niedziela, 19 września 2021

Byłem w błędzie co do elektryków

Jak się Wam podoba taki clickbait? Ponoć nie ma w tym nic złego, jeśli clickbait nie wprowadza w błąd, a ten jest zupełnie szczery, choć będzie wymagał wieeelu doprecyzowań. Wszystko zaczyna się od świetnego (kolejnego) filmu od Engineering Explained. Nosi on tytuł “Is Keeping Your Old Car Better For The Environment?” (“Czy zachowanie starego samochodu jest lepsze dla środowiska?”). Nawiązuje tu do dość powszechnego (a przynajmniej tak mi się zdaje) przekonania, że choć elektryczne samochody są lepsze dla środowiska w trakcie eksploatacji, to biorąc pod uwagę emisje związane z ich produkcją, sumarycznie zamiana samochodu spalinowego na elektryka może być gorsza. Okazuje się, że generalnie nie jest to prawda.

Sam padłem ofiarą tego przekonania i nie wykazałem się sceptyczną postawą, dlatego bardzo doceniam ten film i gorąco go polecam. W ramach pokuty, postanowiłem przyjrzeć się jak oszacowania Jasona Fenske mają się do naszej rzeczywistości i nie tylko. Dodatkowo, przygotowałem tą notkę, żeby skorzystali youtubo-sceptyczni i osoby niekoniecznie władające angielskim. Oczywiście zakładam, że w tej dyskusji skupiamy się tylko i wyłącznie na aspekcie emisji, nie na kwestiach finansowych.

Kluczowe dwa czynniki to emisje roczne związane z eksploatacją samochodu oraz emisje towarzyszące produkcji nowego samochodu. Jeśli samochód już jest w naszym posiadaniu, ten drugi czynnik wynosi zero. Jeśli roczne emisje nowego są niższe to z grubsza rzecz ujmując kwestią czasu jest, po jakim czasie (po ilu latach) bilans będzie korzystny. Nie zmieniałem tu założeń autora kanału Engineering Explained, który podpiera się publikacjami, według których nowy, spalinowy, wydajny samochód to ekwiwalent około dziewięciu ton CO2 w atmosferze na starcie. Jako modelowy elektryk służy Tesla Model 3, której produkcja emituje niemal dziesięć i pół tony CO2.

Odrobinę gimnastyki musiałem wykonać przy rocznych emisjach. Po pierwsze w przeciwieństwie do USA, gdzie wydajność liczy się w milach które można przejechać na galonie paliwa, u nas popularną miarą jest liczba litrów spalonych w trakcie przejechania 100 kilometrów. Z pomocą przyszedł artykuł na autokult.pl, dzięki któremu ostatecznie założyłem, że “stary” spalinowy samochód spala 7,5 litra a potencjalny nowy, ekonomiczny będzie spalać 5,5 litra (naśladowałem metodologię artykułu tj. 50% średniej to spalanie w mieście 25% na autostradzie i 25% na krajówkach). W przypadku Tesli miarą będzie zużycie kWh/100km i wynosi 14.9 kWh.

Ilość kilometrów przejechanych rocznie to jeden z istotnych powodów dla których rzuciłem się na ten tekst, zakładając, że w USA, kraju samochodziarzy, jeździ się znacznie więcej. Oznaczałoby to, że w USA elektryk szybciej uzyska lepszy bilans środowiskowy. Tymczasem na podstawie artykułu PolskaTimes polacy jeżdżą średni 20 tys. km rocznie (71% Polaków 20 tys. km lub mniej), co jest zdumiewająco blisko 12 tys. mil zakładanych przez Jasona (choć sam podkreślił, że to mniej niż średnia w USA).

Zanim będziemy mogli wszystko policzyć pozostaje jeszcze kwestia jakie są emisje związane z przejechaniem jednego kilometra różnymi samochodami (w różnych krajach). Spalenie litra benzyny to emisja 2,35 kg CO2. W związku z tym nasz modelowy “stary” spalinowy wyemituje 176 gramów CO2 na kilometr a jego młodszy, ekonomiczny braciszek 129 gramów CO2 na kilometr. Tesla ładowana we Francji (57.3 gramów ekwiwalentu CO₂ na kWh) wyemituje zaledwie 8,5 grama CO2. Tesla ładowana w Polsce (750 (!) gramów ekwiwalentu CO2 na kWh) wyemituje zaledwie 111 gramów CO2. To największe rozbieżności z filmem od Engineering Explained. W jego przykładzie nowy spalinowy samochód emitował 29% mniej a Tesla blisko 70% mniej. W moich obliczeniach zejście z 7,5 l/100km do 5,5 litra to redukcja emisji o 27%, natomiast Tesla w Polsce wyemituje 36% mniej CO2 a we Francji aż 95% mniej.

Tyle o metodach. Jakie są ostateczne wyniki? Warto. W USA i Francji już po 4 latach bilans środowiskowy samochodu elektrycznego powinien być korzystny. W przypadku Polski trzeba aż dziewięciu lat… A to zakładając (w każdym przypadku), że miks energetyczny nie będzie się zmieniać na bardziej korzystny. Mam nadzieję, że to najbardziej błędne z założeń. Gwarancja na baterie elektryków to typowo osiem lat, więc należy się spodziewać, że spokojnie pociągnąć co najmniej tyle czasu.

Wiem, że wiele z tych założeń, może wywołać sporo emocji, więc jako bonus (znów idąc śladem Jasona przygotowałem arkusz Google, który możecie sobie skopiować i wprowadzić swoje liczby, żeby poeksperymentować.

Arkusz (skopiuj i baw się śmiało)

Na koniec najważniejsza kwestia - lepsze od zamiany prywatnego samochodu spalinowego na elektryka jest zrezygnowanie z tego środka transportu. Szczególnie w dużych miastach powinniśmy korzystać z alternatyw jak choćby transport publiczny.


