Filmy science-fiction a nauka – czy da się to połączyć?

Większość osób interesujących się podbojem kosmosu jest jednocześnie fanami produkcji science-fiction. Co więcej, w bardzo wielu przypadkach to właśnie „Gwiezdne wojny” czy „Star Trek” zaszczepiły miłość do tego tematu. Tyle tylko, że gdy z filmu przejdziemy do rzeczywistości, zostajemy dość bezlitośnie odarci z marzeń o międzygwiezdnych podróżach. One są po prostu dla nas nieosiągalne. Czy kiedyś dorównamy wyobrażeniom filmowców, scenarzystów i pisarzy science-fiction?

Czas na eksplorowanie kosmosu!

Na dziś granicą tego, co zdołaliśmy osiągnąć w lotach załogowych, jest orbita Ziemi, no i okolice Księżyca. Poza nasz Układ Słoneczny dotarły wyłącznie bezzałogowe sondy naukowe. Twórcy filmów fabularnych, aby umożliwić widzowi takie albo jeszcze dalsze podróże, muszą posiłkować się wyobraźnią, choć trzeba przyznać, że czasem wspieraną np. przez fizyków teoretyków czy inżynierów.

Zajmijmy się więc na początek napędami najbardziej… efektywnymi… efektownymi… na pewno efekciarskimi. Napędami robiącymi coś, czego w rzeczywistości być może nigdy nie osiągniemy.

„Gwiezdne wojny”

To, co widzieliście przed chwilą, to jedno z najbardziej charakterystycznych ujęć z serii „Gwiezdne wojny” pokazujących wejście statku kosmicznego w hiperprzestrzeń. To jeden z najpopularniejszych wytrychów używanych do ominięcia ograniczenia narzucanego nam przez dziś znaną fizykę w postaci prędkości światła.

Wyjaśnijmy najpierw, o co z tą prędkością w ogóle chodzi. Każdy fan kosmosu marzy nie tylko o dotarciu na Marsa, do pasa asteroid czy księżyców gazowych olbrzymów, ale przede wszystkim o podróżach międzygwiezdnych, a może i międzygalaktycznych. Dopiero one mogą umożliwić nam zetknięcie się z przedstawicielami innych wysoko rozwiniętych cywilizacji.

Niestety, nawet jeśli pominiemy wszystkie problemy technologiczne, to na końcu zderzymy się ze skałą, albo z szybą w postaci nieosiągalnej dla niczego, co ma masę, prędkością światła. Co z tego wynika? Zacznijmy od podróży międzygalaktycznych.

Podróże międzygalaktyczne – co stoi nam na przeszkodzie?

Do naszej najbliższej sąsiadki, galaktyki Andromedy mamy jakieś 2,5 mln lat świetlnych. Żeby tam dotrzeć w sensownym czasie, np. w kilka lat, nasz statek musielibyśmy rozpędzić do prędkości bardzo bliskiej prędkości światła. Mówiąc bliskiej mam na myśli 99%, z wieloma dziewiątkami po przecinku. W opisie filmu znajdziecie link do kalkulatora, w którym możecie sobie czas podróży, zależnie od prędkości, wyliczyć.

Jeśli w tym momencie zastanawiacie się, jakim cudem mogę mówić o dotarciu na taką odległość, milionów lat świetlnych w kilka lat, muszę przypomnieć wam o panu Einsteinie, teorii względności i wynikającej z niej dylatacji czasu. Efekty relatywistyczne w takiej podróży powodują, że na statku kosmicznym minie kilka lat, ale na Ziemi będzie to już wspomniane 2,5 mln. Nie będzie więc raczej gdzie wracać, ani komu przekazać informacji. I nie pomoże nawet to, że galaktyka Andromedy i Droga Mleczna dość szybko ku sobie zmierzają.

Potrzebne jest więc rozwiązanie, które prędkość światła jakoś ominie, pozwalając jednocześnie uniknąć tak różnie biegnących zegarów, niezbyt wygodnych dla rozwoju fabuły.

