Znasz to z filmów hollywoodzkich: statek kosmiczny pędzi przez próżnię, nagle na widok wroga wykonuje gwałtowny zwrot a kapitan nawet nie rozlewa kawy. Albo – bohater zostaje wyrzucony w próżnię i natychmiast zamienia się w lodowy posąg. Dalej – podczas heroicznej ucieczki przed kosmicznym syndykatem pilot przedziera się przez pas asteroid, wykonując slalom pomiędzy skałami, gubiąc pościg w gąszczu kamiennych odłamków. Z dział statków strzelają kolorowe lasery, które doskonale widzimy z boku jako długie, świetliste kreski lecące do celu. A gdzieś między tym wszystkim lata kosmiczna ciężarówka z dwudziestoma milionami ton rudy.
Kino science fiction nauczyło nas patrzeć na kosmos z podziwem. Problem w tym, że często podziwiamy wielki, lśniący, efektowny stek bzdur. Jeśli chodzi ci tylko o zabawę – wiele można wybaczyć. Ale jeśli choć trochę obchodzi cię fizyka, ekonomia czy nawet socjologia – niektóre rzeczy po prostu ciężko przeżuć.
Niektóre wynikają z potrzeb kina. Prawdziwa bitwa kosmiczna byłaby dla widza miejscami zwyczajnie mało atrakcyjna (świetnie przedstawiła to seria książek Zaginiona Flota Jacka Campbella). Inne są pozostałością po czasach, kiedy o lotach kosmicznych wiedzieliśmy znacznie mniej. Są też takie sytuacje, w których Hollywood okazuje się mieć… więcej racji, niż mogłoby się wydawać.
Zobaczmy więc, co naprawdę stałoby się, gdybyśmy spróbowali wyciąć w kosmosie któryś z kaskaderskich numerów doliny snów.
Proszę zapiąć pasy, przed nami turbulencje.
Może nie jest to oczywiste gdy patrzymy na awionetkę i rakietę kosmiczną (ps, to był sarkazm) ale statek ≠ samolot!
Scena: myśliwiec pędzi przez przestrzeń. Pilot gwałtownie ciągnie drążek. Statek skręca o dziewięćdziesiąt stopni, kamera lekko się przechyla, załoga robi dramatyczną minę i lot trwa dalej jakby nigdy nic. Problem w tym, że człowieka nie interesuje specjalnie, jak szybko leci, tylko jak szybko zmienia swoją prędkość.
Możemy poruszać się z prędkością 30 kilometrów na sekundę i nie odczuwać absolutnie niczego. I tak to mniej więcej wygląda na orbicie: astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej pędzą wokół Ziemi z prędkością około 7,7 km/s i nie są cały czas wciskani wciśnięci w fotele.
Ale jeśli statek zmieniłby swoją prędkość o 10 km/s w ciągu jednej sekundy, jego załoga zostałaby poddana przeciążeniu przekraczającemu 1000 g. I nie byłaby to scena w której kapitanowi wypada z rąk kubek – a raczej taka, gdzie zostaje wprasowany w ścianę tak mocno, że zamiast wydrapać z niej wnętrzności, łatwiej ją po prostu przemalować.
NASA traktuje przeciążenia liniowe i obrotowe bardzo poważnie – istnieją konkretne limity zależne od wielkości, czasu trwania i kierunku działania przyspieszenia względem ciała astronauty. Nawet stosunkowo krótkie przeciążenia mogą ograniczać zdolność człowieka do działania, oddychania albo prowadzić do trwałych urazów.
Co ważne, dotyczy to również skręcania. Nawet jeśli prędkość statku się nie zmienia, ale zmienia się jej kierunek, nadal mamy do czynienia z przyspieszeniem.
Dlatego efektowne bitwy kosmiczne ze Star Wars, Star Treka czy dziesiątek innych produkcji wymagają w praktyce jeszcze jednej, bardzo ważnej technologii, której zwykle nie widzimy – urządzenia, które w jakiś sposób kasuje bezwładność.
Star Trek nawet otwarcie nazywa je inertial dampers. I słusznie, bo bez nich największym zagrożeniem dla załogi Enterprise’a nie byłyby fotonowe torpedy Klingonów, tylko własny, lekko nieostrożny sternik.