Źródła:
Is Keeping Your Old Car Better For The Environment?
Kiedy auto jest ekonomiczne? Podajemy realne wyniki zużycia paliwa
Przeciętny polski kierowca - ile wydaje na paliwo? Ile kilometrów rocznie pokonuje?
Fuel consumption and CO2


sobota, 21 sierpnia 2021

Podsumowanie "Tesla AI day"

W piątek miał miejsce “Tesla AI day”. Jego najgłośniejszym elementem była zapowiedź humanoidalnego robota. Trochę szkoda, bo w przeciwieństwie do większości ponad dwugodzinnego wydarzenia, istnieje on w zasadzie tylko na papierze, a reszta prezentacji traktowała o realnych dokonaniach i działaniach firmy.

Andrej Karpathy rozpoczął fragment poświęcony obróbce obrazu. Mówił, że to trochę jak budowa syntetycznego zwierzęcia od podstaw. Konkretnie chodzi o konstrukcję syntetycznej kory wzrokowej. To co może brzmieć prosto ale było dużym wyzwaniem, jest korzystanie z feedu z wielu kamer w jednej sieci neuronowej. Innymi słowy autopilot Tesli wpierw łączy dane z wielu kamer a dopiero później ma miejsce detekcja obiektów. Może wydawać się oczywiste, ale do tej pory trend był taki, że obraz z każdej kamery był procesowany osobno i dopiero potem łączony w model świata zewnętrznego dla maszyny.

Kolejny duży i ciekawy fragment poświęcono architekturze komputera do nauki AI. W całości jest on zaprojektowany przez ekipę Tesli. W ogóle dość ciekawe, że Tesla robi i projektuje własną elektronikę. Ganesh Venkataramanan przeprowadził publiczność przez ich projekt od niemal najniższego poziomu.

Rozmiar podstawowego węzła obliczeniowego wyznaczono na podstawie tego jak daleko fizycznie jest w stanie dotrzeć sygnał w czasie jednego cyklu procesora a następnie obszar tej wielkości wypełniono elektroniką tworząc jednostkę o mocy obliczeniowej jednego TFLOPa (1012 operacji na sekundę). Jednostki te można łączyć dowolnie w płaszczyźnie. Robiąc właśnie to, tesla zrobiła plaster 354 takich “training nodes” i otoczyła je szyną wyjścia/wejścia (4TB/s). Tak wygląda “D1 Chip” z którego wyciskają 362 TFLOPy. Następnie z kolei połączyli 25 takich w “training tile” o mocy 9 PFLOPsów. To już zrobili. Jaki jast dalszy plan Tesli? Zbudować “ExaPoda” - superkomputer skonstruowany z 120 takich “uczących się kafelków”, o mocy jednego EksaFLOPa, czyli 1018 (tryliona) operacji na sekundę.

Pod względem mocy obliczeniowej byłaby to najsilniejsza maszyna na świecie. Obecnym liderem jest japoński Fugaku o mocy 500 PFLOPów, przy czym warto zwrócić uwagę, że wystarczy 40 PFLOPów żeby załapać się do górnej dziesiątki. ExaPod jest planowanym komputerem, ale pierwszy kafelek został już wyprodukowany i przetestowany, i już to stawia go w górnej setce. Ganesh Venkataramanan trzymał w rękach kafelek o mocy przekraczającej możliwości Poznańskiego Altaira (znajdującego się na 116 miejscu najmocniejszych superkomputerów na świecie). Daje to pewne poczucie skali. Aczkolwiek nie wiem czy ExaPod będzie pasował do tych rankingów, jako komputer dedykowany do nauczania sieci neuronowych.

Teraz możemy przejść do trzeciej, najbardziej medialnej części Tesla AI day. Prezentacja humanoidalnego robota zaczęła się od krótkiej animacji i... tanecznego występu faceta przebranego za robota. Nie będę opisywał poziomu mojego zażenowania, z ratunkiem przybył chyba podobnie zażenowany Elon, który w trakcie podziękował tańczącemu i wkroczył z również trochę obciachowym omówieniem planu Tesli by zbudować w pełni humanoidalnego robota.

Pomijając żarty o tym, że ma być bezpieczny ale na wszelki wypadek powinien być wolniejszy i słabszy od człowieka, intencje brzmią całkiem serio. I okoliczności też wydają się stosowne. W końcu cała ta prezentacja, może była nakierowana na AI do prowadzenia samochodu, ale biorąc pod uwagę stopień ogólności tych rozwiązań, dość oczywiste jest, że przeniesienie ich z kierownicy, gazu i hamulca na robota przypominającego człowieka powinno być naturalnym krokiem.

Biorąc pod uwagę to co robi Boston Dynamics, jak funkcjonuje Watson, jak sprawne stają się autonomiczne samochody, działające w oparciu o wizualne dane, można stwierdzić, że w zasadzie wszystkie elementy są już gotowe, “tylko” trzeba je połączyć. Tesla-boty (nie wiem czy dobrze zrozumiałem, ale ich robocza nazwa to “Optymista”) mają wykonywać prace nudne, powtarzalne i niebezpieczne. Idea jest taka, że z czasem będą w stanie poruszać się w ludzkim świecie, rozumieć polecenia słowne i robić wszystko to co ludzie. Elon stwierdził też, że w przyszłości praca fizyczna będzie wyborem i że uważa bezwarunkowy dochód podstawowy za równie nieunikniony.

Całość zakończyła długa seria całkiem sensownych pytań od publiki.
Całośc wydarzenia na youtube: www.youtube.com/watch?v=j0z4FweCy4M



czwartek, 12 sierpnia 2021

Wycieczka z Elonem Muskiem po placówce SpaceX

Obolały i niewyspany Elon Musk oprowadził Tima Dodda znanego jako Everyday Astronaut po placówce w Boca Chica zwanej “Starbase”. Wycieczka odbyła się pod koniec lipca, jeszcze przed pierwszym, testowym połączeniem Boostera 4 z Shipem 20.


Troszkę głowiłem się nad tym jak podejść do tego tekstu i stwierdziłem, że najwięksi entuzjaści na pewno obejrzeli już całość, więc ten tekst ma być skrótem dla tych którzy nie są aż tak wkręceni. Krótsze pewnie nie będzie oznaczało krótkie, bo to wciąż dwu i półgodzinny materiał napakowany merytoryczną rozmową.

