Térugrás a garázsban

Elképzelhető, hogy a jövő űrhajóit és űrszondáit mozgató hajtóművek egy magyar találmányra épülnek majd. Az elektromágneses kölcsönhatás segítségével működő szerkezet alapjaiban változtathatja meg a hajtóművekről alkotott elképzeléseinket, ha sikerül piacképes termékké alakítani.

Miben különbözne a valódi űrharc a sci-fikben látottaktól?
Ha lesz valamikor csata a világűrben – ismerve az emberiség történelmét ez korántsem kizárható lehetőség –, kimenetelét nem a lézerfegyverek vagy a fantasztikus filmekben megszokott „védőpajzsok” technikai szintje dönti el, hanem az, hogy milyen hatékonyan manővereznek a harcban részt vevő űrhajók. A Csillagok háborúja című filmben a Birodalom legütőképesebb fegyverének, a Halálcsillagnak mindössze egyetlen gyenge pontját sikerült kifürkészniük a lázadók kémeinek (természetesen volt gyenge pontja). Ebbe a zsebkendőnyi lyukba kellett beletalálnia Luke Skywalkernek és az X szárnyú űrhajók alkotta vadászgépflotta többi pilótájának. Sokuk odaveszett a Tie-vadászokkal folytatott ádáz harcban. Csak úgy cikáztak a lézerek, és mindenhonnan a felrobbanó gépek hangja hallatszott.
A Csillagok háborúja klasszikus zárójelenetét nézve keveseknek jut eszükbe, hogy a valóságban hogyan is zajlana egy efféle űrcsata. Talán azért, mert a földi körülményekhez vagyunk szokva, így azt feltételezzük, hogy a világűrben is a légkörben megszokott hatások érvényesülnek.
Pedig korántsem. Már ott sántít az ütközetek ábrázolása, hogy a filmvásznon nem teljes csöndben történik az egész. Minthogy a világűrben gyakorlatilag vákuum uralkodik, nincsenek olyan részecskék, amelyek rezgésbe jöhetnének, továbbíthatnák az ionágyúk és a felrobbanó űrhajók dübörgését. Joseph Shoer repülőmérnök ennél tovább ment, és a Gizmodo internetes magazinban megjelent tanulmányában részletesen elemzi az űrbeli összecsapások valós lehetőségét.
Az űrben mozgó eszközök pályája pontosan kiszámítható, ha összegezzük a közelben lévő égitestek gravitációs tereit. A hosszú távú űrutazások előtt nemcsak az útvonalat, hanem az indulás pontos időpontját is meg kell tervezni. A Mars felé száguldó űrszondákat is csak meghatározott időablakokban érdemes indítani ahhoz, hogy az út ne nyúljon valószerűtlenül hosszúra, és végig elegendő legyen az üzemanyag. Ha tehát egy inváziós űrhajóflotta ellen szeretnénk védekezni, csak néhány irányra kell figyelnünk, és elég lenne a személyzetet is idénymunkában foglalkoztatni.
A gépek közötti űrharc sem úgy zajlana, ahogy elképzeljük. Egy csatában bizonyosan az jelentene taktikai előnyt, ha az űrhajók gyorsan haladnának, de talán még fontosabb, hogy gyorsan tudjanak irányt váltani és módosítani a sebességüket. Ez a két szempont a „hagyományos” üzemanyagokon alapuló hajtóműveknek kedvez. A hajtóanyagkészlet azonban véges, így – ahogy az Apollo-program esetében is – hirtelen manőverezőhajtómű-begyújtásokkal, majd egyenes vonalú sodródással kellene haladniuk az űrhajóknak. Ez pedig nem illeszkedik az általunk elképzelt mozgalmas jelenetbe.
Nem érnének sokat a robajló fegyverek sem. A földön a robbanások utáni tizedmásodpercben lökéshullám alakul ki. A hirtelen reakció folytán nagynyomású gázok szabadulnak el, gázhurrikán söpri el ellenségeinket. Az űrben, megint csak a vákuum miatt, bajosan alakulhatnak ki pusztító lökéshullámok, ezért a hangos robbanással járó találatok is inkább a drága energiát pazarolják. Sokkal célravezetőbb lenne, ha az űrhajók elektromágneses impulzusokkal próbálnák tönkretenni egymás érzékeny műszereit. Efféle sugárfegyverek már manapság is léteznek. Nagy hátrányuk azonban, hogy működésük láthatatlan, és ezen még a legmodernebb térhatású mozik sem segíthetnek.
Mindezek következtében az űrharc hosszú és unalmas dolog lenne: pályamódosítások, bonyolult manőverek, gondosan megtervezett és kiszámított lépések szükségesek, amelyek inkább a sakkhoz teszik hasonlatossá az összecsapást.

