В середине XIX века писатель-фантаст Жюль Верн написал книгу о путешествии на Луну. В романе три героя расположились в небольшом вагоне-снаряде, который запустили в космос с помощью гигантской пушки. Когда-то ученые всерьез рассматривали подобный способ освоения внеземного пространства, однако ни одна пушка не смогла «подкинуть» хоть какой-то груз даже на орбиту. Не смогли реализовать и другие полуфантастические изобретения, например идею космического лифта. Сегодня грузы и люди попадают в космос только на ракетах. Выясним, какое топливо для этого используется и какое, возможно, появится в будущем.
Как и в двигателе внутреннего сгорания автомобиля, в камере ракеты сжигается углеводородное топливо. В результате выделяется большое количество тепловой энергии.
Продукты сгорания покидают ракету в виде струи пламени, которое создает мощную тягу, разгоняющую космическую «машину» до нужной скорости. Таким образом движение пламени компенсируется движением самой ракеты: примерно по такому же принципу полетит бутылка с газировкой, если бросить в нее мятную конфету и быстро перевернуть горлышком вниз.
Современные российские ракеты-носители чаще всего летают на смеси керосина и жидкого кислорода — это одна из наиболее удачных комбинаций по физико-химическим и экологическим параметрам.
Для достижения первой космической скорости и выхода на орбиту Земли требуется много углеводородного топлива. Чтобы ракета подняла и разогнала саму себя, инженеры добавляют в ее конструкцию дополнительные «баки» (топливные ступени), которые занимают большую часть всей массы ракеты на старте. В полете по специально продуманной программе ступени отцепляются по мере опустошения и сгорают в атмосфере.
Все, что в итоге попадает на орбиту, составляет не более нескольких процентов от массы ракеты на старте. Для сравнения: масса бензина в полном баке типичного легкового автомобиля, наоборот, составляет несколько процентов от общей массы всей машины.
Для первой высадки человека на Луну ракету заправляли любящими холод кислородом и водородом. Холод нужен, чтобы газы оставались в жидком состоянии в момент взлета и в течение всего полета. Такая комбинация позволила достичь второй космической скорости.
Для недавнего запуска на Марс марсохода «Персеверанс» потребовалась более сложная и многоступенчатая система, а также несколько видов топлива.
Последние полвека ученые разрабатывают ядерные и термоядерные ракетные двигатели. Это позволяет добиться той же тяги при меньшем расходе топлива и снаряжать дальние космические экспедиции. Однако сами ядерные реакции сложнее реализовать и контролировать. Кроме того, непросто получить и нужное для подобных двигателей «горючее».
Одна из перспективных для космических перелетов ядерных реакций — превращение редких изотопов водорода и гелия, которым надувают воздушные шары, в другой изотоп гелия и протон — положительно заряженную частицу, составляющую атомных ядер. На Земле его почти нет, зато на Луне довольно много: существуют даже проекты лунных баз, где межпланетные космические корабли могли бы «заправиться» перед дальним полетом.
Для межзвездных путешествий перспективно выглядит технология солнечного паруса. Это тонкое зеркало большой площади: у созданных прототипов она достигает 15–20 квадратных метров. Космический аппарат раскрывает парус на орбите, свет Солнца или других звезд отражается от него и подталкивает корабль. В отличие от ядерных звездолетов прототипы солнечных парусников успели побывать в космосе и показали хорошие результаты.
Пока большинство проектов космического транспорта находится в разработке или на этапе теории, основным топливом для освоения внеземного пространства будут углеводороды.