Jeśli zastanawiacie się czemu Elon Musk osobiście oprowadza youtubera po swojej fabryce cukierków, to już wyjaśniam. Musk jest głównym projektantem w SpaceX a Dodd jest wyśmienity merytorycznie i zawsze zadawał sensowne pytania, gdy dziennikarze pytali, jak ludzie na Marsie będą robić kupę. Cieszy mnie jednak, że choć dziennikarstwo leży, populacja nerdów rośnie, bo pierwsza część wywiadu zmierza do trzech milionów wyświetleń a druga już przebiła milion pracę nad tekstem zaczynam jeszcze przed publikacją trzeciej.


Podejście do produkcji i projektowania
W pierwszej części wywiadu Musk, nie po raz pierwszy, podkreślał jak ważne i trudne jest produkowanie rakiet w stosunku do ich projektowania. Twierdzi, że masowa produkcja, rakiet czy silników jest wielokrotnie większym wyzwaniem niż ich projektowanie.

Musk powiedział, że ma swój pięciostopniowe podejście do projektowania:
1. Make requirements less dumb (kwestionować wymagania) - niemal zawsze wymagania są nadmiarowe lub niepotrzebne. Szczególnie bacznie trzeba przyglądać się wymaganiom mądrych ludzi.
2. Delete part or process step (usuwanie niepotrzebnych części lub etapów procesu) - Musk uznaje, że to tak ważne, że jeśli w 10% przypadków nie przywracasz usuniętych wcześniej elementów, to znaczy, że za mało wycinałeś.
3. Simplify or optimise (upraszczać/optymalizować to co konieczne) - Kolejność tych punktów jest istotna. Elon twierdzi, że inteligentni inżynierowie często tracą czas optymalizując rzeczy, których w ogóle nie powinno być.
4. Accelerate - przyspieszaj cykl. Ale nie kosztem poprzednich punktów.
5. Automate - automatyzacja. Musk twierdzi, że w Tesli popełniał błąd i wykonywał te same kroki, ale w odwrotnej kolejności.


Super Heavy
Pierwszy orbitalny booster będzie mieć 29 silników, kolejne wersje mają mieć ich 33. SpaceX obecnie celuje w ostateczną wagę około 200 ton, ale to dość płynny cel. Jak się dowiedzieliśmy nawet w Falconie 9 przy lądowaniu pod koniec zostaje około tony paliwa. Kiedy jakiś czas temu przesunięto packi (grid fins - siatkowe powierzchnie do sterowania boosterem) tak, że układają się w ciaśniejszy “X” zamiast znanego z Falcona 9 równego krzyżyka, panowało przekonanie, że to krok w kierunku łapania boostera. Łapanie ważącego około 200 ton boostera to natomiast jeden z elementów ograniczania masy - pozwala m.in na usunięcie nóg do lądowania.

Tak więc domyślano się, że dolna część rakiety będzie łapana przez ramiona wieży startowej i zawiśnie na czterech packach. Tymczasem okazuje się, że całą masę mają utrzymać dwa zaczepy, które już teraz są używane przy przenoszeniu boostera dźwigiem. Biorąc pod uwagę jak obłędny wydaje się pomysł łapania 200-tonowej rakiety przez robo-wieżę fakt, że będzie łapana za dwa a nie za cztery punkty, wydaje się drobiazgiem.

Oczywiście nie ma się co kierować intuicją. Biorąc pod uwagę jak precyzyjnie lądują F9, oraz fakt, że Super Heavy będzie mieć znacznie większą kontrolę nad lotem to tak naprawdę niezła myśl. Choć pewnie czeka nas niezłe widowisko jak uchwyt rozerwie któryś z kolejnych prototypów lub jak usłyszymy jak brzmi rakieta ocierająca się o szpony wieży… Pamiętajmy, że poza silnikami, booster przy lądowaniu będzie trochę jak wielka puszka po piwie, jeśli idzie proporcje rozmiaru i wagi.

A co z tymi packami? Okazuje się, że taki układ daje lepszą kontrolę nad lotem. Co więcej, w ramach dalszego upraszczania konstrukcji packi nie będą się składać. Przy starcie ich opór jest minimalny, a złożoność mechanizmu rozkładania kosztowałaby kolejne tony. Nawet teraz każdy grid fin waży jakieś trzy tony. Elon urokliwie porównał je do sideł na dinozaura. Poza tym w boosterze jest jeszcze ogrom potencjalnych uproszczeń. Wciąż używają baterii z Tesli, które nijak nie są zoptymalizowane pod potrzeby boostera (krótka intensywna praca zamiast wielogodzinnego napędzania samochodu).

Uproszczenia idą dalej. Wygląda na to, że zamiast specjalnego mechanizmu, separacja będzie podobna do uwalniania starlinków. Rakieta zostanie wprowadzona w lekki ruch obrotowy i górny stopień powinien po prostu oddryfować. Zamiast RCS (reaction control system), czyli małych silników manewrowych, Super Heavy (a może i starship) będzie używał zaworów połączonych ze zbiornikami, upuszczając paliwo będzie zmieniał orientację pojazdu.

Ship (górny człon)
Przez rozmowę przewinął się “Księżycowy” Starship, czyli element programu Human Landing System, będący częścią programu NASA, który ma znów zanieść ludzi na Księżyc. Nie będę zbyt wiele o tym pisał, bo sporo tam bardzo mocnego gdybania. Elon hipotetyzował mocno na temat potencjalengo lądowania na głównych silnikach, a nie na tych, które na grafikach koncepcyjnych umieszczono wyżej na kadłubie. Mają one uniknąć wzbicia nadmiernych ilości regolitu. Musk gdybał na temat możliwości bezpiecznego lądowania bez nich. Nie zająknął się jednak na temat długoterminowych skutków. Księżycowy regolit jest ogromnym problemem i zagrożeniem dla astronautów oraz sprzętu, także nie przywiązywałbym zbytniej uwagi do tych rozważań.

