Tehnologia aselenizărilor: bani, viteză, propagandă
Faptul că Statele Unite ale Americii aveau să fie prima națiune care să reușească aselenizarea s-a decis în primăvara anului 1945. Grupul de specialiști în rachete ai Germaniei naziste, conduși de Werner von Braun, se aflau situați în baza tehnico-militară de la Peene-münde, în nord-estul Germaniei, iar în ianuarie 1945 sovieticii se apropiau amenințător dinspre sud, amenințînd să le taie orice comunicație cu restul lumii. Într-o ședință generată și de ordine complet contradictorii primite de la conducerea Reich-ului, inginerii au decis ca, orice s-ar întîmpla, să se predea americanilor. Cu toate acestea, au executat unele dintre ordinele primite de la SS, care îi coordona la momentul respectiv: au ascuns o parte dintre documente în munți, iar ce se putea salva a fost îmbarcat într-un convoi care a traversat cu peripeții jumătate din Germania, pînă la Nordhausen, unde exista fabrica subterană de rachete Mittelwerk. În cele din urmă, von -Braun și apropiații săi au fost consemnați în sudul Bavariei, la Oberammergau; acolo, cu acordul gardienilor, au reușit să se deghizeze în civili și în cele din urmă să se predea trupelor americane. Peenemünde fusese deja capturat de sovietici, cu toți și tot ce mai rămăsese pe acolo.
Cele două superputeri rezultate în urma încheierii războiului, Uniunea Sovietică și Statele Unite, aveau să pună inginerii germani capturați foarte repede la treabă și să le ofere toate condițiile materiale să performeze, ceea ce, în ultimii trei ani de război, Reich-ul german nu le prea oferise. Era vorba, în primul rînd, de a inventa vehicule capabile să transporte pe distanțe mari și fără posibilitatea de a fi interceptate noile bombe nucleare. Iar abia în al doilea rînd – și cu scop mai degrabă propagandistic – era vorba despre aventura spațială a omenirii. Se aplica un principiu binecunoscut al singurei specii care lovește sau ucide din plăcere: întîi războiul sau lupta, apoi distracția sau „circul“.
Numai că „distracția“, de data aceasta, era al naibii de scumpă. Spre deosebire de rachetele balistice, suborbitale, al căror strămoș era racheta V-2 (de la Vergeltungswaffe, „arma răzbunării“) sau A 4 (Aggregat 4, sugerînd că inginerii nu-și doreau pedepsirea nimănui), punerea în orbita circumterestră a unor obiecte fabricate de om sau chiar evadarea din cîmpul gravitațional al Pămîntului erau mult mai dificil de realizat. Pentru orbita circumterestră, obiectul trebuie să fie accelerat pînă la o viteză denumită „prima viteză cosmică“, de peste 7,9 km/s; evadarea din cîmpul gravitațional al Pămîntului necesită depășirea celei de „a doua viteze cosmice“, de 11,2 km/s. Iar pentru călătoria pînă pe Lună, o viteză aproape similară este necesară. Mai mult, frînarea pînă la atingerea suprafeței selenare necesită, și ea, un consum de combustibil necesar decelerării cu o viteză de 2,4 km/s. Asta deoarece, Luna neavînd atmosferă, este imposibilă decelerarea unui obiect prin frecarea cu atmosfera, ceea ce se întîmplă în mod frecvent la reintrarea în atmosfera terestră a vehiculelor spațiale. După aceea, pentru plecarea de pe Lună, trebuia ca vehiculul să dezvolte, din nou, aceeași viteză pentru a se putea înscrie pe o orbită lunară. Deci, în total, trebuia asigurată o accelerare/decelerare de cel puțin 16 km/s.
