Technologie materiałowe. Przeszkoda w podboju kosmosu

SpaceX ma bardzo wysoką pozycję w branży kosmicznej. Rakiety Falcon 9 tylko w tym roku poleciały w kosmos już 62 razy, a łącznie mają na koncie 490 udanych startów. Tymczasem trzy ostatnie testy rakiety Starship, która mają być nadzieją ludzkości na podróże międzyplanetarne, nie zakończyły się po myśli konstruktorów. Loty na niską orbitę Ziemi opanowaliśmy już dość dobrze. Jednak Księżyc, nie mówiąc już o Marsie, choć odwiedzony przez człowieka kilkadziesiąt lat temu, ponownie wydaje się nieuchwytny dla załogowych misji.

Co jest przyczyną niepowodzeń SpaceX? Do rozmowy zaprosiłem Agnieszkę Myalską z Thorium Space i Stowarzyszenia Polskich Profesjonalistów Sektora Kosmicznego - ekspertkę od technologii materiałowych, a także Macieja Myśliwca ze Space Agency.

Największym rozczarowaniem jest dolny człon Super Heavy, który eksplodował podczas lądowania. Lot Starshipa trwał dłużej niż poprzednio, ale ponownie nie udało się wypuścić testowych satelitów (zacięły się drzwi luki towarowego), a podczas lądowania zawiódł system chłodzenia, co również skutkowało eksplozją.

To właśnie ochrona termiczna - kłopot natury materiałowej, jak i konstrukcyjnej - zdaniem Agnieszki Myalskiej jest największym problemem. - Osłona termiczna: 18 tys. heksagonalnych płytek ceramicznych, zaprojektowanych do wytrzymania 1400 stopni Celsjusza, nadal ma problemy z mocowaniem. Już 15 procent płytek utracono na etapie wynoszenia. System mocowania oparty na pinach (bez kleju) okazał się niewystarczająco odporny na wibracje i ciśnienie dynamiczne. Kłopotem jest też hot staging, czyli etap separacji członów - generuje on ciśnienie 8-10 barów i temperaturę przekraczającą 1000 stopni Celsjusza, uszkadzając zarówno osłonę termiczną, jak i silniki Raptor. Wersja druga Starshipa, choć lżejsza, jest bardziej podatna na deformacje - mówi ekspertka.

- Ekstremalne temperatury i gradienty temperatur, odporność na promieniowanie kosmiczne, zużycie materiałów przy wielokrotnym użyciu, ale i zmęczenie materiałowe (dla przykładu analiza 13 komór spalania wykazała, że miedź OFHC pęka po 15 cyklach termicznych) uniemożliwia wielokrotny użytek - dodaje.

Upraszczanie konstrukcji silników też nie odbija się od razu pozytywnie na rakiecie. Ekspertka zwraca uwagę, że "w silnikach Raptor zmniejszono liczbę części z 3000 do 1200, co zwiększyło awaryjność". Cel, jakim jest wielokrotny odzysk rakiety, wymaga lepszych niż obecnie materiałów. Ekspertka przytacza tutaj wyniki testów zmęczeniowych dla wykorzystywanego w silnikach stopu niklu i chromu o nazwie Inconel 718 - Traci 30 proc. wytrzymałości po 10 cyklach termicznych. Dla 100 misji Starshipa wymagane są materiały o 5 razy większej trwałości - wyjaśnia.

Agnieszka Myalska twierdzi, że branża kosmiczna nie docenia m.in. samonaprawiających się polimerów, aerożeli, grafenu i kompozytów węglowych z nanorurkami czy też opracowanego przez NASA kompozytu TUFROC, odpornego na utlenianie. - Ten ostatni produkt wykazuje według testów 50 cykli bez degradacji. Z kolei aerożel grafenowy stosuje już NASA w skafandrach, ale nie jest jeszcze wdrożony w Starshipie - mówi.

SpaceX chce wprowadzić do 2026 r. metalowe osłony termiczne, by wyeliminować problem odpadających płytek ceramicznych, ale nadzieją są też kompozyty ceramiczne węgla i węglika krzemu, które - jak mówi nasza rozmówczyni - "wytrzymują 1300 stopni C, a są o 40 proc. lżejsze od stali nierdzewnej". - Na razie jednak tylko 12 proc. branży wykorzystuje je w systemach napędowych - dodaje ekspertka. Skoro nadzieja na wyeliminowanie obecnych problemów istnieje, to pojawia się jeszcze jedno, kluczowe pytanie: czy można poddać kompetencje inżynierów SpaceX w wątpliwość?