Interesujący był fragment rozmowy poświęcony promom kosmicznym. Według Elona twórcy wiedzieli o wielu wadach i problemach, ale nie ulepszano ich. Każdy lot odbywał się z załogą na pokładzie, więc nie było możliwości na ulepszenia i eksperymenty. Na te może pozwolić sobie SpaceX, nie przejmując się zbytnio, jeśli prototyp wybuchnie. Tim, który ma obcykane systemy ucieczkowe wszedł również na ten temat. Musk powiedział, że wiele z tych systemów było/jest ograniczonych do pewnego okresu lotu, dlatego idea w przypadku Starshipa jest taka, żeby był odporny na awarie. Rakieta ma sobie poradzić nawet z awarią kilku silników. Aczkolwiek system ucieczkowy Dragona jest skuteczny aż do samej orbity…

Jeśli idzie o suchą masę to w przypadku Shipa ma to być 100 ton, czyli połowa masy boostera (Super Heavy). Przy okazji - masy paliwa to (około) 3400 i 1200 ton dla obu stopni. Pierwotnie tankowanie Shipa miało się odbywać od dołu, przez sekcję silnikową, miało to być jednym z uproszczeń. Ship byłby tankowany przez Super Heavy. Te same elementy byłyby wykorzystywane przy tankowaniu na orbicie, shipy łączyłyby się sekcjami silnikowymi i następowałby transfer paliwa. Nowa koncepcja jest jednak taka, że pojazd będzie tankowany od boku i podobnie będzie na orbicie. Ale to dość wstępne ustalenia, Musk wyraźnie powiedział, że na ten moment prace nad przedziałem towarowym, techniką tankowania i innymi celami są na dalszym planie i cały wysiłek jest obecnie skupiony na locie orbitalnym.

Kluczowym elementem lotu jest osłona termiczna, której też poświęcono trochę czasu. Ceramiczne płytki, które pokrywają większą połowę (Ha! Powiedziałem to!) Starshipa czeka wiele pracy. Czekają je wielkie ekstrema. Metal pod powierzchnią będzie czasem w temperaturze pokojowej, czasem w kriogenicznej. Odczują temperatury pracujących silników, a przy wejściu w atmosferę będą się drastycznie nagrzewać… Mocowanie musi dawać im pewną swobodę ruchu, nie mogą się obijać o siebie zbyt mocno ani mieć za dużych luzów. Większość jest dość łatwa w montażu i uniwersalna, ale te wokół noska, flap są już bardziej wyszukane. Rozwiązanie SpaceX dzieli jednak przepaść względem promów kosmicznych, gdzie praktycznie każda płytka miała unikalny wzór.

Jeśli idzie o oczekiwania Elon stara się je zaniżać. Stwierdził wprost, że ma nadzieję, że Booster 4 / SN 20 nie wysadzi platformy. Stanowisko startowe, nazywają “stopniem zerowym” i odbudowa tego stopnia byłaby zdecydowanie cięższa, dłuższa i bardziej bolesna niż utrata prototypu Starshipa. Ostatnia część wywiadu okazała się krótsza i była wycieczką po powstającym stanowisku startowym. Powiem tylko, że warto rzucić okiem, bo daje lepszą perspektywę na uwijających się tam ludzi i ogrom tego co budują.

W czasie rozmowy Tima z Elonem dowiedzieliśmy się również, że dopiero zobaczymy drugą wersję silnika Raptor o której mówi się od jakiegoś czasu. Różnice będą widoczne na pierwszy rzut oka, nowe silniki mają nie wyglądać jak metalowy węzeł gordyjski. Ciekawe czy to oznacza też, że nie będzie potrzebna dodatkowa osłona docelowych silników…

Co najlepsze - Elon sam w trakcie wywiadu powiedział, że postęp prac jest tak dynamiczny, że wszystko co mówi może być nieaktualne za dwa tygodnie. A potem na twitterze zaproponował Timowi ponowną wizytę za jakiś czas, żeby była szansa porównania co się zmieni.


środa, 4 sierpnia 2021

Blue Origin szkaluje SpaceX

Jakiś czas temu Blue Origin puścił w socjalach grafikę porównującą loty w “kosmos” oferowane przez nich oraz te oferowane przez Virgin Galactic. Śmieszkowałem sobie z nich tutaj: [link w komentarzu]. Wówczas wiele osób zadawało pytanie - jak to się stało, że dział PR firmy Bezosa puścił takiego kasztana. Szczególnie w momencie, kiedy Branson w ostatniej chwili wyprzedził szefa Amazona w tym dość niedorzecznym wyścigu, wyglądało to jak wyjątkowo żenujące nie radzenie sobie z porażką.

Cóż, jeśli ktoś uznał to za wypadek przy pracy, to jest w błędzie. Bo Blue Origin tym razem kontynuuje ten styl, wyżalając się na SpaceX. W sumie niewiele tu nowego, ale wcześniej tą gorycz kierowano w zażaleniu/skardze na decyzję NASA o tym, że to firma Muska zapewni pojazd do HLS (Human Landing System), w ramach załogowego powrotu USA na srebrny glob. Czego tyczą się zarzuty? Głównie tego, że w przypadku Starshipa koniecznych będzie około 10 lotów by umieścić pojazd na orbicie a następnie go zatankować przed lotem na Księżyc no i wreszcie zapakować tam astronautów. W tym celu trzeba opracować nowe technologie, dokonać niebezpiecznych i precyzyjnych dokowań, transferu paliwa. A do tego w przypadku lądownika National Team (zespół, który konkurował ze SpaceX zanim upadł i sobie głupi ryj rozwalił, którego częścią jest Blue Origin) wysokość włazu nad powierzchnią Księżyca to dziewięć metrów a w Starshipie prawie czterdzieści. No i w ogóle lądownik zespołu w którym gra Bezos używa starych sprawdzonych rozwiązań. Cytując grafikę “system is entirely built on heritage systems and proven technologies that are flying today”. Chwalą się, że temat można ogarnąć trzema startami z Ziemi i po temacie.

