Του Λουκά Μπαφατάκη, Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π.

Όταν μιλάμε για εξερεύνηση του Διαστήματος, συνήθως το μυαλό μας πηγαίνει αμέσως στα άστρα. Στον Άλφα Κενταύρου ή στο κέντρο του Γαλαξία. Σε ταξίδια χιλιάδων ετών φωτός, όπου η φυσική, η τεχνολογία και η φαντασία αρχίζουν να μπλέκονται σε ιδιαίτερο βαθμό. Όμως η πιο ενδιαφέρουσα περίπτωση είναι πιο κοντινή και προς το παρόν πιο δύσκολη: Μιλάμε για την επανδρωμένη εξερεύνηση του ίδιου του Ηλιακού μας Συστήματος, που παραμένει, με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα, επιστημονική φαντασία.

Όχι επειδή δεν μπορούμε να στείλουμε στους κοντινούς μας πλανήτες ρομποτικές αποστολές. Αυτό το έχουμε ήδη κάνει, και μάλιστα με εντυπωσιακή επιτυχία. Αλλά σήμερα το μοντέλο εξερεύνησης του διαστήματος, σε ότι αφορά τις επανδρωμένες αποστολές, βασίζεται σε “αργές ταχύτητες”. Όπου για να πάμε π.χ. στον Άρη, το σχέδιο είναι να κάνουμε σταδιακή συναρμολόγηση ενός μεγάλου διαστημοπλοίου σε γήινη τροχιά, με μεταφορά φορτίων σε φάσεις και μετά να ακολουθήσει πολύμηνο ταξίδι σε χαμηλή ταχύτητα (ή και πολυετές αν θέλουμε να φθάσουμε ακόμη μακρύτερα, π.χ. στον Πλούτωνα). Το πρόβλημα; Αυτό το μοντέλο λειτουργεί εξαιρετικά για ρομποτικές αποστολές, αλλά για ανθρώπους αρχίζει πολύ γρήγορα να συναντά θεμελιώδη όρια.

Πρώτον υπάρχει η βιολογική διάσταση. Ένα ταξίδι προς τον Άρη διάρκειας 6–9 μηνών εκθέτει το πλήρωμα σε μικροβαρύτητα και κοσμική ακτινοβολία για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Αυτό μεταφράζεται σε απώλεια οστικής μάζας, μυϊκή ατροφία, αυξημένο κίνδυνο καρκίνου και γενικότερα σημαντική υποβάθμιση της φυσικής κατάστασης. Όσο αυξάνεται η διάρκεια, τα προβλήματα αυτά δεν αυξάνονται γραμμικά, αλλά συσσωρεύονται.

Δεύτερον, η εκθετική αύξηση πολυπλοκότητας. Ένα ταξίδι ημερών απαιτεί διαχειρίσιμα αποθέματα εφοδίων και σχετικά απλά συστήματα υποστήριξης ζωής. Ένα ταξίδι μηνών ή ετών απαιτεί κλειστά οικοσυστήματα, πλήρη ανακύκλωση, πολύ υψηλό πλεονασμό και ικανότητα επιδιόρθωσης κάθε πιθανής βλάβης χωρίς εξωτερική βοήθεια. Το σύστημα δεν γίνεται απλώς μεγαλύτερο. Γίνεται ποιοτικά διαφορετικό.

Τρίτον, η αξιοπιστία. Όσο μεγαλώνει ο χρόνος αποστολής, αυξάνεται δραματικά η πιθανότητα αστοχίας. Σε αποστολές πολλών μηνών ή ετών, ακόμη και μικρές βλάβες μπορούν να γίνουν καταστροφικές αν δεν υπάρχει δυνατότητα άμεσης επιστροφής ή υποστήριξης.

Τέταρτον, η ενεργειακή και επιχειρησιακή απόδοση. Η μεταφορά μεγάλων μαζών σε πολλαπλά στάδια, με επαναλαμβανόμενες εκτοξεύσεις και συναρμολόγηση σε τροχιά, είναι τεχνικά εφικτή αλλά εξαιρετικά πολύπλοκη και δαπανηρή. Το “αργό” δεν είναι απαραίτητα πιο εύκολο. Συχνά είναι απλώς διαφορετικά δύσκολο.

