Уявіть собі, що космічний апарат розганяється до шаленої швидкості по магнітній трасі, перш ніж відірватися від землі. Це не вигадка з фантастичного фільму, а реальна технологія, над якою працюють інженери — електромагнітна катапульта для запуску об’єктів у космос. Уже 2028 року приватна китайська компанія Galactic Energy планує випробувати перший у світі стартовий майданчик з електромагнітним розгоном ракет. Ідея використовувати магніти замість хімічних двигунів для подолання гравітації відома давно (так званий концепт mass driver, або мас-драйвер), але лише зараз розвиток технологій магнітної підвіски та надпровідників наблизив її до реальності.
Мас-драйвер: від фантастики до інженерних проєктів
Мас-драйвер (масовий прискорювач) — це загальна назва систем, які розганяють об’єкти за допомогою електромагнетизму. Концепцію мас-драйвера популяризував ще в 1970-х фізик Джерард О’Нілл як спосіб запускати вантажі з Місяця в космос без ракет. Уявіть собі довгу електромагнітну гармату на місячній базі, що «вистрілює» контейнери з корисними копалинами прямо на орбіту Місяця — фантастично, але фізично здійсненно завдяки низькій місячній гравітації та відсутності атмосфери. Мас-драйвер фактично є варіацією котушкового прискорювача (coilgun): низка котушок послідовно створює магнітне поле, яке розганяє капсулу з ферромагнітним або надпровідним сердечником. Досягнувши кінця напрямної, капсула вилітає у космос, а розгінний модуль (магнітна «гільза») повертається назад для повторного використання. Жодного згоряння пального — лише електрика і магніти.
Ідея мас-драйвера неодноразово з’являлася у науково-фантастичних творах та інженерних дослідженнях. Крім місячного застосування, пропонувалися проєкти і для Землі. Агенція NASA розглядала концепт MagLifter — відносно короткого магнітного треку, здатного розігнати важку ракету-носій до ~300 м/с перед запуском. Хоча MagLifter так і не був реалізований, розрахунки показали, що навіть такий приріст швидкості міг би зменшити масу першого ступеня на 20% і суттєво заощадити паливо.
Наступний варіант виконання — це проєкт StarTram, мабуть, один із найдетальніше опрацьованих мас-драйверів для Землі. Його автори (доктор Джеймс Пауелл, винахідник надпровідного маглева, та інж. Джордж Майс) запропонували будівництво гігантського маглев-треку завдовжки 1300–1600 км, який поступово піднімається вгору і виходить на висоту ~20 км. Всередині — розріджене повітря або вакуум, щоб уникнути аеродинамічного опору. По цьому тунелю на магнітній подушці має розганятися капсула зі швидкістю ~8 км/с (майже орбітальна швидкість). На виході з траси апарат уже матиме достатню кінетичну енергію, щоб вийти на орбіту, увімкнувши лише невеликі коригувальні двигуни. Розрахунки StarTram показали фантастичний результат: вартість виведення 1 кг вантажу могла б впасти до ~$50, тобто в 100–200 разів менше, ніж сьогодні. На жаль (а можливо, на щастя, з огляду на ризики), цей мегапроєкт поки що не отримав фінансування. Головні перепони — колосальні витрати, інженерні труднощі утримання довжелезної конструкції та питання безпеки (приміром, аварія на такій установці могла б мати дуже серйозні наслідки).
Сьогодні концепція мас-драйвера еволюціонує у бік гібридних рішень. Ніхто не пропонує одразу розганяти людей до орбітальної швидкості в трубі — це і технологічно важко, і для людини небезпечно через перевантаження. Зате розгін до помірних швидкостей, щоб допомогти ракеті на старті, здається цілком реальним. Це своєрідний компроміс: електромагнітна катапульта доповнює, а не повністю замінює ракету. Ракета менша, витрачає менше пального і працює в комфортніших умовах — значить, дешевша й довговічніша.