„Interstellar”

I tu pojawia się „Interstellar” Christophera Nolana, do którego potężną cegłę dołożył noblista Kip Thorn. To dzięki niemu wizyta bohaterów filmu w innej galaktyce ma naukowe podstawy. Ziemianie do tej podróży nie potrzebują specjalnych napędów – wycieczkę umożliwia im tunel czasoprzestrzenny, który pojawia się w pobliżu Saturna.

Jest tu oczywiście kilka haczyków i gwiazdek. Po pierwsze, naukowe podstawy oznaczają, że nasz obecny stan wiedzy na temat fizyki słynnych wormholi nie wyklucza, ale też żadną miarą nie potwierdza. Po drugie, teoretyczne modele naturalnych tuneli są związane z czarnymi i białymi dziurami, a te drugie to wciąż niezweryfikowana hipoteza. Po trzecie, nawet w teorii stabilność i możliwości przebycia takich tworów budzą wątpliwości.

Są oczywiście pomysły mówiące, że taki tunel można stworzyć sztucznie, ale wymagałoby to egzotycznej materii, mającej ujemną energię i masę. Co jest na dziś kolejnym konstruktem teoretycznym. W filmie wybrnięto z tego w szczwany sposób, jego stworzenie scedowano na ludzkość z nieokreślenie dalekiej przyszłości. Ludzkość, która ma technologię dzisiaj dla nas nieznaną. No i temat załatwiony.

„The Expanse”

Z kolei w serialu „The Expanse” twórcy jako wytrycha użyli ringu z kontrolowanymi wormholami prowadzącymi do różnych rejonów Drogi Mlecznej. Jego powstanie wytłumaczyli przy pomocy filmowego McGuffina w postaci protomolekuły. Mrugają nam oczywiście od czasu do czasu okiem, sugerując że całość ma korzenie w teorii względności, ale ogólnie uznano, że zrzucenie za nie odpowiedzialności na obcych zamknie elegancko ten temat.

„Star Trek”

Znacznie lepiej z tematem ogromnych prędkości poradziła sobie kolejna z wielkich franczyz science-fiction, czyli seria „Star Trek”. Napęd typu Warp nie tylko nawiązuje do różnych hipotez związanych z dzisiejszą fizyką, ale stał się też natchnieniem dla Miguela Alcubierra do opracowania przez niego koncepcji napędu, który zamiast przekraczać prędkość światła manipuluje geometrią czasoprzestrzeni przed i za statkiem. Ten koncept przez pewien czas badano nawet w NASA.

Do uzyskania energii potrzebnej do takich zabaw używa się w serialu napędu Warp pracującego dzięki antymaterii, czyli rzeczy której używamy w praktyce już dziś, choćby w medycynie.

Oczywiście szczegółowe rozwiązania ze „Star Treka” traktują różne aspekty wspomnianych zasad i hipotez fizycznych często więcej niż frywolnie, dodają też do nich elementy zmyślone przez twórców od zera, jak choćby kryształy dilitu.

Śmieszne? No nie wiem. My o wszechświecie wiemy w sumie bardzo niewiele. Matematyczna strona teorii względności dopuszcza na przykład podróże w czasie, których przecież nie obserwujemy.  Potrafimy też wyjaśnić zaledwie 5% masy naszego wszechświata. Kto poważny da sobie obciąć rękę że gdzieś tam nie występują kryształy, które dzisiaj przywiezione na Ziemię może potraktowalibyśmy jak elementy magiczne?

„Serenity”

Chciałbym wam jeszcze opowiedzieć o napędzie statku „Serenity”, którego załoga przeżywała swoje przygody w fikcyjnym układzie planetarnym.

Jego napęd służący do podróży międzyplanetarnych wykorzystywał detonację ładunku termojądrowego na tyłach statku. Siła eksplozji odpychała statek, nadawała mu odpowiednią prędkość i gotowe. Dziwne? Nad podobnym pomysłem pracowano na Ziemi już w latach 50.

