riječ o ogromnim kosmičkim rastojanjima, gdje je veoma lako promašiti. Čovječanstvo već ima iskustva sa takvim promašajima.
Ako se orbita pogrešno izračuna, svemirski brod će ili udariti u Mjesec ili će, što je još gore, odletjeti u svemir zauvijek. Potrebno je izuzetno precizno izračunati i izvesti trajektoriju kako bi svemirski brod bio tačno zahvaćen gravitacijom Mjeseca i zatim tom gravitacijom odbačen nazad ka Zemlji odgovarajućom brzinom.
Činjenica da je posadi Oriona to uspjelo predstavlja dobar primjer dostignuća ljudske nauke i tehnike.

 Kada je ovaj metod putovanja prvi put korišćen u istoriji kosmičkih letova?

 Prvi svemirski aparat koji je koristio trajektoriju slobodnog povratka bila je sovjetska misija Luna 3 u oktobru 1959. godine. Ona je iskoristila gravitaciju Mjeseca da se vrati ka Zemlji i radio – vezom prenese fotografije koje je snimila sa suprotne strane Mjeseca.

To je bio prvi međuplanetarni let u istoriji čovječanstva. Tada se još nije umjelo upravljati letom svemirskih aparata. Lansirali su ih otprilike kao što danas kada igramo košarku bacamo loptu u koš. Naciljaš, baciš, a dalje ništa ne zavisi od nas.  Svemirski aparat leti, ali da li će pogoditi cilj? To je bilo nepoznato.

Tako prvi aparat nije pogodio cilj – proletio je pored Mjeseca i nastavio dalje u svemir. A trebalo je da pogodi i udari u Mjesec. On i danas kruži u Sunčevom sistemu po nekoj nepoznatoj orbiti oko Sunca. A pošto je zauvijek ostao u orbiti Sunca, prvi neuspješni, izgubljeni satelit umjesto Luna 1 nazvan je – Prva vještačka planeta „Mečta“.

<!—->

To je bilo prvo i veoma važno dostignuće. Uspjeli smo čak i nešto da izmjerimo prilikom prolaska pored Mjeseca. Na fotografiji se vidi dugačka šipka sa debelim vrhom – to je instrument za mjerenje magnetnog polja. Ispostavilo se da Mjesec nema nikakvo magnetno polje. To je bilo naučno otkriće.

No, Luna 2 je pogodila Mjesec. I to je takođe bilo dostignuće – nisu promašili. Ali tada još nisu umjeli da zakoče. Ipak, ovaj satelit je donio na Mjesec i rasuo oko mjesta svog „slijetanja“ovakve suvenire:

<!—->

A Luna 3 više nije bila „leteća lopta“, već leteći fotoaparat veličine mašine za pranje veša. Njen zadatak je bio da priđe Mjesecu, obiđe ga i fotografiše njegovu udaljenu stranu, onu koju sa Zemlje ne možemo vidjeti. Te fotografije su za savremenog čovjeka lošeg kvaliteta, poslate su sa radio – smetnjama. Ali, bilo je to ogromno dostignuće – prva fotografija suprotne strane Mjeseca snimljena je 7. oktobra 1959.

<!—->

Što je novo, po Vašem mišljenju, donijela misija Artemis II? Počinje li nova etapa kosmičkih putovanja i zašto?

Novina i suština misije Artemis II je u promjeni same logike osvajanja kosmosa: od jednokratnog herojskog iskoraka ka planiranju stvarnog i dugotrajnog prisustva čovjeka u kosmosu. Misije Apolo bile su jasan simbol hladnog rata: očigledan je bio heroizam astronauta, ponekad i neopravdan, uz sve rizike i stvarne opasnosti tokom kosmičkih misija. Artemis II je pokazala da se međuplanetarni letovi mogu pripremati postepeno, pažljivo, uz brigu o bezbjednosti posade. Apolo je otvorio put ka Mjesecu. Artemis pretvara taj put u sistem stalnog prisustva gdje Mjesec više nije kraj nego početak. I upravo u toj promjeni razmjere počinje istinska kosmička epoha XXI vijeka – epoha u kojoj pobjeđuje ne onaj ko snažnije startuje, već onaj čije tehnologije omogućavaju život izvan Zemlje.

Glavno pitanje koje stoji pred misijom Artemis II ima globalni karakter. Da li je čovječanstvo spremno za kolonizaciju Mjeseca? Hoće li brod sa živom posadom na njemu izdržati uslove dubokog kosmosa?

Bilo bi dobro nadati se da je misija Artemis II početak mirne, civilizacijske izgradnje baza na Mjesecu. Artemis II je let u kojem je bila važnija pouzdanost nego rekordi. No, misija nije prošla ni bez rekorda.

<!—->

Rekordi postavljeni tokom misije Artemis II

Što se tiče tehničke strane pitanja, postavljen je novi rekord udaljenosti čovjeka od Zemlje – 406 771 km. Misija Artemis II je letjela oko 6600 km dalje nego Apolo 13.
Dobijene su prve u istoriji opservacije skrivene strane Mjeseca sa male udaljenosti. Astronauti su opisali boju, teksturu i promjene reljefa u detaljima koje roboti ne bilježe uvijek. Ovi podaci će pomoći u planiranju budućih slijetanja.

Svi kritični sistemi Oriona potvrdili su normalan rad sa ljudima na lunarnim udaljenostima: održavanje života, komunikacija, navigacija, termalna kontrola. Ovo je prvi uspješan test na ovom nivou.

Prvi put nakon više decenija posada radi u uslovima gdje komunikacija sa Zemljom prestaje biti trenutna. To mijenja samu prirodu donošenja odluka: astronauti postaju ne operateri koji primaju instrukcije, već autonomni učesnici. U dugim misijama ka Marsu ova kognitivna autonomija biće jednako važna kao i tehnička pouzdanost letjelice.
Trajektorija slobodnog povratka postaje model razmišljanja. Kosmos postaje prostor u kojem svaki potencijalni rizik mora biti unaprijed promišljen, kao i rješenja za njegovo otklanjanje. Za buduća, daleka putovanje važnije je u misiju integrisati sposobnost preživljavanja nego se oslanjati na maksimalnu hrabrost i heroizam. Bolje je napraviti nekoliko malih i pouzdanih koraka nego jedan koji je veliki i opasan.

<!—->

Prikupljeni su i prvi podaci o uticaju dubokog kosmosa na zdravlje čovjeka: radijacija izvan Van Alenovih pojaseva, biomarkeri imuniteta, pokazatelji sna i fizičke aktivnosti u uslovima izolacije. Rezultati su od ključnog značaja za višemjesečne misije.
Uspješno su testirane nove tehnologije – optička laserska komunikacija, CubeSat sateliti, ručno upravljanje i trajektorija slobodnog povratka.

Dobijene su visokokvalitetne fotografije Zemlje, Mjeseca, pojava izlaska i zalaska Zemlje, kao i pomračenja Sunca Mjesecom.

Na kraju, ne treba zaboraviti da je misija Artemis II, uprkos svoj njenoj spektakularnosti, samo priprema za buduće spuštanje na Mjesec. Možda ćemo u budućnosti vidjeti kako se Mjesec iz simboličnog trofeja postepeno pretvara u užurbanu, saobraćajnu petlju u svemiru.