Problema era, așadar, atingerea acestor viteze, în condițiile în care viteza de ejectare a gazelor rachetelor este mult inferioară acestor valori. Formula lui Țiolkovski, care se deduce la cursurile elementare de mecanică, dă viteza finală a unei rachete ca fiind viteza de ejectare a gazelor înmulțită cu logaritmul natural al raportului dintre masa inițială și masa finală a rachetei. Pentru amestecul combustibil cu cea mai mare putere de combustie specifică, amestecul de hidrogen și oxigen reacționînd ca să formeze apă, energia produsă de un kilogram de amestec este de 13,6 megajoule. Presupunînd că toată această energie se materializează în energia cinetică a gazului ejectat în mod uniform, unidirecțional, viteza de ejectare a acestui gaz ar fi cam de 5,2 km/s. În realitate, numai folosind geometrii speciale (și secrete) de construcție a camerei de ardere și a ajutajului de reacție, plus pre-compresia și injecția carburantului și comburantului, cu greu se pot obține viteze de evacuare (impulsuri specifice) mai ridicate de 3,5 km/s. Aceasta înseamnă deja că raportul dintre masa inițială și masa utilă (racheta fără combustibil plus vehiculul spațial, inclusiv echipajul), ajunge de ordinul a exp(16/3,5) ≈ 100 pentru o misiune lunară.
Acest lucru nu se poate realiza decît dezvoltînd rachete cu mai multe trepte. Pentru punerea în orbită joasă, două trepte ale unei rachete puteau fi suficiente, după cum au demonstrat primele programe spațiale cu capsule ocupate de oameni. Astfel, capsulele spațiale americane Gemini, lansate folosind rachete Titan II GLV, 154 tone la lansare, satelizează începînd cu 1965 o capsulă Gemini de 3,2-3,8 tone, cu doi astronauți. Racheta cu pricina era o dezvoltare a rachetei balistice intercontinentale Titan I. În continuare, aceasta este considerată printre cele mai economice lansări de vehicule în orbită. Sovieticii reușiseră, după cum se știe, încă din 1961 (Iuri Gagarin) să trimită misiuni umane în spațiul circumterestru în capsulele Vostok cu masa totală de 4,7 tone, folosind rachete cu două trepte, asistate și de boostere suplimentare cu combustibil solid. Însă trimiterea unei misiuni pe Lună era cu totul altceva.
De la handicap...
Statele Unite începeau această cursă cu un mare handicap. Sovieticii reușiseră trimiterea primului satelit artificial al Pămîntului în 1957, a primului om în orbita circumterestră în 1961 și a primului obiect înspre Lună, care ulterior a evadat în afara gravitației Pămîntului, devenind prima „planetă artificială“ (Luna-1, rebotezată apoi Mechta) în 1959. În 1967, sovieticii inițiau programul lor selenar Soiuz, însă aveau să renunțe după moartea lui Vladimir Komarov la misiunea Soiuz-1 și necazurile ulterioare la andocarea dintre Soiuz-2 și Soiuz-3. Aveau apoi să reconvertească programul Soiuz numai în zboruri circumterestre, iar navele Soiuz sînt folosite și în continuare; în același timp, să dezvolte programul de stații orbitale Cosmos, Saliut, Mir și – ulterior – Stația Spațială Internațională. Aceasta din urmă (417 tone) constituie cel mai masiv obiect pus vreodată în orbită de omenire pînă în prezent. Sovieticii trimit pe Lună în 1970 și 1973 roboții Lunohod cu misiunile Luna 17 și 21, recuperează mostre din solul lunar cu misiunile Luna 16 și 20 și cam la atît s-a rezumat, aparent, interesul Uniunii Sovietice privind atingerea satelitului natural al Pămîntului. De notat aici și că opt misiuni Luna ale URSS au fost ratate, cele mai multe pierzîndu-se în spațiu sau prăbușindu-se pe Lună.