Co więcej, nasze plany były pod pewnymi względami nawet bardziej zaawansowane. Serenity wykorzystywała jedną eksplozję termojądrową, podczas gdy projekty Orion, Daedalus czy Longshot miały być napędzane w ten sposób impulsowo. Ogromne prędkości miały im zapewnić całe serie małych wybuchów.

Na jakiego rzędu osiągi liczono? Szacowano, że Orion, w którym za statkiem miano detonować klasyczne bomby nuklearne, mógłby wyciągać około 10% prędkości światła.

W projekcie Orion rozpoczęto nawet fizyczne testy różnych elementów potrzebnych do jego realizacji, choć oczywiście do zabaw z bombami nie wiedziano, jak się zabrać. Mimo to, do dziś wielu uważa, że taki atomowy Orion był możliwy do zbudowania już przy pomocy technologii z lat 60.–70. poprzedniego wieku i tylko wchodzący wtedy w życie układ o zakazie testów broni nuklearnej nas go pozbawił. Zbyt to chyba optymistyczne i nie biorące pod uwagę kwestii materiałoznawczych, ekonomicznych czy środowiskowych. Trzeba jednak przyznać, że twórcy statku i napędu „Serenity” poszli w niezłym kierunku.

„The Expanse”

„Serenity” i silniki detonacyjne wcale nie są tak bardzo fiction – przynajmniej jeżeli chodzi o zasadę działania. Kolejnym napędem, który warto omówić w części bardziej zbliżającej się do słówka „science” niż „fiction”, będzie napęd Epsteina z serialu „The Expanse”.

Tę produkcję, choć wprowadziła też wspomniany już ring i protomolekułę, fani kochają za realistyczne ukazania podróży międzyplanetarnych.

Silnik Epsteina pozwala na osiąganie około 7% prędkości światła i co ważne, pracuje w trybie ciągłym przez bardzo długi czas. Umożliwia to podróże ze stałym przyśpieszeniem, w awaryjnych sytuacjach nawet kilka razy większym niż 1G. Dlatego statki w „The Expanse” mają na pokładzie grawitację nie wymagającą odkrycia grawitonów czy używania wirujących modułów dla załogi.

Podróż wygląda tak, że najpierw przyśpiesza się przez połowę trasy, następnie odwraca statek i przez resztę hamuje. Zasada działania silnika opiera się na wywołaniu przy pomocy laserów fuzji jądrowej, a ciąg jest kształtowany i kierunkowany przy pomocy silnego pola elektromagnetycznego.

I co ciekawe, obie niezbędne technologie są już dziś rozwijane – elektromagnesy i pole magnetyczne są używane np. do wytwarzania ciągu w silnikach jonowych, budujemy też coraz lepsze elektromagnesy nadprzewodnikowe.

Z kolei o fuzji laserowej było ostatnio bardzo głośno, ponieważ w testach prowadzonych przez National Ignition Facility udało się uzyskać przy jej pomocy więcej energii, niż użyto do jej wywołania. Tak jakby. Zrobiłem o tym film, który możecie znaleźć na kanale Nauka. To Lubię.

Nie ma się co czarować. Choć nad tymi technologiami pracujemy od dekad i notujemy coraz większe sukcesy, wciąż daleko nam do stworzenia choćby prototypowego silnika tego typu. Wyzwania związane choćby z zarządzaniem ciepłem odpadowym takiego napędu są jedną z kilku rzeczy, które wciąż nas przerastają. Co więcej, nawet jeśli uda nam się to przeskoczyć, rzeczywiste silniki nie będą tak wydajne jak w serialu, a statki nimi napędzane nie będą tak zwarte i eleganckie.

Fuzja jest efektywna, ale nawet ta helowo-deuterowa emituje promieniowanie rentgenowskie i neutrony, których pole magnetyczne nie jest w stanie kontrolować. Choćby z tego względu rzeczywista „Rosinante” przypominałaby długie rusztowanie, wyraźnie separując część napędową od załogowej.