Silnik można już wyłączyć
Z tego samego powodu filmy często dziwnie pokazują napęd statków kosmicznych.
Samochód po zdjęciu nogi z gazu zwalnia (i nie mowa tu o hamowaniu na silniku). Samolot potrzebuje ciągu, aby pokonać opór powietrza. Nic więc dziwnego, że intuicyjnie oczekujemy tego samego od statku kosmicznego.
Tylko że w próżni w zasadzie nie ma żadnego oporu. Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi w uproszczeniu: jeśli nic na ciało nie działa, będzie ono poruszało się dalej ze stałą prędkością po linii prostej.
Wyłączenie silnika nie jest więc kosmicznym odpowiednikiem zdjęcia nogi z gazu. To raczej zdjęcie nogi z gazu na idealnie pozbawionej tarcia drodze, która ciągnie się bez końca.
Prawdziwe misje międzyplanetarne wykorzystują to cały czas. Sonda może wykonać manewr silnikami, wejść na odpowiednią trajektorię, a następnie przez miesiące po prostu po niej lecieć. NASA opisując klasyczny transfer Hohmanna z Ziemi na Marsa pisze wprost: po krótkim przyspieszeniu statek osiąga odpowiednią orbitę i resztę drogi pokonuje lotem swobodnym.
Oczywiście istnieją także napędy o małym ciągu, które mogą pracować przez bardzo długi czas. Ale nie ma fundamentalnej potrzeby, aby rakietowy silnik statku płonął przez całe pół roku lotu na Marsa. Co zresztą bardzo ułatwia problem olbrzymiej ilości paliwa, które przecież musiałoby się gdzieś podziewać…
Ekonomia, głupcze!
Obcy – ósmy pasażer Nostromo rozpoczyna się od kilku krótkich informacji.
- Nostromo jest komercyjnym holownikiem.
- Załoga: siedem osób.
- Ładunek: rafineria przetwarzająca 20 milionów ton rudy.
- Kurs: Ziemia.
Jednym słowem – ekipa to górnicy wysłani do baaaaaaaaardzo odległej dziury.
Z punktu widzenia współczesnej technologii pomysł transportowania milionów ton zwykłego surowca pomiędzy odległymi układami gwiezdnymi wydaje się kompletnie absurdalny. W kosmosie, nawet w naszej najbliższej okolicy, nie brakuje przecież surowców.
Już sam Układ Słoneczny zawiera niewyobrażalne ilości żelaza, niklu, krzemianów, wody i innych materiałów w asteroidach, księżycach oraz planetach. Jeśli kiedyś będziemy eksploatować zasoby kosmiczne na taką skalę, znacznie rozsądniej byłoby szukać ich jak najbliżej miejsca, w którym są potrzebne, niż wozić skałę przez dziesiątki lat świetlnych.
Ale Obcy ma dla nas pewną pułapkę.
Nostromo nie podlega naszej ekonomii, bo świat filmu dysponuje technologią pozwalającą pokonywać odległości międzygwiezdne szybciej od światła. Po wydarzeniach na LV-426 Lambert mówi, że do Ziemi pozostało około dziesięciu miesięcy. Jeżeli więc Weyland-Yutani potrafi przesuwać miliony ton materii pomiędzy gwiazdami z prędkościami niedostępnymi dla znanej fizyki, nie możemy już uczciwie policzyć kosztu takiej operacji przy pomocy współczesnej rakiety i rachunku za energię elektryczną.
Jedna fikcyjna technologia zmienia cały rachunek ekonomiczny. Możliwe, że energia jest w świecie Obcego absurdalnie tania. Możliwe, że przewożony materiał jest niezwykle cenny. Możliwe, że automatyczna rafineria przetwarza go podczas lotu, a siedmioosobowa załoga stanowi jedynie tani nadzór nad wartym fortunę ładunkiem.
Nostromo pokazuje świat, w którym podróże międzygwiezdne stały się już transportem morskim.
A po co w ogóle wysyłać człowieka?
Tutaj jednak rzeczywistość mocno rozmija się z większością science fiction. Wysłanie robota w odległe miejsce jest trudne. Wysłanie człowieka oznacza, że razem z nim musimy wysłać również miniaturowy fragment Ziemi.
