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/

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

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.