Συνεπώς, πρέπει να στραφούμε σε επιδίωξη υψηλών επιταχύνσεων για τα ανθρώπινα διαστημικά ταξίδια. Και αυτό δεν προκύπτει από την ανάγκη εντυπωσιασμού, αλλά από την προσπάθεια να μεταφερθεί η εξερεύνηση από το επίπεδο της πολυετούς επιβίωσης στο επίπεδο ενός διαχειρίσιμου ταξιδιού ανθρώπινης κλίμακας. Με άλλα λόγια, το “γρήγορα” δεν είναι απλώς πιο άνετο. Είναι αυτό που, σε πολλές περιπτώσεις, κάνει την επανδρωμένη εξερεύνηση πρακτικά εφικτή.

Ας κάνουμε λοιπόν ένα νοητικό πείραμα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα διαστημόπλοιο ικανό να επιταχύνει συνεχώς με 1g, δηλαδή με επιτάχυνση ίση με αυτή που νιώθουμε στην επιφάνεια της Γης. Για το πλήρωμα, αυτό θα ήταν σχεδόν ιδανικό. Το διαστημόπλοιο θα είχε τεχνητή βαρύτητα χωρίς περιστρεφόμενους δακτυλίους, χωρίς τεράστιες φυγόκεντρες κατασκευές και χωρίς τα σοβαρά προβλήματα μακροχρόνιας παραμονής σε μικροβαρύτητα.

Το σενάριο είναι απλό: επιτάχυνση με 1g μέχρι το μισό της διαδρομής και μετά αντιστροφή, ώστε το διαστημόπλοιο να επιβραδύνει με 1g, μέχρι να φτάσει στον προορισμό του με μηδενική σχετική ταχύτητα.

Με τέτοιο σενάριο επιτάχυνσης-επιβράδυνσης, η Σελήνη θα ήταν περίπου τρεισήμισι ώρες μακριά. Ο Άρης, ανάλογα με τη σχετική θέση του ως προς τη Γη, θα ήταν περίπου 2 έως 5 ημέρες μακριά. Ο Δίας περίπου 6 ημέρες. Ο Κρόνος περίπου 8 ημέρες. Ο Ποσειδώνας περίπου 15 με 16 ημέρες. Ακόμη και η ηλιόπαυση, η εξωτερική περιοχή όπου ο ηλιακός άνεμος παύει να κυριαρχεί έναντι του μεσοαστρικού μέσου, θα ήταν περίπου ένας μήνας μακριά.

Αυτό από μόνο του δείχνει πόσο παραπλανητική είναι η καθημερινή μας αίσθηση για το Διάστημα. Οι αποστάσεις είναι τεράστιες, αλλά δεν είναι αυτές που από μόνες τους καθιστούν την ανθρώπινη εξερεύνηση σχεδόν αδύνατη. Το βαθύτερο πρόβλημα είναι ότι δεν μπορούμε να επιταχύνουμε συνεχώς με 1g. Και δεν είμαστε καν κοντά.

Πόσο βαρύ θα έπρεπε να είναι ένα τέτοιο διαστημόπλοιο;

Σε μια πρώτη, υπεραπλουστευμένη προσέγγιση, μπορεί κάποιος να υποθέσει ένα διαστημόπλοιο 100 τόνων. Όμως αυτό είναι μάλλον πολύ αισιόδοξο νούμερο για πλήρες επανδρωμένο σκάφος 4 αστροναυτών με σοβαρές απαιτήσεις ασφαλείας.

Για σύγκριση, το Orion της NASA έχει σχεδιαστεί για πλήρωμα 4 ατόμων και αποστολές έως 21 ημέρες, με συνολική μάζα εκτόξευσης περίπου 78.000 λίβρες, δηλαδή περίπου 35 τόνους. Δεν είναι όμως διαστημόπλοιο συνεχούς πρόωσης 1g. Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός έχει μάζα περίπου 420 τόνους και κατοικήσιμο όγκο 388 m³, αλλά δεν διαθέτει σύστημα μεγάλης πρόωσης για διαπλανητικά ταξίδια.

Άρα, για ένα πραγματικό διαστημόπλοιο 1g, η μάζα δεν μπορεί να υπολογιστεί σαν να μιλάμε απλώς για “κάψουλα με τέσσερις ανθρώπους”. Πρέπει να περιλαμβάνει κατοικήσιμο χώρο, υποστήριξη ζωής, θωράκιση, θερμική διαχείριση, πρόωση, ισχύ, εφεδρείες και πιθανώς υποσκάφη ή συστήματα προσέγγισης.

Ένας ενδεικτικός πίνακας προσδιορισμού μάζας θα μπορούσε να είναι ο εξής:

Άρα οι 100 τόνοι είναι χρήσιμοι μόνο ως ακραία αισιόδοξο παράδειγμα. Ένα πιο σοβαρό νοητικό πείραμα θα πρέπει να χρησιμοποιεί τουλάχιστον 500 έως 1.000 τόνους, ενώ ένα πραγματικά επιχειρησιακό σκάφος θα μπορούσε εύκολα να βρίσκεται στην περιοχή των αρκετών χιλιάδων τόνων, ειδικά αν συμπεριληφθούν προωθητικό μέσο, υποσκάφη, εφεδρείες και πλήρης επιχειρησιακή ασφάλεια.