Potrzebujemy tlenu. Wody. Jedzenia. Usuwania dwutlenku węgla. Kontroli temperatury. Ochrony przed promieniowaniem. Miejsca do spania. Toalety. Systemów medycznych. Zapasów części. A często również paliwa i infrastruktury potrzebnej do powrotu.
NASA zwraca uwagę, że właśnie codzienne biologiczne potrzeby astronautów są jednym z głównych czynników zwiększających masę logistyczną długich misji. Obecne systemy podtrzymywania życia na ISS nie są nawet całkowicie zamknięte i nadal wymagają dostaw z Ziemi.
Robotowi można wyłączyć ogrzewanie – człowiekowi trochę trudniej. Dlatego im dalej chcemy polecieć, tym silniejszy staje się argument za automatami.
Człowiek ma jednak jedną gigantyczną zaletę: jest niewiarygodnie wszechstronną maszyną do rozwiązywania problemów. Marsjański łazik może badać skałę miesiącami. Geolog może podejść, odwrócić ją nogą i w kilka sekund zauważyć coś, czego konstruktorzy robota nawet nie przewidzieli.
Pytanie o ekonomiczny sens lotów załogowych nie ma więc prostej odpowiedzi. Nie brzmi ono: „czy robot jest tańszy? (bo prawie zawsze jest). Powinniśmy raczej zapytać, ile jesteśmy gotowi zapłacić za obecność człowieka? Albo – ile jest dla nas warte życie człowieka.
Tour de Saturn
Han Solo wprowadza Sokoła Millennium w pole asteroid. Kamienie są wszędzie. Galimatias odłamków skalnych jest nie do pokonania… oczywiście oprócz doświadczonego kapitana statku przemytniczego (ludzie rules). Sokół przeciska się przez niewielką szczelinę, przykleja do skały (czasem nawet wlatując w trzewia kosmicznego czerwia) i gubi pościg w gąszczu kamieni, których nie przebije nawet ultranowoczesny radar.
Tak właśnie wygląda pas asteroid – pod warunkiem, że oglądamy hollywoodzki film. Prawdziwy główny pas planetoid (na przykład ten pomiędzy Marsem a Jowiszem) jest przede wszystkim… pusty.
NASA szacuje, że gdyby równomiernie rozmieścić obiekty głównego pasa o średnicy około mili lub większe, średnia odległość pomiędzy nimi wynosiłaby ponad 3 miliony kilometrów, czyli prawie prawie osiem razy więcej niż odległość Ziemi od Księżyca.
Gdyby więc Han Solo trafił do naszego pasa asteroid, największym problemem prawdopodobnie nie byłoby omijanie skał, tylko znalezienie choć jednej.
Dlatego sondy kosmiczne regularnie przelatują przez główny pas planetoid bez konieczności wykonywania jakiegokolwiek międzyplanetarnego slalomu.
Nie znaczy to oczywiście, że gęste pola odłamków nie mogą istnieć. Po świeżym zderzeniu dwóch dużych ciał lokalnie mogłoby znaleźć się mnóstwo materiału. Znacznie bardziej zatłoczone są też pierścienie planetarne. Film może również po prostu wymyślić układ zupełnie inny od naszego pasa asteroid.
No i kamienny labirynt ma jeden fizyczny problem – jeżeli skały naprawdę znajdowałyby się tak blisko siebie i nieustannie się zderzały, przez miliony lat nie pozostałyby eleganckim polem przeszkód. Zderzałyby się, kruszyły, zmieniały orbity i stopniowo zmieniały cały układ.
Kosmos jest wielki a Hollywood konsekwentnie próbuje temu zaprzeczyć.
Mamo, Wyrzucili mnie w próżnię. Czy zaraz eksploduję?
Na pewno znasz też filmową perełkę – oddziaływanie próżni na ciało pozbawione skafandra.
Zazwyczaj jest tak: właz się otwiera. Człowiek wypada w przestrzeń. Jego oczy wychodzą z orbit, ciało puchnie, po sekundzie zamarza na kość albo efektownie eksploduje.