Принцип дії: розгін без тертя за допомогою магнітів
Як це працює? Електромагнітна катапульта поєднує принципи магнітної левітації (maglev) та лінійного електродвигуна. Об’єкт (ракета або капсула) утримується над трасою без дотику — на магнітній підвісці — завдяки сильним магнітам. Це усуває тертя коліс об рейки, яке обмежує швидкість звичайного потяга. Для левітації й руху використовуються надпотужні електромагніти на апараті та вздовж жолоба запуску: вони притягують або відштовхують один одного, утримуючи апарат у повітрі та водночас штовхаючи його вперед по напрямній. Фактично це гігантський лінійний мотор, де котушки-електромагніти розташовані лінійно вздовж траси і вмикаються послідовно. Швидке перемикання полярності котушок створює рухоме магнітне поле, що розганяє магнітну платформу з ракетою все швидше і швидше. Після розгону до потрібної швидкості платформа відпускає ракету, і та вилітає з напрямної за інерцією, далі вмикаючи власний двигун для підйому в космос.
Транспортний засіб рухається по центру напрямної. Навіть коли він нахиляється ближче до одного боку, магнітна сила, що діє між надпровідними магнітами, левітацією та направляючими котушки постійно тримає об’єкт у центрі напрямної. Магнітна сила заважає надпровідному маглеву врізатися в стінки напрямних і сприяє стабільній роботі. N та S символізують полюси надпровідних магнітів.
Безповітряний тунель. Оскільки кінцева швидкість запуску може бути дуже великою, інженери повинні врахувати опір повітря та ударні хвилі. За польоту зі швидкістю, більшою за швидкість звуку, атмосфера створює потужний опір і теплове навантаження. Один із підходів — будувати прискорювач у розрядженому тунелі (вакуумній трубі). Згаданий вище проєкт StarTram пропонував помістити магнітну трасу у вакуумний тунель, щоб уникнути звукового удару при гіперзвуковій швидкості ~8 км/с. Для більш помірних швидкостей (наприклад, Mach 1–2, ~340–680 м/с), які планують досягти в китайському проєкті, може вистачити й відкритої траси: ракета розганяється горизонтально до надзвуку, а тоді різко підіймається вгору. Таким чином більшу частину густої атмосфери вона вже пройшла по горизонталі з меншим лобовим опором.
Жодних вибухів на старті. На відміну від традиційного запуску, де вже на стартовому столі реве й палає ракета, електромагнітний розгін не потребує миттєвого викиду енергії через згоряння пального. Ракета може увімкнути двигуни лише коли досягне певної висоти та швидкості. Це означає значно тихіший та чистіший старт: електромагнітна система не створює гучного вибухового шуму і не продукує газів, поки ракета не запустить свій двигун уже після розгону. Менше акустичне навантаження і відсутність факела полум’я на початковому етапі також зменшують знос стартового майданчика і самого апарата.
Маглев vs ракета: економіка запусків
Ракета на рейках проти ракети на паливі. Традиційна хімічна ракета весь необхідний імпульс набирає за рахунок власного палива. Вона змушена нести сотні тонн пального й окисника, щоб подолати земне тяжіння, і більшу частину цього палива спалює у перші ж хвилини польоту. Наприклад, вартість виведення 1 кг вантажу на низьку орбіту зусиллями класичних ракет тривалий час становила близько $10 000 (хоча завдяки SpaceX ціна почала знижуватися). Електромагнітна катапульта може радикально змінити цю економіку. Розганяючи ракету за рахунок електроенергії з наземної мережі, система бере на себе найважчу ділянку роботи — розгін до надзвукової швидкості біля поверхні Землі.
Переваги такого підходу
Економія пального: ракета після «пострілу» з магнітної пушки продовжує політ уже з початковою швидкістю, і їй потрібно менше палива для досягнення орбіти. Значну частину пального, яку зазвичай витрачали на старт і подолання густих нижніх шарів атмосфери, можна виключити або зменшити.
Нижча вартість запуску: електрика коштує дешевше, ніж тонни ракетного палива. За оцінками інженерів StarTram, енергетична собівартість розгону 1 кг вантажу до орбітальної швидкості — лише близько $0,5 (менше ніж $1)! Звісно, це без урахування амортизації установки, але потенціал економії величезний. Навіть з урахуванням інфраструктури, прогнозована вартість доставлення вантажу мас-драйвером може скласти десятки доларів за кг, проти тисяч доларів у разі ракети.
Багаторазовість і часті пуски: сама електромагнітна траса є стаціонарною і багаторазовою. Її не треба будувати наново щоразу — достатньо зарядити систему і підготувати наступну ракету. Це обіцяє вищу пропускну здатність: можна виконувати запуски чи не кожного дня (теоретично — навіть кілька на день), що дуже привабливо для комерційних супутникових угрупувань. Для порівняння, класичні ракети потребують як мінімум кількох діб на підготовку, а то й тижнів, не кажучи про час на виробництво одноразових ступенів.