Ας πάρουμε ως αναφορά ένα ταξίδι διάρκειας ενός μήνα: 15 ημέρες επιτάχυνση με 1g και 15 ημέρες επιβράδυνση με 1g. Μετά τις πρώτες 15 ημέρες, το διαστημόπλοιο θα έχει φτάσει περίπου στα 12.700 km/s, δηλαδή περίπου στο 4,2% της ταχύτητας του φωτός. Αυτό ακούγεται μικρό σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός, αλλά για την ανθρώπινη τεχνολογία είναι ακραίο.

Η ιδανική ενέργεια που απαιτείται για πλήρη κύκλο επιτάχυνσης και επιβράδυνσης είναι περίπου 1,62 × 10¹⁴ joule ανά κιλό διαστημοπλοίου ή περίπου 45 εκατομμύρια kWh ανά κιλό. Αν εφαρμόσουμε αυτόν τον αριθμό σε διάφορες πιθανές μάζες σκάφους, παίρνουμε:

Για μέτρο σύγκρισης, η παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται στην περιοχή των δεκάδων χιλιάδων TWh ετησίως. Σύμφωνα με την Ember, οι ανανεώσιμες πηγές παρήγαγαν 10.730 TWh το 2025 και αντιστοιχούσαν στο 33,8% της παγκόσμιας ηλεκτροπαραγωγής. Αυτό αντιστοιχεί σε συνολική παγκόσμια παραγωγή περίπου 31.700 TWh.

Δηλαδή ένα σκάφος 100 τόνων, ακόμη και στην ιδανική περίπτωση, θα απαιτούσε ενέργεια περίπου ίση με το 14% της ετήσιας παγκόσμιας ηλεκτροπαραγωγής. Ένα σκάφος 1.000 τόνων θα απαιτούσε περίπου 45.000 TWh, δηλαδή περισσότερο από τη σημερινή ετήσια παγκόσμια ηλεκτροπαραγωγή.

Και όλα αυτά πριν υπολογίσουμε τις πραγματικές απώλειες, την απόδοση του κινητήρα, τη μάζα του προωθητικού μέσου, τη θερμότητα, την ανάγκη ψύξης, τη θωράκιση και τις εφεδρείες. Αυτό είναι το σημείο όπου το πρόβλημα παύει να είναι απλώς δύσκολο και γίνεται σχεδόν κολοσσιαίας κλίμακας.

Γιατί οι σημερινές τεχνολογίες δεν επαρκούν

Οι χημικοί πύραυλοι είναι εντυπωσιακά επιτεύγματα μηχανικής. Όμως έχουν θεμελιώδη περιορισμό: χαμηλή ειδική ώση. Μπορούν να προσφέρουν τεράστια ώση για μικρό χρονικό διάστημα, αλλά όχι συνεχή επιτάχυνση 1g για ημέρες ή εβδομάδες.

Η ηλεκτρική πρόωση, όπως οι ιοντικοί κινητήρες, έχει πολύ καλύτερη απόδοση ως προς τη χρήση προωθητικού μέσου. Όμως έχει εξαιρετικά μικρή ώση. Είναι ιδανική για ρομποτικές αποστολές μεγάλης διάρκειας. Δεν είναι κατάλληλη για να επιταχύνει ένα επανδρωμένο σκάφος εκατοντάδων ή χιλιάδων τόνων με 1g. Για να επιταχύνει ένα σκάφος 1.000 τόνων με 1g, απαιτείται δύναμη F = m · a. Δηλαδή 1.000.000 kg × 9,81 m/s² = περίπου 9,81 MN. Όχι για λεπτά. Για ημέρες. Και μετά ξανά το ίδιο, για την επιβράδυνση.

Η πυρηνική θερμική πρόωση θα μπορούσε να είναι καλύτερη από τη χημική. Η πυρηνική ηλεκτρική πρόωση θα μπορούσε να βοηθήσει σε αποστολές μεγάλης διάρκειας. Όμως καμία από αυτές τις τεχνολογίες, όπως τις διαθέτουμε ή τις σχεδιάζουμε σήμερα, δεν πλησιάζει το σενάριο συνεχούς 1g για μεγάλο επανδρωμένο σκάφος.