A Star Trek tudományos-fantasztikus sorozat negyvenéves története során sokat fejlődtek a forgatókönyvírók által kitalált űrhajók, egy technikai problémát azonban képtelenek voltak megoldani a hajók gépészei. A térhajtómű antianyag-alapú működését (ne kérdezzék, ez mit jelent) szabályozó dilítiumkristályok (ne keressék a periódusos táblázatban) ugyanis menthetetlenül elfogytak, ami beláthatatlan következményekkel fenyegetett. Így egy hosszabb küldetés során sok időt azzal voltak kénytelenek elvesztegetni, hogy sorra járták az ígéretes bolygókat dilítium után kutatva.
A kifogyó szabályozóvegyületek és hajtóanyagok problémája persze korántsem új, és korántsem csak a filmvásznon létezik. A repülésben és az űrhajózásban mindeddig alkalmazott hajtóművek, bár működési elveik eltérnek egymástól, egy dologban hasonlítanak egymásra. Működésükhöz olyan anyagra van szükség, amely az üzemelés során elfogy. A repülők esetében technikailag megoldható a légi utántöltés, az űrkutatásban azonban, legyen az folyékony, szilárd vagy gáz-halmazállapotú anyag, az űreszközöknek a teljes üzemidőre szükséges mennyiséget magukkal kell vinniük már a felszálláskor. Gondoljunk csak arra, hogy az űrsiklók indításakor ormótlan üzemanyagtartályt kénytelenek magukkal cipelni! Nem kell magyaráznunk, hogy egy hajtóanyagot nem igénylő hajtómű forradalmasíthatja az űrutazást. Erre már mások is rájöttek, hasonló szerkezet azonban mindeddig nem állt szolgálatba. Feltételezhetően azért, mert nem sikerült megoldani a felmerülő technikai problémákat.
Ez most talán megváltozik, méghozzá néhány magyar mérnök munkájának köszönhetően. Az általuk tervezett – és modell formájában már meg is épített – hajtómű segítségével.
– A hajtómű önmaga körül elektromágneses erőteret gerjeszt, amely kölcsönhatásba kerül az őt körülölelő közeggel, így relatív elmozdulás jön létre. A közeget alkothatják vízmolekulák vagy a levegőben lévő gázok molekulái is – mondja Szentesi János, az elektromágneses hajtóművet fejlesztő Faraday LH Kutatási és Fejlesztési Kft. alapítója.
Minthogy Newton III. törvénye alapján két test kölcsönhatásakor mindkét testre azonos nagyságú, de ellentétes irányú erő hat, a hajtómű elmozdul a közeghez képest. No de mi történik a világűrben, ahol gyakorlatilag vákuum van?
A feltaláló elmondása szerint a bolygóközi térben, bár valóban nagyon ritkák a fellelhető molekulák, a Napból érkező fotonok, illetve más elektromágneses sugárzások (anyaghullámok) jól definiálható fizikai jellemzőkkel rendelkeznek, és kölcsönhatásba tudnak lépni a hajtómű elektromágneses erőterével. Ellentétben a hagyományos hajtóművekkel, amelyekben – akár egy kályhacsőben – a hajtóanyagot gyorsítják, majd az onnan kilép a külső térbe, ezzel lökve előre a járművet, az elektromágneses hajtóműhöz nincs szükség külön hajtóanyagra, és nem is lép ki belőle anyag. A működéséhez szükséges elektromos energiát a napenergiából nyeri. Bár a napelemek hatásfoka még manapság is meglehetősen alacsony (a legjobbaké is alig éri el a harminc százalékot), ez egy bolygóközi térben mozgó űreszköz elektromos energiaforrásaként mégis bőven elegendő.
A magyar fejlesztésű hajtóműre távolról hasonlít az ionhajtómű működési elve, amelyet gyakran alkalmaznak távoli célpontok irányába, hosszú küldetésre küldött űrszondák meghajtására. Az ionhajtóművekben a hajtóanyag (amely általában nemesgáz, például xenon vagy hélium) részecskéit bombázzák elektronokkal, így ionizálva azokat. Ezután az ionizált gáz molekuláit két elektromos feszültség alá helyezett rács között, tehát elektrosztatikus térben gyorsítják. A molekulák felhő formájában hátrafelé kilépnek az ionizáló térből, és az űrszondát előretolják, olvasható a Wikipédián. E mechanizmus meglepően kicsi, 0,09 newton tolóerő létrehozására alkalmas, amely a földi gravitáció viszonyai közepette mindössze kilencgrammnyi tolóerőnek felel meg. Ez az erő egy hatszáz kilogramm tömegű űrszondát másfél nap alatt képes óránkénti hetven kilométeres sebességre felgyorsítani. A bolygóközi tér gyakorlatilag súrlódásmentes viszonyai között azonban – elegendő idő elteltével – mégis rendkívül gyors, óránként akár tízezer kilométeres sebesség is elérhető általa. A Deep Space–1 (Mély Űr–1) űrszonda volt az első űreszköz, amelyet ionhajtómű hajtott. A hajtómű teljesítménye 2,5 kilowatt volt.