Менше зношення й обслуговування: двигуни ракети після магнітного розгону зазнають менших навантажень, адже їм не треба працювати на повну тягу з нуля. Це продовжує ресурс двигунів і знижує вимоги до міцності конструкції апарата. Крім того, відсутність вибухових навантажень на пускову установку означає менше витрат на її ремонт і обслуговування після кожного старту.
Ціна інфраструктури. Електромагнітний космопорт — це велетенський науково-технічний об’єкт, який потребує значних початкових інвестицій. Щоб розігнати космічний потяг до орбітальної швидкості, може знадобитися шлях завдовжки сотні кілометрів, оснащений тисячами котушок та потужною енергосистемою. Проєкт StarTram (який передбачав повністю безракетний запуск) оцінив вартість будівництва вантажної магlev-системи приблизно в $20 млрд, а пасажирської — до $60 млрд. Це величезні кошти, співмірні з багаторічними космічними програмами. Однак розробники наголошують: після побудови така система зможе запустити мільйони кілограмів вантажу, і середня вартість на один запуск стане надзвичайно низькою. Іншими словами, електромагнітна катапульта має високий поріг входження, але в перспективі може «відбити» витрати масовістю запусків.
Надпровідники: струм без опору
Ключовим технологічним елементом магнітної катапульти є надпровідники — матеріали, які за низьких температур проводять струм без опору. Саме надпровідники дозволяють створювати потужні магнітні поля без величезних теплових втрат, неминучих у звичайних електромагнітах. Розглянемо два типи надпровідників і їхню роль у подібних системах.
Низькотемпературні надпровідники (НТН)
Це класичні сплави на кшталт ніобій-титану (Nb-Ti), які працюють за температури близько 4 K. В японських швидкісних поїздах Maglev магніти з Nb-Ti, охолоджені рідким гелієм, створюють поле ~5 Тл* і дають змогу рухатися зі швидкістю 600 км/год. Для прокладання однієї лінії (Токіо — Нагоя) завдовжки приблизно 286 км потрібно було 850 тонн такого дроту. Концепція StarTram припускала тунель довжиною 1300–1600 км. Тож, у порівнянні з такими планами, 286 км — це, скоріше, «компактний» відрізок. Головна перевага НТН — перевіреність і надійність (їх використовують у МРТ-сканерах та прискорювачах частинок). Недолік — потреба в екстремально низьких температурах і дорогому гелії, що робить експлуатацію громіздкою й затратною.
Високотемпературні надпровідники (ВТН)
Це переважно керамічні матеріали, які надпровідні вже при ~77 K (температура рідкого азоту), що істотно спрощує охолодження. Китай експериментує з ВТН-маглев: прототип поїзда в 2021 році розвинув 620 км/год. ВТН можуть утримувати магнітне поле всередині (flux pinning), завдяки чому магніт і надпровідник «чіпляються» один за одного і можуть буквально левітувати без складної електроніки. Недоліком є крихкість та складність виготовлення довгих дротів, а також поки що висока ціна. Утім, уже 2021 року створили ВТН-магніт із полем 20 Тл та підтвердили його властивості у березні 2024-го, що свідчить про великий потенціал цих матеріалів. Ймовірно, саме ВТН стануть основою для майбутніх магнітних космодромів завдяки простішому охолодженню і здатності тривалий час утримувати потужні струми без значних втрат.
*Тл (тесла) — це одиниця вимірювання магнітної індукції (або магнітного поля) в системі СІ. Формально, 1 тесла — це таке магнітне поле, в якому на провідник довжиною 1 метр із силою струму 1 ампер діє сила в 1 ньютон.
Galactic Energy і пусковий майданчик 2028
Отже, повернімося до компанії Galactic Energy та її амбітного плану. Китай бачить у магнітних запусках шанс зробити стрибок у космічній галузі, отримавши перевагу над конкурентами. Проєкт, який веде Galactic Energy, передбачає створення електромагнітного стартового комплексу, здатного розганяти ракети-носії перед запуском. За даними публікацій в South China Morning Post та Interesting Engineering, магlev-платформа розганятиме ракету горизонтально до швидкості понад Mach 1 (вище швидкості звуку). Досягнувши надзвуку, ракета перейде у крутий набір висоти й увімкне власні двигуни, щоб продовжити політ у космос. Таким чином, найважчі секунди старту — подолання інерції спокою і звукового бар’єра — ракета проходитиме за рахунок зовнішньої електромагнітної сили, а не спалювання тонн пального. Очікується, що це зменшить витрати палива і навантаження на двигуни та конструкцію на 20–40% (точні цифри поки невідомі, але паливна економія прямо випливає з фізики процесу).