Η σύντηξη είναι ίσως η πρώτη τεχνολογική ιδέα που αρχίζει να φαίνεται ρεαλιστική. Όμως δεν έχουμε ακόμη λειτουργικό, καθαρά θετικό ενεργειακά, αντιδραστήρα σύντηξης στη Γη. Πόσο μάλλον συμπαγές, ελαφρύ και αξιόπιστο σύστημα σύντηξης για διαστημική πρόωση, με υψηλό λόγο ισχύος προς μάζα, θερμική διαχείριση, θωράκιση και δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας.

Υπάρχουν και πιο εξωτικές ιδέες, όπως η πρόωση με εξωτερική παροχή ενέργειας μέσω λέιζερ ή μικροκυμάτων. Αυτό θα απέφευγε εν μέρει την ανάγκη να μεταφέρει το σκάφος όλη την ενέργεια πάνω του. Δημιουργεί όμως άλλα τεράστια προβλήματα: Απαιτούμενη ισχύς πολλών TW, γιγαντιαίες εγκαταστάσεις εκπομπής, ακραία ακρίβεια στόχευσης, θερμική αντοχή του σκάφους και κυρίως το ζήτημα της επιβράδυνσης στον προορισμό.

Το Διάστημα δεν είναι κενό

Υπάρχει επίσης το ζήτημα της θωράκισης. Σε ταχύτητες χιλιάδων km/s, ακόμη και μικροσκοπικά σωματίδια σκόνης γίνονται επικίνδυνα. Δεν χρειάζεται να συγκρουστείς με κάτι μεγάλο. Σε τέτοιες ταχύτητες, η κινητική ενέργεια ακόμη και πολύ μικρής μάζας είναι τεράστια. Το Διάστημα είναι πολύ αραιό, αλλά δεν είναι απόλυτο κενό. Για αργές ή μέτριες αποστολές, αυτό είναι διαχειρίσιμο. Για διαστημόπλοια που κινούνται με χιλιάδες km/s, γίνεται σχεδιαστικός εφιάλτης.

Και μετά υπάρχει η θερμότητα. Κάθε πραγματικό σύστημα πρόωσης έχει απώλειες. Κάθε απώλεια γίνεται θερμότητα. Στο Διάστημα δεν υπάρχει αέρας για να απομακρύνει θερμότητα με συναγωγή. Η απόρριψη θερμότητας γίνεται κυρίως με ακτινοβολία, δηλαδή με μεγάλες επιφάνειες και αυστηρούς θερμικούς περιορισμούς. Οπότε όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του σκάφους, τόσο μεγαλύτερο γίνεται και το πρόβλημα της ψύξης.

Συμπέρασμα

Θεωρητικά αν μπορούσαμε να επιταχύνουμε συνεχώς με 1g και να επιβραδύνουμε αντίστοιχα, το Ηλιακό Σύστημα θα γινόταν ανθρώπινα προσβάσιμο και με δυνατότητα επανάληψης και συνεχών ταξιδιών (και όχι με ένα μόνο, για λόγους ιστορικούς). Με τέτοια προοπτική ο Άρης δεν θα ήταν ταξίδι μηνών αλλά λίγων ημερών. Ο Δίας και ο Κρόνος θα ήταν προορισμοί εβδομάδας. Ο Ποσειδώνας θα ήταν πιο κοντά χρονικά από όσο είναι σήμερα μια θαλάσσια κρουαζιέρα. Όμως η τεχνική δυσκολία μάς επαναφέρει απότομα στην πραγματικότητα.

Δεν διαθέτουμε σύστημα πρόωσης που να μπορεί να προσφέρει συνεχές 1g σε μεγάλο επανδρωμένο διαστημόπλοιο. Δεν διαθέτουμε την απαιτούμενη ισχύ σε κατάλληλη διαστημική μορφή. Δεν διαθέτουμε πρακτική θερμική διαχείριση για τέτοια επίπεδα ισχύος. Δεν διαθέτουμε επαρκή θωράκιση για τέτοιες ταχύτητες. Και δεν διαθέτουμε ακόμη τη βιομηχανική υποδομή για να κατασκευάσουμε, να συναρμολογήσουμε, να τροφοδοτήσουμε και να υποστηρίξουμε τέτοια οχήματα στο Διάστημα.

Σήμερα μπορούμε να εξερευνήσουμε το Ηλιακό Σύστημα κυρίως με ρομποτικές αποστολές. Και αυτό είναι ήδη τεράστιο επίτευγμα. Τα Voyager, τα Mars rovers, το Cassini, το New Horizons και τόσες άλλες αποστολές είναι κορυφαία παραδείγματα ανθρώπινης δημιουργικότητας.