Statele Unite rămîneau singure în cursa spre Lună, dezvoltînd un efort financiar și tehnic considerabil pentru atingerea acestui scop. Programul Apollo a costat în total peste 25 de miliarde de dolari în 1973, echivalent cu peste 120 de miliarde de dolari actuali sau, și mai concret, 2,5% din produsul intern brut (PIB) anual al SUA din acei ani. Spre comparație, costul estimat al unei misiuni cu oameni la bord spre Marte, cu întoarcerea echipajului, este estimat actualmente la cca. 500 de miliarde de dolari, același procentaj (2,5%) din PIB-ul anual actual al SUA. Spre deosebire de situația de acum, în anii 1960 atmosfera era cu totul alta. Omenirea aștepta cu nerăbdare să înceapă aventura spațială, catalizată fiind de producțiile SF și de space opera. Exista concurența cu -URSS și încă nu devenise clar că Uniunea Sovietică avea să renunțe la construcția unor misiuni spațiale de asemenea amploare. Războiul din Vietnam mergea prost și nu-i era încă nimănui clar că societatea capitalistă avea să se dovedească cel mai de succes model de guvernare. În toată lumea în curs de dezvoltare aveau loc revoluții de stînga, iar Europa avea să fie cutremurată de o puternică mișcare de contestare a valorilor capitalismului în 1968. Chiar și în Statele Unite, mișcările de protest de tot felul luau amploare. Sistemul capitalist și principalul lui promotor, administrația Statelor Unite, trebuiau să-și dovedească supremația.
O misiune Apollo, la lansare pe racheta Saturn V, avea peste 3000 de tone, dintre care, evident, cea mai mare parte o reprezenta combustibilul. Racheta Saturn V propriu-zisă avea trei trepte, toate funcționînd cu combustibil lichid. Prima treaptă, alimentată cu kerosen și oxigen lichid, propulsa racheta pînă la 62 de kilometri altitudine și-i imprima o viteză de peste 3 km/s. Toate celelalte trepte ale rachetei, modulul de serviciu sau modulul lunar funcționau cu amestecul cu puterea specifică cea mai mare, hidrogen și oxigen lichid. A doua treaptă a rachetei Saturn V propulsa vehiculul pînă la limita satelizării, iar a treia treaptă, fără să-și termine combustibilul, realiza satelizarea celui mai greu obiect pus în orbită pînă atunci de omenire, de peste 100 de tone. După cîteva revoluții pe orbită circumterestră și ajustări, combustibilul rămas în a treia treaptă a rachetei lansa spre Lună modulul de comandă și serviciu (ceea ce se înțelege îndeobște prin „nava Apollo“), împreună cu modulul lunar, care era situat într-un compartiment dintre treapta a treia și modulul de serviciu și care era preluat în „vîrful“ modulului de comandă.
Modulul de comandă, în formă de con, avea vreo cinci tone și jumătate și-i adăpostea pe cei trei astronauți, împreună cu instrumentele de bord. Modulul de serviciu, un cilindru în continuarea modulului de comandă, terminat cu ajutajul de reacție al principalului motor de propulsie, conținea rezervoarele de oxigen și de combustibil necesar pentru manevrele ulterioare: decelerare pentru înscrierea pe orbita lunară, reaccelerare pentru evadarea din cîmpul gravitațional al Lunii, decelerare la apropierea de Pămînt. Masa inițială a modulului de serviciu (cu tot cu combustibil) era de 24 de tone. Modulul lunar (16 tone) avea și el două trepte (modul de aselenizare și modul ascensional); primul permitea frînarea de pe orbită lunară și aselenizarea, precum și transportul echipamentelor care aveau să fie aduse pe Lună; iar modulul ascensional, mult mai mic, permitea decolarea de pe Lună, înscrierea pe orbită și manevrarea pentru ajungerea în preajma modulului de comandă și serviciu, în care astronauții se transferau pentru întoarcerea pe Pămînt. Luate împreună, din cele peste 100 de tone satelizate, circa 45 de tone erau lansate pe Lună, spre suprafața lunară pleca o navă cu o masă de 16 tone, iar de pe Lună se întorceau cei doi astronauți cu mostrele de acolo în modulul ascensional de cca. două tone, modul care era abandonat. Și modulul de serviciu era abandonat la apropierea de Pămînt, astfel încît doar modulul de comandă reintra în atmosferă.