Tymczasem NASA odpowiada na pytanie o krótkotrwałą ekspozycję człowieka na próżnię niezwykle konkretnie:
nie eksplodujesz. Krew nie zacznie natychmiast wrzeć. Nie zamarzniesz. Nie stracisz też przytomności natychmiast.
To oczywiście nie oznacza, że próżnia (bez zabezpieczenia) jest bezpieczna, ale problemy są zgoła inne. Najważniejszym problemem jest brak tlenu – po kilkunastu sekundach mózg zaczyna przegrywać walkę z niedotlenieniem i człowiek traci przytomność.
Gazy znajdujące się w organizmie rozszerzają się. Tkanki mogą spuchnąć. Woda znajdująca się na powierzchni języka, oczu czy dróg oddechowych może zacząć parować w niskim ciśnieniu.
Bardzo złą rzeczą byłoby również wstrzymywanie oddechu. Rozszerzające się w płucach powietrze mogłoby je uszkodzić. Jeśli kiedykolwiek mielibyśmy zostać niespodziewanie wystawieni na próżnię, jednym z najważniejszych odruchów byłoby więc właśnie wypuszczenie powietrza.
Tak już ewolucja wymyśliła, że skóra jest zaskakująco dobrym opakowaniem…
Z drugiej strony – nie zamienisz się natychmiast w kostkę lodu
Tutaj zawodzi nas codzienne rozumienie temperatury. Na Ziemi, kiedy wchodzimy do bardzo zimnego pomieszczenia, otaczające nas powietrze odbiera ciepło z naszego ciała. W kosmosie się tak nie dzieje z prostej przyczyny – w kosmosie powietrza nie ma. Nie ma więc praktycznie konwekcji.
Ciepło musimy stracić głównie w postaci promieniowania elektromagnetycznego, a to jest proces znacznie wolniejszy. Dlatego problem termiczny statków kosmicznych często wygląda wręcz odwrotnie niż w kinie: trzeba wymyślić sposób, żeby nie doszło do przegrzania – pozbywać się nadmiaru ciepła.
Świetnie wykorzystał to finał drugiego sezonu For All Mankind.
Gordo i Tracy Stevens muszą wyjść z bazy Jamestown na powierzchnię Księżyca, żeby zapobiec katastrofie reaktora. Problem: nie mają skafandrów. Owijają więc swoje ciała taśmą, zakładają prowizoryczne maski z tlenem i biegną przez powierzchnię Księżyca.
Ronald D. Moore, producent wykonawczy serialu, mówił później, że pomysł powstał właśnie dlatego, że twórcy chcieli wykorzystać fakt często ignorowany przez kino: człowiek może przeżyć bardzo krótki kontakt z próżnią. Ekipa badawcza serialu próbowała skonstruować najbardziej prawdopodobny sposób wykorzystania tych kilkunastu sekund, stąd pomysł mechanicznego ograniczenia puchnięcia tkanek za pomocą taśmy.
Oczywiście nie radzimy owijać się silver tapem w takich warunkach (do not do this at home!). Taśma nie jest prawdziwym skafandrem ciśnieniowym, nie zapewnia kontrolowanego ciśnienia, szczelności, ochrony termicznej ani bezpiecznego oddychania. Sama scena również dramatyzuje część skutków ekspozycji.
Ale jej pomysł dotyka sedna problemu – próżnia nie zabija natychmiast.
Kosmos jest dziwniejszy niż film
Hollywood zmienia fizykę z bardzo dobrego powodu.
Prawdziwy kosmos (i prawdziwa fizyka stojąca za jego funkcjonowaniem) jest miejscami fatalnym materiałem filmowym. Łatwo jednak zapomnieć, że efektowny nie jest równoznaczne z ciekawym.
Najbliższe nam asteroidy mogą znajdować się miliony kilometrów od siebie. Statek może przemierzyć setki milionów kilometrów, praktycznie nie używając po drodze silnika. Człowiek może przez kilka lub kilkanaście sekund funkcjonować w środowisku, w którym nie istnieje nawet ciśnienie atmosferyczne.
Bo jeśli jest jedna rzecz, którą kino science fiction pokazuje naprawdę dobrze, to fakt, że w kosmosie odpowiedź na najprostsze pytanie bardzo często brzmi: to zależy.