Αλλά άλλο πράγμα είναι να στείλεις ένα ρομποτικό σκάφος σε πολυετή ή πολυδεκαετή τροχιά. Και άλλο να στείλεις ανθρώπους γρήγορα, με ασφάλεια, με δυνατότητα επιβίωσης, με θωράκιση, με υποστήριξη ζωής, με δυνατότητα επιβράδυνσης και, ιδανικά, με δυνατότητα επιστροφής. Εκεί βρισκόμαστε ακόμη πολύ μακριά.

Γι’ αυτό η εξερεύνηση του Ηλιακού μας Συστήματος είναι μια παράξενη περίπτωση. Είναι κοντινή σε αστρονομική κλίμακα, αλλά μακρινή σε τεχνολογική. Είναι στη γειτονιά μας, αλλά όχι ακόμη μέσα στις πραγματικές δυνατότητές μας. Είναι επιστημονικά κατανοητή, αλλά μηχανικά απρόσιτη σε ανθρώπινη κλίμακα.

Το Ηλιακό Σύστημα δεν είναι απαγορευμένο από τους νόμους της φυσικής. Είναι απαγορευμένο από το σημερινό ενεργειακό και τεχνολογικό επίπεδο του πολιτισμού μας. Και αυτό ίσως είναι το πιο ενδιαφέρον συμπέρασμα.

Bonus track: Αν θέλαμε να πάμε στον Άλφα Κενταύρου;

Αν εφαρμόσουμε το ίδιο υποθετικό προφίλ πτήσης, δηλαδή 1g επιτάχυνση μέχρι το μέσο της διαδρομής και 1g επιβράδυνση μέχρι την άφιξη, τότε το κοντινότερο αστρικό σύστημα, ο Άλφα Κενταύρου, σε απόσταση περίπου 4,37 ετών φωτός, αρχίζει να φαίνεται σχεδόν “προσβάσιμο” από την πλευρά του πληρώματος.

Το πλήρωμα θα χρειαζόταν περίπου 3,6 χρόνια δικού του χρόνου, ενώ στη Γη θα περνούσαν περίπου 6 χρόνια. Στο μέσο της διαδρομής, το διαστημόπλοιο θα είχε φτάσει περίπου στο 95% της ταχύτητας του φωτός! Και εδώ η εικόνα γίνεται ακραία: η απαιτούμενη ιδανική ενέργεια για πλήρη κύκλο επιτάχυνσης και επιβράδυνσης θα ήταν περίπου 4,05 × 10¹⁷ joule ανά κιλό διαστημοπλοίου, δηλαδή περίπου 112 δισεκατομμύρια kWh ανά κιλό.

Για ένα σκάφος 1.000 τόνων, αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 112 εκατομμύρια TWh, δηλαδή χιλιάδες φορές την ετήσια παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Και αυτό παραμένει απλώς η ιδανική κινητική ενεργειακή λογιστική, χωρίς απώλειες, χωρίς προωθητικό μέσο, χωρίς θερμική διαχείριση, χωρίς θωράκιση και χωρίς πραγματικό σύστημα πρόωσης.

Bonus track 2: Μόνο με AGI ή ASI…

Ίσως λοιπόν το πραγματικό ερώτημα δεν είναι πότε θα φτιάξουμε έναν καλύτερο πύραυλο. Είναι πότε θα αποκτήσουμε έναν πολιτισμό ικανό να σχεδιάζει, να κατασκευάζει και να συντηρεί τεχνολογίες πέρα από τη σημερινή ανθρώπινη κλίμακα. Σε αυτό το σημείο, η τεχνητή νοημοσύνη γενικού σκοπού (Artificial General Intelligence – AGI) και ακόμη περισσότερο η τεχνητή υπερνοημοσύνη (Artificial SuperIntelligence – ASI) μπαίνουν αναπόφευκτα στη συζήτηση.

Όχι ως μαγικό ραβδί, αλλά ως πιθανός καταλύτης για την επιτάχυνση της φυσικής, της μηχανικής και της βιομηχανίας σε επίπεδα που σήμερα δεν μπορούμε να πετύχουμε. Αν κάποτε ταξιδέψουμε στον Άλφα Κενταύρου με χρόνους ανθρώπινης ζωής, είναι πολύ πιθανό ότι το διαστημόπλοιο δεν θα είναι απλώς προϊόν καλύτερης αεροδιαστημικής. Θα είναι προϊόν ενός πολιτισμού που θα έχει ενισχυθεί από νοημοσύνη πολύ πέρα από τη δική μας.