În concluzie: din masa inițială de peste 3000 de tone se întorceau pe Pămînt vreo cinci tone, de 600 ori mai puțin; luînd împreună toate modulele despre care am discutat, ajungem la concluzia că au fost vreo șase trepte de rachetă necesare. Pare profund neeconomic, dar ne putem gîndi și că un om consumă, în întreaga sa viață, mîncare cu o masă totală de vreo 5-600 ori mai mare decît propria masă corporală (adultă). Fără să ajungă pe Lună și de foarte multe ori fără să-și dorească acest lucru.
...la supremaţie
La fel ca programul Soiuz, și programul Apollo a început cu o tragedie, tot în 1967, anul morții lui Komarov. În timpul testării la sol a modulului de comandă a misiunii Apollo 1, trei astronauți americani (Virgil I. Grissom, Ed White și Roger B. Chaffee) au pierit în timpul unui incendiu cauzat de multiple nereguli privind materialele utilizate în modulul de comandă. Au urmat, așadar, multiple teste fără oameni la bord, culminînd cu Apollo 4-6, care au testat pentru prima dată racheta Saturn V, manevrabilitatea modulului de comandă și serviciu, a modulului lunar. Apollo 7 a reprezentat prima misiune circumterestră cu echipaj uman, lansată fiind însă cu o rachetă mai mică, Saturn IB. Apollo 8 a fost prima misiune cu echipaj uman lansată cu Saturn V și a satelizat modulul de comandă și serviciu în jurul Lunii, după care cei trei membri ai echipajului au revenit pe Pămînt. Apollo 9 a efectuat aceleași manevre, dar echipată și cu modulul lunar, s-au efectuat teste de transfer al astronauților în modulul lunar și de manevrabilitate a acestuia. Apollo 10, în plus, a adus coborîrea modulului lunar pînă în vecinătatea suprafeței Lunii.
În fine, Apollo 11 a aselenizat pe data de 20 iulie 1969, aducîndu-i pe Neil Armstrong și Edwin Aldrin pentru prima dată pe suprafața satelitului nostru natural. Au urmat încă şase misiuni Apollo, dintre care cinci cu succes, excepția fiind Apollo 13. Ultimele trei misiuni au adus pe suprafața Lunii și automobile Lunar Rover, care le-au permis membrilor echipajelor explorări pe arii mai extinse. După 1973, toate celelalte misiuni lunare planificate nu s-au mai executat, din lipsă de fonduri. Sovieticii trimiseseră și ei doi roboți Lunohod și reușiseră să aducă de pe Lună mostre de sol. Războiul din Vietnam, și el, se apropia de final.
La 50 de ani de la începerea aventurii selenare, constatăm cu tristețe cum, după ce într-un interval de numai zece ani s-a putut avansa de la rachetele balistice Titan I la Saturn V, deci de la 105 tone la peste 3000 de tone la lansare, după un deceniu în care au fost folosiți peste 400.000 de oameni de știință, ingineri și tehnicieni pentru a contribui la „cea mai mare realizare pînă în prezent a speciei umane“, după toate produsele care ne-au influențat viața de zi cu zi rezultate în urma cercetărilor pentru misiunile lunare, de la oalele-minune sau tigăile neaderente la circuitele integrate și tehnologia criogenică, la un moment dat mai-marii planetei au decis că nu mai prezintă interes continuarea activităților spațiale. Însă cu războaiele au continuat.
Cristian Mihail Teodorescu este profesor la Facultatea de Fizică, Universitatea din Bucureşti, cercetător ştiintific la Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor şi preşedinte al Societăţii Române de Science Fiction şi Fantasy. Cea mai recentă carte publicată este romanul Senzoriada, Editura Nemira, 2014.