„Avatar”

Takie statki wyglądałyby podobnie do tego, jak zaprojektowano Venture Star z „Avatara”. S skoro już o nim mowa, to znaczy że na tapetę wjeżdża antymateria i żagle słoneczne, a właściwie fotonowe. To one stanowią kluczowe elementy głównego napędu statku, umożliwiającego mu szybką podróż do Alfa Centauri.

Jak taka hybryda miałaby działać? Ruszając z Ziemi, źródłem napędu statku byłby potężny ziemski laser, uderzający fotonami w żagiel o średnicy 16 km. Po rozpędzeniu statku do 70% prędkości światła, żagiel byłyby składany, a po kilku latach statek rozpoczynałby hamowanie przy pomocy silników na antymaterię. Powrót odbywałby się w odwrotnej kolejności, silnik na antymaterię rozpędziłby statek, a żagiel wyhamował go przed Ziemią.

Zacznijmy od antymaterii, Venture Star posiadał napęd, w którym energia anihilacji wytwarza klasyczny ciąg. To jednak nie jest takie proste. W wyniku zderzenia cząsteczki i antycząsteczki powstają bezmasowe fotony o bardzo wysokiej energii, czyli problematyczne promieniowanie gamma. W „Avatarze” w strumień takiego promieniowania wtryskuje się wodór, w wyniku czego momentalnie powstaje odpowiednio ukierunkowana wysokoenergetyczna plazma.

Co ważne, sam statek ma przemyślaną, zaprojektowaną zresztą przez naukowców, konstrukcję. Część mieszkalna i towarowa jest odseparowana od napędowej, a twórcy wyposażyli go też w potężne radiatory, rzecz kompletnie pomijaną przez większość twórców science-fiction. Tu nie dość że o nich nie zapomniano, to stanowią największy element statku.

Oczywiście cały koncept ma sporo uproszczeń i używa materiałów, które najwyraźniej są znacznie bardziej odporne, niż wszystko to, co dziś znamy. Są tam też rozwiązania budzące wątpliwości, jak choćby kwestia wydajności laserów czy skuteczność osłon statku przed różnymi przeszkodami, które może spotkać w czasie podróży. Z drugiej strony trzeba docenić, że twórcy o takich osłonach w ogóle pomyśleli. 

Głównym problemem jest jednak to, że taki napęd wymaga ilości antymaterii, o których dziś nie możemy nawet marzyć. Nie znaczy to, że nie staramy się jej już dziś wykorzystać. Istniejące projekty silników bywają wręcz błyskotliwe, choć… wciąż nie wiemy, czy realne.

Jednym z najciekawszych był nagrodzony w programie NASA NIAC projekt silnika firmy Positron Dynamics, który przy pomocy pozytonów powstających w wyniku rozpadu jednego z izotopów Kryptonu wywoływał fuzję deuterową. Niestety, od pewnego czasu o tym projekcie zrobiło się bardzo cicho.

Jeśli chodzi o żagle fotonowe, to takie urządzenia, oczywiście w nieporównywalnie mniejszej skali, już testowaliśmy. Co więcej, jeden z niewielu racjonalnych projektów wysłania sondy badawczej do układu Alfa Centauri wykorzystuje właśnie koncept żagla napędzanego laserami. Powstaje jednak pytanie, czy żagle zbudowane w skali wymaganej dla dużego, załogowego statku nie będą problematyczne. Przestrzeń kosmiczna jest prawie pusta, ale przy ogromnych powierzchniach to prawie, może zrobić dużą różnice.

Czy żagiel wytrzyma w całości taką podróż, czy stworzenie i rozwinięcie takiej struktury będzie możliwe? Przecież nawet dziś taka sonda Juice ma problem z rozłożeniem małego wysięgnika jednego z instrumentów, a sonda Lucy wciąż nie zatrzasnęła jednego z paneli słonecznych. A wszystko to nieporównywalnie prostsze mechanizmy.

