Štarty kozmických rakiet sú veľkolepé udalosti. Týždne príprav, obrovské zariadenia a po zapnutí motorov veľa ohňa a dymu. To všetko preto, aby sme do vesmíru dostali družice, ktoré sú iba o niečo ťažšie ako väčšie auto. Prečo je to taký problém?
Na ilustráciu, známa raketa Falcon Heavy spoločnosti SpaceX, ktorá je momentálne najväčšou funkčnou vesmírnou raketou, má celkovú vzletovú hmotnosť okolo 1 500 ton. Z toho tvorí užitočný náklad iba malý zlomok, podľa výšky orbity najviac niekoľko desiatok ton. Odpoveďou na otázku v úvode článku nie je to, že družica je ťažká a na jej dvíhanie treba veľký motor. Obyčajný žeriav dokáže takýto náklad zdvihnúť a motory najrýchlejších raketových áut vyvinú ťah, ktorý by spomínanú družicu zodvihol. Prečo teda na cestu do vesmíru potrebujeme namiesto pretekárskeho auta niekoľko tisíctonovú opachu?
(S)potreba paliva
Odpoveď na túto otázku má dve dôležité časti. Prvá časť problému sa ani tak netýka toho, ako družicu do vesmíru dostať, ale ako ju tam udržať. Druhá časť je, že musíme do vesmíru niesť aj palivo, ktoré neskôr budeme potrebovať. A na to minieme veľa paliva. Ale pekne poporiadku. Na orbitu, povedzme do výšky 2 000 kilometrov nad Zemou, chceme dostať družicu. Postavíme raketu, dáme do nej palivo a raketa s družicou sa zdvihnú zo Zeme a letia k oblohe. Ako raketa stúpa, spaľuje ďalšie a ďalšie palivo. Každý liter paliva si však musela raketa sama vyniesť, a to určite nebolo zadarmo. Časť paliva, ktoré sa od štartu spotrebovalo, sa použila na vynesenie paliva, ktoré horí teraz. A aj palivo, ktoré teraz horí, nesie z veľkej časti palivo, ktoré bude horieť neskôr. O čo jednoduchšie by to bolo, keby boli po ceste čerpacie stanice. Raketa však nakoniec vynesie družicu do požadovanej výšky nad zemský povrch a… čo teraz? Keby družica len tak stála, začala by padať naspäť na Zem a naša snaha by bola márna. Družicu musíme dostať do požadovanej výšky a s takou rýchlosťou, aby okolo Zeme obiehala. Táto rýchlosť je veľmi výrazná. V spomínanej výške je to viac ako 25-tisíc kilometrov za hodinu. Na dosiahnutie tejto rýchlosti treba dokonca o polovicu viac energie, ako na dosiahnutie výšky 2 000 kilometrov.
Prvá kozmická rýchlosť
A tu sa problémy na seba začínajú nabaľovať. Do výšky 2 000 kilometrov musíme vyniesť dostatok paliva, aby sme družicu urýchlili na prvú kozmickú rýchlosť (tak sa hovorí rýchlosti, pri ktorej teleso okolo Zeme obieha v konštantnej výške). To palivo sme však museli vyniesť spolu s družicou, na čo sme potrebovali ďalšie palivo. To sa rovnako nezdvihne zo Zeme samo, potrebujeme na to spáliť viac paliva. A tak ďalej a tak ďalej. V skutočnosti sa družice nevynášajú tak, že by šli najskôr rovno nahor a potom sa urýchľovali vo finálnej výške. Presná dráha rakety a spôsob, ako sa palivo spotrebúva, sú optimalizované tak, aby bol celý proces čo najefektívnejší. Ale problémy, ktoré sme opísali, zostávajú. Odpoveď na našu otázku je teda: pretože veci nestačí iba do vesmíru dostať, treba, aby dosiahli prvú kozmickú rýchlosť, keď sa tam majú udržať – a niesť so sebou palivo, ktoré sa na to minie, stojí veľké množstvo ďalšieho paliva.
Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