Szczytem hipokryzji jest stwierdzenie, że system Muska, jeszcze nie przeprowadził testu orbitalnego... Wiecie kto jeszcze nie przeprowadził testu orbitalnego? Blue Origin, firma mająca dwa lata więcej niż SpaceX (które ma na koncie ponad setkę lotów orbitalnych). Wujek Bezos wspomina o rakiecie New Glenn, która nie powstała. Napędzanej silnikami, które nie działają. Podczas gdy SpaceX jest na progu orbitalnego testu kolejnej już generacji rakiet i ma na koncie tysiące ładunków na orbicie.

Pomijając powyższy komizm, najbardziej irytuje mnie ta pisanina o sprawdzonych technologiach. Wiecie do czego najlepiej nadawałby się wymyślony lądownik Bezosa? Do zatknięcia flagi na Księżycu. A nie o to ma chodzić w nowym programie kosmicznym. Cytuję: “Artemis is the name of NASA's program to return astronauts to the lunar surface. We are going forward to the Moon to stay.” Tu właśnie chodzi o nowe technologie. Tu chodzi o zrobienie czegoś, czego jeszcze nie zrobiono. Nie o ponowne wykorzystanie starych rozwiązań. Nie chodzi o odbębnienie trzech lotów rakietami, które wylądują na złomie po jednym locie.

Początek nowego rozdziału w eksploracji kosmosu można oglądać w Boca Chica, w Teksasie. Tempo jest tam absolutnie zawrotne. Niedawno pojawiła się pierwsza z trzech części wycieczki Tima Dodda (Everyday Astronaut) po placówce, którego oprowadził sam Musk. Postaram się przygotować podsumowanie po tym jak wszystkie trzy wylądują na YouTube + dodać do tego wszystkie aktualne informacje o zbliżającym się teście Boostera 4 i SN20, które mają polecieć razem jako pierwszy kompletny Starship.


Oryginał grafiki: https://www.blueorigin.com/blue-moon/national-team
List otwarty Bezosa do administratora NASA Billa Nelsona: https://www.blueorigin.com/news/open-letter-to-administrator-nelson
“Porównanie” BO z Virgin Galactic: https://www.facebook.com/photo.php?fbid=10159402308462277


sobota, 24 lipca 2021

Narodziny obcego księżyca

Tak wyglądają narodziny księżyca. Obraz, który widzimy uzyskano za pomocą największego na świecie interferometru radiowego ALMA. To układ PDS 70. W jego centrum znajduje się młodziutka gwiazda o masie 76% Słońca. Ma zaledwie pięć i pół miliona lat.

Okrąża ją szeroki (65-140 jednostek astronomicznych) dysk protoplanetarny z dwiema wciąż jeszcze formującymi się planetami. Są ogromne. Jedna ma masę zbliżoną Jowisza, druga jest od trzech do pięciu razy cięższa. Narodziny planet wciąż są rzadką obserwacją. Jednak nigdy do tej pory nie zaobserwowano analogicznego dysku wokół planety. Aż do teraz.

Podejrzewano, że wokół PDS 70c może trwać formacja księżyca (lub księżyców), ale dopiero teraz udało się wyodrębnić ów dysk wokół planety. Udało się to, pomimo odległości 400 lat świetlnych (niecałe cztery biliardy kilometrów, albo cztery eksametry ). Astronomowie oceniają, że ten mniejszy dysk, ma dość masy by powstały z niego nawet trzy satelity o masie naszego Księżyca. Ogromna jest też jego rozpiętość - jest porównywalna z odległością z Ziemi do Słońca (czyli spokojnie mógłby w nim orbitować Merkury).

Obserwacje PDS 70 będą pożywką dla badań nad formacją nie tylko księżyców, ale i planet. Pozwolą one sprawdzić istniejące już teorie mówiące o tym jak powstają układy planetarne. Obecnie wciąż większość z odkrytych 4000 egzoplanet znajduje się w dojrzałych systemach. Co ciekawe, planety krążące wokół PDS 70 zostały odkryte w 2018 i 2019 roku za pomocą dwóch różnych instrumentów europejskiego teleskopu VLT. PDS 70b odkryto za pomocą spektropolarymetru SPHERE a PDS 70c za pomocą instrumentu MUSE składającego się z 24 spektrometrów.

Pewnie też zastanawiacie się czy wokół mniejszej planety (ale i tak o rozmiarze porównywalnym z Jowiszem) dzieje się to samo. Wokół PDS 70b nie widać wyraźnych śladów podobnego dysku, co zdaniem astronomów sugeruje, że większy brat pozbawił ją pyłu. Jak zwykle, czekamy na kolejne obserwacje i jeszcze większe teleskopy, jak na przykład ELT, czyli europejski Ekstremalnie Wielki Teleskop (Extremely Large Telescope).

Zdjęcie: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Więcej: https://www.eso.org/public/news/eso2111/


poniedziałek, 12 lipca 2021

Największa kometa - fakty i fantazje


Co roku odkrywamy dziesiątki nowych komet. Ale C/2014 UN271, którą odkryli Pedro Bernardinelli and Gary Bernstein, nie jest “jedną z wielu”. Początkowo uznano ją za planetę karłowatą z racji na rozmiar około 100 kilometrów i odległość niespełna 30 jednostek astronomicznych. Jednak potwierdzenie istnienia komy (otoczki pyłowo-gazowej), oraz kształt orbity sprawiły, że prawdopodobnie mamy do czynienia z największą kometą jaką do tej pory odkryto.


Od razu powiem, że nie chcę wchodzić w dyskusję “szufladkową”, czyli czy obiekt nazwany już Bernardinelli-Bernstein to rzeczywiście kometa, planeta karłowata czy coś zupełnie innego. Etykietki nie zmienią ani jej orbity ani właściwości fizycznych, więc trochę szkoda na nie czasu. Gdyby Pluton miał inną orbitę też pewnie nazwalibyśmy go kometą, szczególnie, że gdyby podchodził odpowiedni blisko do Słońca wyrastał by mu całkiem piękny warkocz.

Skoro o warkoczu i urodzie mowa… Niestety, tak jak nie zaobserwujemy takiego pokazu w wykonaniu Plutona, tak samo nie liczcie na zbyt wiele w związku z przelotem Bernardinelli-Bernstein. Peryhelium (najmniejsza odległość od Słońca) tej komety ma wynieść 10.95 AU, czyli dalej niż Saturn. Oczekiwana jasność wówczas prawdopodobnie nie przekroczy jasności… Plutona.