Jak widzicie filmowe statki umożliwiające swobodne podróże do granic Układu Słonecznego i najbliższych gwiazd wciąż muszą wspomagać się „magią ekranu”, a ich koncepcje nawet, jeśli nie łamią zasad fizyki, wymagają wielu poważnych rewolucji technologicznych i naukowych. Skróćmy więc może naszą podróż jeszcze bardziej i lećmy tylko na Marsa i Jowisza.

„Odyseja kosmiczna”, „For All Mankind”, „Marsjanin”

Napędy, które zobaczymy w produkcjach science-fiction dziejących się w niedalekiej przyszłości, a czasem nawet w alternatywnej przeszłości, są wciąż bardziej zaawansowane od tego, czym realnie dysponujemy. Nie mniej większość proponowanych tam rozwiązań jest już w naszym bezpośrednim zasięgu.

Powiem więcej, gdyby nie drastyczne cięcia budżetu NASA z końcówki  XX wieku, zapewne części z nich już od dekad byśmy używali. Zarówno napędy Discovery One z „Odysei kosmicznej 2001”, jak i statki z trzeciego sezonu serialu „For All Mankind” używają termicznych silników nuklearnych, nad którymi prace rozpoczęły się ponad 60 lat temu. Te z serialu produkowanego przez Apple są pochodnymi silnika NERVA, którego prototypy istniały i działały na przełomie lat 60. i 70. zeszłego wieku, a który został zabity przez polityczne i ekonomiczne decyzje prezydenta USA Nixona.

Z kolei Hermes, statek z filmu „Marsjanin” poszedł inną drogą i używał silników jonowych o relatywnie dużym ciągu. Bazą dla nich był projekt silników o zmiennym impulsie VASIMR, który niestety z powodu niedoinwestowania wciąż jest w fazie prototypowej. Naukowcy NASA analizowali założenia dotyczące zarówno napędów, jak i trajektorii Hermesa i generalnie drastycznych odstępstw od realiów nie znaleźli.

Z Ziemi, o ile nie pojawi się jakiś geniusz na miarę Einsteina, który wywróci fizykę do góry nogami, jeszcze długo będziemy latać rakietami o napędzie chemicznym. Starship, jeśli SpaceX uda się go zgodnie z założeniami ukończyć, zrewolucjonizuje niską orbitę ziemi i okolice Księżyca. Jednak podbój Marsa i dalej wiązałbym już raczej z budowanymi na orbicie pojazdami hybrydowymi, łączącymi termiczne silniki nuklearne z silnikami jonowymi nowych generacji.

Co nam dają filmy science-fiction?

Wygląda na to, że zacząłem z grubej rury, roztoczyłem przed wami wizję podróżowania między galaktykami, a kończę na konkluzją, że jeśli w najbliższym czasie zaczerpniemy jakieś technologie z filmów science-fiction, to raczej będą to te, którymi powinniśmy dysponować już od lat.

Czy w związku z tym ten gatunek filmowy jest naukowo bezwartościowy? W żadnym razie! Science-fiction ma jeszcze jeden rodzaj napędu – napędza naszą wyobraźnię, kształtuje nasze marzenia i popycha wiele osób do prac nad możliwymi do realizacji projektami kosmicznymi.

Ludzie wychowani na „Odysei kosmicznej” wysłali prymitywną, bo prymitywną, ale pierwszą prywatną rakietę w kosmos. Ludzie wychowani na „Gwiezdnych wojnach” i „Star Treku” zrobili pierwsze odzyskiwane rakiety. W firmach New Space roi się od nazw nawiązujących do klasyki tego gatunku, NASA i ESA świętują Dzień Gwiezdnych Wojen, a po ISS latał sobie Darth Vader.

Science-Fiction, nawet jeśli czasem bardzo brutalnie obchodzi się z fizyką ma ogromny wkład i potencjał edukacyjny. A jeśli ktoś dzięki tym filmom zakocha się w kosmosie, to sobie te wszystkie nieścisłości i błędy później wyprostuje, co zresztą jest bardzo efektywnym sposobem nauki o tych nie zawsze prostych rzeczach.