Maciej Myśliwiec uznał je za przewrotne, ale podkreśla, że jest bardzo fair. Nie wątpi, że to świetni inżynierowie. - To niesamowicie zdolni ludzie, którzy wiedzą, jak projektować rzeczy, które potem naprawdę lecą w kosmos. Ale nawet najbardziej kompetentny zespół czasem się myli, a przy Starshipie, skali i złożoności, jest to w zasadzie nieuniknione. Branża patrzy na to z dużym szacunkiem, bo nikt inny tak otwarcie nie pokazuje, jak wygląda przemysł kosmiczny w budowie - mówi.

Podobnie twierdzi też Agnieszka Myalska, która dodaje, że "awarie podczas 9 lotu testowego przeanalizowano w 24 godziny dzięki algorytmom AI przetwarzającym 12 terabajtów danych telemetrycznych". Zauważa też, że pojawia się krytyka związana z przeciążeniem pracą - 68 proc. byłych pracowników skarży się na 70-godzinne tygodnie, prowadzące do błędów w dokumentacji technicznej - mówi.

Problemy ze Starshipem kładą się cieniem na projekcie HLS, lądownika księżycowego o dużej ładowności, a także każą zastanowić jeszcze raz na sensem rakiety NASA SLS przewidzianej przynajmniej na jeszcze dwie misje księżycowe Artemis. Zdaniem Agnieszki Myalskiej SLS na razie jest kluczowym systemem, ale po 2030 r. "wysoki koszt sprawi, że będzie wycofywany na rzecz tańszych rozwiązań". Wedle szacunków Starship może być nawet 200 razy tańszy przy założeniu, że start SLS to koszt 2 miliardów dolarów, a Starship docelowo mógłby startować w cenie około 10 milionów.

Trzeba oczywiście patrzeć się na te szacunki ostrożnie, ale niewątpliwie przyszłość SLS - jak dodaje nasz drugi ekspert - "jest uzależniona od tego jak szybko gotowy będzie Starship" bądź inna komercyjna "księżycowa rakieta". A tu nie musi być tak różowo, jak widzi to Elon Musk, który który ocenia, że już w 2026 r. pierwsza rakieta z robotami Optimus (budowane przez Tesla) ma szansę ruszyć na Marsa. Nasza ekspertka z Thorium Space twierdzi, że "szybkie tempo prac SpaceX pozwala na iteracyjne poprawki, ale wymaga jeszcze czasu i ewentualnie szerszej współpracy branżowej". Doprowadzenie Starshipa do pełnej gotowości operacyjnej może potrwać dłużej, niż pierwotnie zakładano - dodaje.

Problemy materiałowe, kłopoty z szybkim eliminowaniem usterek byłyby mniej dotkliwe, gdyby pojawiła się głębsza współpraca pomiędzy SpaceX i BlueOrigin. Nasza ekspertka widzi tu nadzieję w "wymianie technologii osłon termicznych czy wspólnych testach materiałów". Lecz obecnie, jak dodaje "Blue Origin i SpaceX unikają współpracy w zakresie silników BE-4/Raptor, co spowalnia postęp w technologiach wielokrotnego użytku". Konkurencja w obecnej formie zamiast przyśpieszać rozwój branży, spowalnia jej postęp. I dotyczy to nie tylko Elona Muska i Jeffa Bezosa, ale prawdopodobnie całej komercyjnej branży kosmicznej.

A nawet jeśli nie dojdzie szybko do takich zmian, zgoda FAA na 25 startów Starshipa rocznie nie jest nieuzasadniona. Elon Musk twierdzi, że firma musi uczyć się jeszcze szybciej, a to będzie oznaczało jeszcze częstsze testy. Ale i tak stawienie czoła kluczowym wyzwaniom, takim jak osłona termiczna, zdaniem naszej ekspertki zajmie  jeszcze około dwóch do trzech lat intensywnych prac.