Економічна доцільність такого комплексу китайськими фахівцями оцінюється дуже високо. По-перше, зниження витрат пального і можливість використовувати меншу ракету означає дешевший кожен окремий запуск. По-друге, сама платформа з часом може забезпечити високу частоту стартів — швидше, ніж це робить зараз, приміром, SpaceX зі своїми багаторазовими ракетами). Не випадково у китайських медіа цей проєкт подають як потенційну відповідь SpaceX: поки Ілон Маск робить ставку на багаторазові ступені, КНР інвестує в наземну багаторазову систему розгону. Обидва підходи спрямовані на одне — здешевлення і прискорення доступу в космос, але підходять до проблеми з різних боків. Експерти зазначають, що якщо магнітний запуск справді вдасться реалізувати на практиці, це може викликати нову революцію в космічній сфері — адже з’явиться альтернативний шлях доставлення вантажів та, можливо, людей на орбіту.
На момент кінця 2024 року будівництво випробувального комплексу Galactic Energy перебуває на завершальній стадії. У команду залучені інженери з досвідом роботи в космічних агенціях, фахівці з магlev-технологій, електротехніки та матеріалознавства. Перші тестові запуски заплановані на 2028 рік. Можна припустити, що спочатку будуть здійснюватися суборбітальні випробування: розгін макета ракети або капсули до високої швидкості та її запуск на деяку дальність без виходу на орбіту. Це потрібно для відпрацювання систем керування, вирішення інженерних нюансів стикування роботи магнітної траси й ракетного двигуна.
Попри оптимістичні прогнози, інженерам Galactic Energy доведеться розв’язати низку складних задач. Одна з них — забезпечити синхронізацію роботи магнітів зі зростаючою швидкістю ракети з ювелірною точністю; будь-який збій може призвести до втрати контролю над апаратом. Друга — витримати колосальні перевантаження: під час електромагнітного розгону ракеті доведеться витримувати приблизно 6–8 g та аеродинамічний тиск при виході з напрямної на надзвуку. Це перевантаження зіставно з граничними перевантаженнями, які переживають пілоти «Формули-1». Хоча для безпілотних апаратів допускають і вищі перевантаження (до 10 g). Також потрібні потужні джерела енергії: одноразовий запуск вимагатиме імпульсу електроенергії в межах гігаджоулів (еквівалент вибуху кількох сотень кілограмів вибухівки, тільки контрольованого й електричного). Це означає наявність на місці або дуже потужної електромережі, або накопичувачів енергії (суперконденсаторів, СМЕС — надпровідних накопичувачів) для живлення катапульти. Нарешті, безпека: траса розгону, ймовірно, буде розташована у віддаленій пустельній місцевості, аби в разі аварії уламки не завдали шкоди населенню.
Якщо випробування пройдуть успішно, електромагнітна катапульта може стати частиною нової інфраструктури космічних запусків. Спочатку — як допоміжний засіб для виведення невеликих супутників або розгону верхніх ступенів. З розвитком технологій — можливо, як основа для повністю безракетних запусків вантажів на орбіту. Уявіть собі космодром майбутнього: з конвеєра сходять малі супутники, їх встановлюють у капсули й — кілька разів на день! — магнітна гармата відправляє їх у небо, де ті вже самостійно коригують орбіту. Це бачення ще потребує роботи та часу, але воно цілком відповідає напрямку, в якому рухається наука.
Електромагнітна катапульта на магнітній підвісці — приклад того, як поєднання різних провідних технологій (магнітна левітація, надпровідники, потужна електроніка) відкриває нові горизонти. Колись люди й гадки не мали, що поїзди зможуть літати над рейками на магнітному полі — сьогодні маглев-потяги — реальність. Тож чому б ракетам не прокотитися на магнітній рейці до зірок? Найближчими роками ми побачимо, чи виправдає себе ця смілива ідея. Якщо так — космічні подорожі стануть ще ближчими, частішими й дешевшими для людства. А магніти, можливо, увійдуть в історію як ті, що допомогли нам подолати останній бар’єр на шляху із Землі в космос.