To największa w znanej nam historii kometa. Bernardinelli-Bernstein ma od 100 do 200 kilometrów średnicy (z racji na komę, realny rozmiar jest pewnie bliższy tej mniejszej wartości). Średnica Plutona to 2376 km a znajduje się niecałe cztery razy dalej niż C/2014 UN271 przy największym zbliżeniu. Kometa osiągnie peryhelium w styczniu 2031 roku. Znaczy to, że zostało trochę czasu, żeby wysłać jakąś fajną misję. Orbiter, lądownik albo coś do pobrania próbki… a może by tak zostawić tam kapsułę czasu?

Okazja jest dość wyjątkowa, bo naukowcy szacują, że po tym przelocie Bernardinelli-Bernstein wróci w pobliże wewnętrznego układu słonecznego dopiero za jakieś 4,5 miliona lat. To kometa o bardzo długim okresie i ekscentryczności bliskiej 1 (silnie rozciągnięta elipsa), co za tym idzie powinna być pokryta ekstremalnie starym materiałem z początku istnienia układu słonecznego… a niewykluczone, że jest przechwyconym obiektem z innego układu gwiezdnego (co jeszcze bardziej podnosi atrakcyjność takiego celu).

Czy dekada to dużo? Nie w tym wypadku. Być może to w sam raz by przygotować coś “na szybko” w skali misji kosmicznych. Warto mieć świadomość, że sonda Cassini leciała na Saturna przez siedem lat. A misję trzeba jeszcze zaplanować, sprzęt zaprojektować, zbudować, poskładać… Aczkolwiek to nie jest tak, że musimy C/2014 UN271 złapać tuż za Saturnem. Na szczęście pobieranie próbek to nie pierwszyzna. Wystrzelona w 1999 sonda Stardust sprowadziła na ziemię 1 gram kometarnego pyłu. Dwie japońskie misje Hayabusa przywiozły ponad pięć gramów materiału z dwóch asteroid. W zeszłym roku Chang'e 5 sprowadziła na Ziemię niemal dwa gramy Księżycowego regolitu. Wreszcie OSIRIS-REx już wraca z niemałą próbką asteroidy Bennu.

Dobra… dość tych faktycznych danych. Przecież media piszą, że “zbliża się mega-kometa”, wstawiają takie nagłówki, że trudno sobie nie dopowiedzieć mentalnie “...wszyscy zginiemy”. No więc nic z tego kochani. Tak łatwo nie pójdzie. Ale na fanpage daliście znać, że mogę pofantazjować. Więc… nie tyle pofantazjowałem, co pobawiłem się trochę liczbami na kartce papieru, żeby oszacować jak bardzo totalne byłyby zniszczenia, gdyby jednak Bernardinelli-Bernstein grzmotnęła w naszą planetę. Oczywistym punktem odniesienia jest oczywiście asteroida lub kometa, która uderzyła w Ziemię 66 milionów lat temu.

Impaktor Chicxulub uderzył w okolicy dzisiejszego półwyspu Jukatan z prędkością od 12 do 21 kilometrów na sekundę. Miał średnicę około 17 kilometrów i masę między 6.82×1015 a 1.28×1016 kg, Patrząc jedynie na rozmiar, sądziłem, że stukilometrowa kometa to nieporównywalnie większa siła zniszczenia. Tymczasem przeciętna kometa ma gęstość rzędu 0,6 grama na centymetr sześcienny. Jako, że ta konkretna pochodzi z bardzo daleka, gdzie pewnie było jeszcze mniej ciężkich pierwiastków założyłem gęstość na poziomie 0,5 g/cm3. Zdaję sobie sprawę ze słabości moich obliczeń, ale na tyle duża kometa będzie raczej kulista, więc przy średnicy 100km jej masa wynosi około dwóch Zettagramów (2x1018 kg). Obliczenie prędkości w peryhelium jest bardzo zgrubne, bo parametry orbit komet są bardzo zmienne (niemal nieustannie tracą masę, uciekający gaz działa jak źródło napędu). Wygląda jednak na to, że maksymalna prędkość jaką osiągnie Bernardinelli-Bernstein, to około 12 500 metrów na sekundę.

To jednak w odległości 10AU od Słońca. Dla scenariusza kolizji z naszą planetą (1AU) prędkość byłaby z pewnością znacznie większa. Dlatego porównałem energię kolizji B-B dla prędkości 12,5 km/s oraz 21 km/s (prędkość kolizji Chicxulub). Wynik? Kolizja największej odkrytej komety z Ziemią byłaby od 60 do 900 razy potężniejsza. Maksymalny wynik około 4,4x1026 Jouli, to wynik zbliżony do energii dwóch milionów Tsar Bomb. Albo energii którą wypromieniowuje Słońce co sekundę. Możemy spokojnie założyć, że wówczas nie ma zbytniej różnicy gdzie dokładnie uderzyłaby C/2014 UN271, bo zniszczenia byłyby niemal całkowite.

Wspominam o tym, bo Chicxulub uderzył szczególnie niefortunnie - w płycizny, przez co zarówno wywołał masywne fale tsunami jak i wybił w atmosferę masę pyłu, który zablokował fotosyntezę na lata i skazał na śmierć ogromną część fauny i flory (jednocześnie dając szansę naszym drobnym przodkom). Krater sięgnął 25 kilometrów w głąb skorupy ziemskiej i potencjalnie wywołał szereg erupcji wulkanicznych pod drugiej stronie planety, które trwały dziesiątki tysięcy lat. Tu mielibyśmy do czynienia ze zdarzeniem kilkaset razy bardziej gwałtownym. Można spodziewać się, że byłby to koniec wielokomórkowego życia na planecie. Jednocześnie tysiące ton skał z bakteriami pofrunęłyby w kosmos i mogłyby stać się częścią procesu panspermii. Kąt czy miejsce uderzenia prawdopodobnie nie miałoby nadmiernego znaczenia, choć mogłoby mieć ciekawe skutki. Poza przebiciem się przez skorupę ziemi aż do jej płaszcza, można by się zastanowić czy “koszące” zderzenie nie zmieniłoby kąta nachylenia obrotu Ziemi. Może wokół planety powstałby pierścień pyłu? Może długość doby uległaby zmianie?

