Мало кто задумывается об этом, но это факт - мы все живем в энергетической тюрьме.
Мы пленники на земле, нас манит множество мест во вселенной, но добраться до них мы не можем. Чтобы у нашего вида были долгосрочные перспективы придется сбежать из этой тюрьмы. И так, что же удерживает нас от побега? Оказывается мы задолжали вселенной и не можем расплатится за 4.5 милларда лет.
Энергетическая тюрьма
Все объекты во вселенной имеющие массу притягивают друг друга — это мы называем гравитацией. Чем ближе вы находитесь к объекту с большей массой тем с большей силой он притягивает вас к себе. Это явление делает нас пленниками земли, можно сказать что мы пленники в гравитационной тюрьме или колодце.
Это только образное выражение, но оно поможет нам понять как все устроено. В гравитационную тюрьму мы попали за долги и задолжали мы энергию, но как можно задолжать энергию? Дело в том, что объекты во вселенной не любят менять скорость и направление. Чтобы заставить их двигаться нужно затратить энергию.
Миллиарды лет назад из триллионов частиц пыли вращавшихся вокруг солнца гравитация сформировала нашу планету, в этом процессе участвовала энергия, которая и сформировала данный колодец. Чем глубже мы в этом колодце, тем больше энергии мы задолжали гравитации. И пока не удастся получить достаточно энергии вы не сможете его покинуть, чтобы вы не делали. Потому что ваши атомы когда-то были среди пыли, на транспортировку которой вселенная потратила энергию.
Давайте еще раз по порядку — объекты во вселенной не любят перемещаться, чтобы их сдвинуть нужна энергия. Гравитация использовала энергию, чтобы из частичек создать нашу планету — в итоге мы оказались заперты в гравитационной тюрьме. Чтобы сбежать из нее — нужно вернуть энергию, но как это сделать?
Побег из гравитационной тюрьмы
Чтобы попасть в космос нужно пройти сложную процедуру обмена энергией. Для этого нужны аппараты возврата потенциальной энергии отрицательного значения, их у нас называют скучным словом — «ракета». Топливо в ракетах загорается за счет самых сильных химических реакций, которые известны человечеству. Химическая энергия при этом преобразуется в кинетическую. В результате реакции происходит выброс вещества наружу и ракета отрывается от земли. Высвобождая много энергии мы повышаем свою гравитационную потенциальную энергию — это был сложный способ объяснить, но мы возвращаем гравитации долг. Но на самом деле все еще сложнее…
При сгорании топлива много энергии уходит в тепло, на выбрас газов и сопротивление атмосферы, а значит ее нужно больше. Но нельзя просто так сжечь больше радиоактивного, взрывоопасного топлива рядом с полезным грузом. Нужен контролируемый взрыв, что усложняет задачу и утяжеляет ракету, т. е. ее масса увеличивается.
Чем больше масса объекта, тем больше нужно энергии, чтобы его сдвинуть, а значит для взлета нужно больше топлива. Но чтобы вместить больше топлива, сама ракета должна быть больше, из-за чего ракета ставится еще тяжелее требуя больше топлива для которого нужна ракета больших размеров и так далее.
Это безумие остановится только тогда, когда масса ракеты станет в 100 раз больше массы полезного груза. При таком раскладе европейская ракета Ариан 6 будет весить 800 тонн и сможет доставить 10 тонн на переходную геостационарную орбиту или 20 тонн на среднюю околоземную. Но сила тяги у ракеты не бесконечна, поэтому вес с которым она может оторваться от земли ограничен. Если слишком ее нагрузить она просто не взлетит, так что просто увеличить топливные баки — не выход, таков диктат формулы Циолковского.
Выход в космос дело по умолчанию не простое и это не все неприятности. Недостаточно просто выйти в космос, на самой границе с ним оковы гравитации еще сильны и ракета может оттуда упасть. Остаться в космосе намного сложнее чем попасть туда, стабильного положения ракета достигнет только долетев до околоземной орбиты, а для этого нужно много кинетической энергии.
Значит нужно двигаться чрезвычайно быстро, на высоте 100 километров требуется скорость 8 километров в секунду, этих 28000 километров в час хватит чтобы облететь землю за 90 минут.
Есть одна хитрость, необязательно лететь вверх, можно лететь в бок. Земля это шар и если быстро лететь по кривой, то даже не смотря на то, что вы падаете на землю вы начиваете ее огибать. Как только окажитесь по ту сторону атмосферы на высоте около 100 километров вы сможете остаться на орбите.
Что и делает МКС — она постоянно падает на землю лишь иногда расходуя энергию, чтобы поддерживать скорость. Взгляните на орбиты со стороны, околоземная орбита до смешного близка к земле. За отправку спутника, скажем к другой планете придется отдать еще одну часть энергетического долга.
Сейчас самый сложный этап космических полетов это выход на орбиту. Например при запуске аппарата к марсу половина энергии уйдет на то, чтобы добраться до орбиты и всего половина, чтобы пролететь 55 миллионов километров до марса. Поэтому для большей эффективности ракеты не делают монолитными, у них несколько ступеней. От пустых баков нет пользы, поэтому их сбрасывают. По мере взлета ракета отбрасывает первую, вторую и прочие возможные ступени каждая из которых сама по себе полноценная ракета со своим двигателем и топливом.
Так вот выйти в космос задача не простая, если вам кажется что все это слишком сложно — не волнуйтесь, ведь это буквально целая наука.