Szentesi Jánosnak és munkatársainak nem az elektromágneses hajtómű az első olyan fejlesztése, amely nemzetközi figyelmet érdemelt ki. A kilencvenes években már európai uniós támogatást kaptak egy úgynevezett elektromos gömbmotor kifejlesztésére. A hajtómű elkészült, számos országban szabadalmi oltalom alá helyezték, mégsem lett belőle üzleti siker.
– Bár tíz-húsz kilométerrel nagyobb lett volna a hatótávolsága az akkoriban még gyerekcipőben járó elektromos autókhoz képest, ez az eredmény mégis szerénynek mondható. Nem tudtuk tehát a „gömbmotorral” megváltani a világot – mondja Szentesi. – Tulajdonképpen nem is az elektromos motorok hatásfokával van probléma, hanem az energiatárolás megoldatlanságával. Sajnos még napjainkban sem lehetséges nagy mennyiségű elektromosságot hosszú időn keresztül tárolni. Éppen ezért nem képes az elektromos hajtásmód széles körben elterjedni, felvenni a versenyt a robbanómotorokkal. Ehhez legalább kilencszáz vagy ezer kilométeres hatótávolságot kellene produkálni, amit az ismert energiatárolókkal véghezvinni illúzió.
A gömbmotor arra mindenesetre alkalmas volt, hogy a magyar fejlesztőkre felfigyeljenek amerikai kollégáik, Szentesi így a kilencvenes évek második felében számos amerikai fejlesztőcég műhelyébe nyert bebocsátást. Többek között megismerkedett a NASA egyik szakemberével, Richard Schriebmaierrel, aki együtt dolgozott Werner von Braunnal az Apollo-programon, és Harold Kaufman fizikussal is, aki az első ionhajtóművet tervezte a múlt század ötvenes-hatvanas éveiben. Schriebmaiernek mondta el először a hajtóanyag nélküli elektromágneses hajtómű ötletét. Az idős szakember akkor nem mondott semmit, mindössze egy félreérthetetlen mozdulattal, cipzárt imitálva a száján, jelezte, hogy szerinte erről még nem kellene beszélni, míg a fejlesztés előrehaladott állapotba nem jut.
Mára a fejlesztés olyan stádiumba jutott, hogy két – Szentesi János szóhasználata szerint – deszkapéldány sikeres tesztelése után megmutatták az eredményeiket a NASA egyik befolyásos tanácsadójának, Shaun Tinocónak. A deszkapéldány még nem egy teljes egészében működőképes modell, de a hajtómű működési elvének alapjául szolgáló fizikai összefüggések létjogosultságát demonstrálja. A fejlesztők egy garázsban függesztették föl a kis, csőszerű szerkezetet. Négyezer volt feszültséget kapcsoltak rá, a hajtómű ekkor elindult, így bizonyítottá vált a működőképessége. A technikai részleteket még most is féltve őrzik, annyira, hogy a szabadalmaztatási eljárást sem vállalják egyelőre.
A kutatás következő lépése egy újabb, teljes értékű, 2,5 kilowatt teljesítményű hajtómű megépítése lesz. (Emlékezzünk arra, hogy pont ennyi volt az első ionhajtóművel szerelt űrszonda, a Deep Space–1 hajtóművének teljesítménye!) Az eredeti tervek szerint a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivataltól pályázat útján elnyert 23 millió forintos támogatás terhére, a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetemmel és a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemmel együttműködve egy kis, deltoid alakú, pilóta nélküli repülőgépet építettek volna. Ezt egy kis gázturbinával a valós utasszállító gépek repülési magasságába, tíz–tizenkét ezer méter magasságba repítették volna föl, ahol az elektromágneses hajtóművet bekapcsolva tesztelték volna a működését. Az amerikai tanácsadó javaslatára azonban ettől elálltak. Véleményük szerint a hajtómű önmagában is piacképes termék, ezért most minden figyelmüket az elektromágneses hajtómű fejlesztésének szentelik.
Nem véletlen, hogy a tervek szerint a modellrepülőt gázturbina emelte volna föl a tíz kilométeres magasságba. A levegő sűrűsége és így a légellenállás ugyanis fönt jóval kisebb, ezért kisebb tolóerő kifejtése is elegendő a nagyobb sebesség eléréséhez. A nagy magasság másik oka a biztonság. A hajtómű, minthogy működése elektromágneses reakción alapszik, ionizálja a körülötte lévő levegő molekuláit. Ez az ionizáló sugárzás már egy modellnél is olyan erőteljes lehet, amely az egészségkárosodás kockázatát is felveti. Az elektromágneses hajtómű sugárzásának frekvenciája a röntgentartományba esik, így a vele való közvetlen érintkezés legalábbis kerülendő.