Nie chcąc rozciągać nadmiernie notki przerwę na tych otwartych pytaniach. Póki co zostańmy przy fantazjach o komecie która niszczy Ziemię. W kwestii unikania takiego losu zostawiam Was z “Armageddonem” i “Dniem Zagłady”. Ale może kiedyś wrócimy do tematu bardziej realnych rozwiązań.


https://noirlab.edu/public/news/noirlab2119/
https://www.bbc.com/news/science-environment-39922998
https://astronomy.stackexchange.com/questions/34041/calculating-object-velocity-at-perihelion


poniedziałek, 5 lipca 2021

Kanapowy Inżynier 3 - paliwa rakietowe


Wysyłanie rzeczy w kosmos jest trudne i drogie. Liczy się każdy kilogram. Jeśli chcemy realnie myśleć o kosmicznym przemyśle, podboju, badaniach na dużą, to ogromnym ułatwieniem będzie wykorzystywanie surowców, które już tam są. A jedną z pierwszych rzeczy, która ułatwiłaby hasanie po układzie słonecznym, byłaby możliwość tankowania rakiet na na orbicie, Księżycu lub jakiejś pobliskiej asteroidzie. Lecąc na poza orbitę Ziemi znaczną większość paliwa zużyjemy przebywając pierwszych ~300 kilometrów. Przebycie kolejnych 380 000 km do Księżyca, czy milionów kilometrów do Marsa, to niemal pestka jak już tylko jesteśmy na orbicie. No ale musimy się tam dostać. I wtaszczyć tam paliwo na resztę wycieczki.

Woda to najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny we wszechświecie. Wodór i tlen to odpowiednio pierwszy i trzeci, co do zarówno masy jak i liczebności pierwiastek, więc nic dziwnego, że była masa okazji by atomy tlenu łapały sobie po dwa atomy wodoru. Tak się składa, że takie połączenie (czyli po prostu spalanie, utlenianie wodoru) wydziela masę energii. Dlatego wodór jest jednym z trzech popularnych typów ciekłego paliwa rakietowego. Innymi słowy, we wszechświecie jest pełno paliwa rakietowego, które zalega sobie razem ze swoim utleniaczem na planetach, asteroidach, pierścieniach i obłokach kosmicznych. To prawie tak jakby drewno albo liście i trawa były idealnym paliwem samochodowym. Moglibyśmy sobie jeździć po świecie i tankować na większości poboczy po prostu zrywając trawę. Wiadomo, trzeba się trochę pomęczyć, ale nie trzeba pakować ze sobą tylu ton paliwa, że samochód nie byłby w stanie ruszyć z miejsca.

Naturalnie zatem może się wydawać, że paliwem przyszłości (jeśli idzie o rakiety) powinna być mieszanka wodoru i tlenu. To dość popularny motyw w SF, które nie ucieka się do silników napędzanych technobełkotem. Dlatego od lat moją wyobraźnię rozpalała wizja Księżyca jako bazy wypadowej w głęboki kosmos - bo wiemy, że w kraterach do których nie dociera Słońce i pod powierzchnią może być dość lodu by odwiedzić cały układ słoneczny. Wreszcie koniec z poleganiem na wieloletnich asystach grawitacyjnych, wyciskaniem każdego ułamka prędkości z korzystnych układów ciał niebieskich. Marzyłem o holowaniu komet na orbitę Ziemi, by ich lód rozbijany na wodór i tlen przy użyciu energii słonecznej napędzał eksplorację planet i księżyców.

Czemu zatem SpaceX postawił na metan w swoim silniku Raptor? W ten sposób skazuje Starshipa, na paliwo tego typu. Czy Elon Musk jest tak zafiksowany na bogatym w dwutlenek węgla Marsie (co umożliwi produkcję metanu na miejscu), że postanowił olać wszystkie inne cele? Niezupełnie. Okazuje się, że metan ma wiele zalet a wodór brzmi ładnie kiedy zapiszemy sobie 2H2 + O2 => 2H2O + dużo rakietowej radości, gorzej jeśli wejdziemy trochę głębiej…

Współcześnie, wśród rakiet napędzanych paliwem ciekłym mamy w zasadzie trzech graczy. RP-1 (od Rocket Propellant-1 lub Refined Petroleum-1), czyli wysoce rafinowaną naftę, wypasioną wersję paliwa lotniczego. Drugim jest ciekły metan, a trzecim ciekły wodór. Przyjrzymy się im w różnych ujęciach. W tym miejscu ważna informacja - tekst oparłem w znacznej mierze na absolutnie świetnym, godzinnym filmie Everyday Astronaut “Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?”. Jeśli bariera językowa nie jest problemem i wolicie ruchome obrazki (plus świetne wizualizacje), to nie marnujcie czasu tutaj i idźcie od razu tam. Porównanie paliw jest tylko częścią jego materiału. Wartości które będą się przewijać są wyidealizowane lub uśrednione i mogą się różnić dla poszczególnych praktycznych silników.

Wydajność i produkty spalania
Duża ilość energii wydzielana przy spalaniu wodoru jest jego ogromną zaletą. Wypada świetnie na tle konkurencji. Do mierzenia wydajności w przypadku rakiet stosuje się miarę tak zwanego impulsu właściwego, który mierzy przyrost pędu rakiety dzięki zużyciu jednostki masy paliwa. Matematyka jednostek sprawia, że wartość ta jest mierzona w sekundach:
RP-1    370s
Metan   459s
Wodór   523s

Widać tu wyraźną przewagę wodoru. Ponadto produktem spalania wodoru i tlenu jest… para wodna. Jest to bardzo ważne, bo jeśli chcemy poważnie podchodzić do latania w kosmos, to silniki i rakiety muszą być wielokrotnego użytku. Para wodna nie jest specjalnie groźna dla hydrauliki silnika. Natomiast nafta, mieszanina węglowodorów w czasie spalania w wysokiej temperaturze wytwarza parę wodną, dwutlenek węgla i bardziej złożone związki węgla, czyli w uproszczeniu sadzę, która lubi się osadzać w różnych miejscach i nie robi dobrze silnikowi. Taki oklejony, upaćkany silnik wymaga czyszczenia lub napraw. Metan praktycznie nie produkuje sadzy, jedynie dwutlenek węgla i parę, więc można powiedzieć, że idzie tu w parze z wodorem.

Temperatura spalania
Jest jeszcze jeden parametr w którym wodór wysuwa się na prowadzenie. Jest to temperatura spalania. Niższa temperatura spalania generalnie zapewnia większą żywotność silnika. RP-1 spala się w temperaturze ok 3670°K, podobnie jak metan dla którego jest to 3550°K, natomiast wodór spala się w temperaturze “zaledwie” 3070°K.

Gęstość
Niska gęstość oznacza, że ta sama masa paliwa mieści się w większej objętości, co z kolei oznacza większy zbiornik paliwa. Większy czyli cięższy. A każdy kilogram w drodze w kosmos jest bezcenny. Wodór ma gęstość ponad jedenastokrotnie mniejszą od RP-1 i sześciokrotnie mniejszą od metanu. Trzeba też uwzględnić, że stosunek tlenu do poszczególnych paliw jest różny. Gram RP-1 najlepiej spala się z 2,7 grama tlenu, gram metanu spala się z 3,7 grama tlenu a wodór spala się z aż sześcioma gramami tlenu. Jeśli uwzględnimy oba parametry możemy zobaczyć jak wygląda stosunek wielkości zbiorników z tlenem do zbiorników z paliwem.

Gęstość [g/L]  Tlen:Paliwo     Tlen:Paliwo
              [stosunek masy] [stosunek objętości]
RP-1    813    2,7 : 1         1 : 0,52
Metan   422    3,7 : 1         1 : 0,73
Wodór    70    6 : 1           1 : 2,7

Metan i RP-1 wypadają dość podobnie, wodór… nie. Ale wielkie zbiorniki to tylko jeden z problemów jakie wiążą się ze stosowaniem wodoru. Drobniutkie molekuły wodoru są straszliwie trudne do utrzymania w ryzach. Wodór lubi przeciekać i przeciskać się przez każdą, najmniejszą szczelinę, co za tym idzie wymaga licznych i skomplikowanych uszczelek. A większa złożoność to większe koszty i dodatkowe elementy, które mogą zawieść.

Gęstość tlenu jest na tyle podobna do metanu i RP-1, że oba te rodzaje paliwa mogą być tłoczone do silnika z pomocą jednej turbopompy ze wspólnym wałem. W przypadku wodoru, potrzebna jest osobna turbopompa, znacznie większa i bardziej skomplikowana. (Ta notka jest i tak zbyt długa, żeby pisać o turbopompach i preburnerach więc przyjmijmy, że to dodatkowe elementy silnika, potrzebne by w odpowiedni sposób doprowadzać tlen i paliwo do komory spalania.) Czyli walczymy z przeciekami, które mogą doprowadzić do zapłonu mieszanki nie tam gdzie trzeba. Dodajemy kolejne układy, zabezpieczenia, komplikacje, których można uniknąć w silnikach napędzanych metanem lub RP-1.

Punkt wrzenia
Mówimy dzisiaj o rakietach napędzanych paliwami ciekłymi. Tak się składa, że stan ciekły jest czymś “oczywistym” tylko w jednym przypadku i jest to RP-1. Jego temperatura wrzenia wynosi bowiem 216 stopni Celsjusza. W przypadku metanu trzeba go utrzymywać w temperaturze około -162°C. To jednak nic w porównaniu z wodorem, który trzeba schładzać poniżej -250°C…

Wodór po schłodzeniu trzeba też utrzymywać w niskiej temperaturze, jeśli zacznie się gotować może rozsadzić zbiornik. Czyli potrzeba izolacji - kolejna komplikacja, kolejny ciężar. Tymczasem temperatura ciekłego tlenu i ciekłego metanu są na tyle zbliżone, że można używać wspólnej przegrody między zbiornikami. Pisałem o tym już tutaj. W Starshipie ciekły metan znajduje się nad zbiornikiem z tlenem. Metan na górze przy -180°C jest na granicy zamarzania, natomiast ciekły tlen poniżej przy -180°C jest na granicy wrzenia. Nad ciekłym tlenem formuje się warstwa gazowego tlenu, która działa jak dodatkowa izolacja.

Często mówi się próżni jako o czymś bardzo zimnym, ale to pewne uproszczenie. Próżnia jest przede wszystkim stosunkowo… pusta. A co za tym idzie, nie lada wyzwaniem w kosmonautyce jest pozbywanie się ciepła w przestrzeni kosmicznej. Ludzie, elektronika, powierzchnie oświetlone przez Słońce - wszystko to jest źródłem ciepła, któremu trudno jest gdzieś uciec. Dlatego nawet jeśli myślimy o kosmosie jako o miejscu mroźnym, utrzymanie wodoru w stanie ciekłym na orbicie może być trudne. Żeby nie było - z metanem też nie będzie lekko.


Podsumowując, to okrutnie uproszczone zestawienie… wodór jest bardzo kuszący, na pierwszy rzut oka. W kontekście współczesnej technologii nie wygląda już tak różowo. Ale to tylko rozważania kanapowego inżyniera (dosłownie tak się złożyło, że pisząc ten konkretny tekst siedzę na kanapie, a nie przy biurku). Możliwe, że przyszłość lub bardziej wnikliwe umysły sprawią, że to wodór przejmie prym. Nie będę narzekał, jeśli opracowane zostaną metody sprawnego pozyskiwania, przechowywania i wykorzystywania wodoru i tlenu. Szczególnie jeśli otworzy to przed nami układ słoneczny. Na ten moment jednak wydaje się, że decyzja SpaceX jest bardzo racjonalna, a osiągi ich silnika Raptor są naprawdę imponujące. A Raptory są wciąż ulepszane i rozwijane.