Amikor Sir Isaac Newton a fejére esett alma okán megformázta a gravitációt, még nem sejtette, hogy egy végtelenül nagy, új világ előtt lebbenti fel a függönyt. S aligha gondolta, hogy ebben a világban mennyire másképpen mûködik minden a hétköznapi érzékeléssel megszokotthoz képest. Hogy az a szó odamegyek, mennyire más értelmet nyer a Föld drapériáján túl, a gravitáció birodalmában. Hogy a világûrbe csak vendégségbe járhatunk, s nem otthonként fogad be…Newton zseniálisan megsejtette, hogyan léphetünk át egy másik dimenzióba, ahol a földfelszín által meghatározott mozgástér kitágulhat. A nagy tudós abból a mindennapi tényből, miszerint ha az ember felmegy egy hegytetőre, és onnan köveket kezd dobálni és minél erősebben dobja a köveket, azok annál messzebb esnek le, arra a következtetésre jutott, hogy ha megfelelően erős a dobás, a kő soha nem esik le, hanem „körbeesi” a Földet. A földfelszínre számítva 7,91 km/sec az az elméleti érték, amelynél Newton kövei örök időkig hullnak alá, de sosem érnek földet. A tudomány első kozmikus sebességnek nevezi ezt az értéket. Ilyen sebesség mellett a Föld és a kő – vagy bármely, a Föld tömegéhez képest elenyésző test – olyan rendszert alkot, amelyben a ható erők pontosan kiegyenlítik egymást.
Van olyan viszonyítási rendszer, amelyben minden test nyugalomban marad, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást végez, míg egy külső erőhatás ennek megváltoztatására nem készteti – hangzik Newton I. törvénye. Csakhogy a Föld körüli pályán összefeszülő erők egyensúlya egyáltalán nem erők nélküli, sokkal inkább csak egy speciális helyzet. Közbeszól a gravitáció, ami az egyenes vonalakat nem különösképpen kedveli. Ahogy az égitesteket is gömb alakba rántotta össze még olvadt korukban, úgy az elhajított kőtől az ûrhajókig bezárólag a testek pályáját is elgörbíti. A Föld körüli pályán keringőkét ellipszis alakúra, a pályaelhagyókét pedig parabola alakúra.
Egyenes vonalon gyakorlatilag nem halad ûrhajó, helyette görbék mentén száguld égitesttől égitestig.
A Föld gravitációja csak azt engedi, hogy az ûrhajók pályagörbéje kissé kisimulhasson, tágabb görbévé válhasson. A Föld–Hold út kettős gravitációs hatása például S alakba hajlítja a két ellipszist, itt sincs szó semmiféle egyenesről. Így aztán hibát is vét az, aki az ûrben képzeli el Newton szó szerinti egyenes vonalú, erők nélküli egyenletes mozgását. És hibát vét az is, aki a Föld körüli pálya elhagyásához szükséges kezdősebességből és a Hold távolságából adódó hányadosként akarja kiszámolni egy holdutazás időszükségletét.
Milyen messze van a Hold?
Tizennégy óra vagy három nap
Az ûrbeli közlekedés sehogy sem hasonlít a körutak, sugárutak, autópályák alkotta megszokott rendre. Az ember fejében folyton a hihetetlen sebességek motoszkálnak. Ha másodpercenként majdnem 8 kilométert kell megtenni a pályán maradáshoz, akkor Magyarországot alig több mint egy perc alatt átszelhetnénk. Európához sem kell 10 percnél több. Általában mindössze másfél óra alatt legyőzhetők óceánok, kontinensek.
Ezen a gondolatmeneten végigfutva a Hold sincs tizennégy óránál messzebbre, Neil Armstrongék – és a többi Apollo ûrhajó(s) – viszont csak háromnapnyi út után ért oda. Még érthetetlenebbnek tûnik az ûrhajók vánszorgása, ha számításba vesszük, hogy a Hold vagy más égitestek eléréséhez nem is elég az első kozmikus sebesség, oda még gyorsabban kell elindulni. És ezen csak kicsit szépít, hogy nem egy egyenes mentén jutnak oda…
A Hold – és más égitestek – felé tartó ûrhajók először egy nagy lendülettel eljutnak a Föld körüli pályára, majd innen egy újabb sebességimpulzust nyerve iramodnak tovább a Naprendszer távolabbi részei felé. És pontosan ez a sebességimpulzus a bolygóközi szondák sikerének vagy bukásának kulcsa. A tudomány második kozmikus sebességnek nevezi azt a kezdősebességet, melyet az ûreszköznek el kell érnie, ha el akarja hagyni egy bolygó, hold, csillag gravitációs mezejét. A földfelszínről indulva ez a sebesség 11,19 kilométer másodpercenként.
Így repesztve még sokkal kevesebb idő kell messzire jutni – gondolhatnánk. Csakhogy…
A 400 ezer kilométerre lévő Hold elérése egészen más problémákat vet fel, mint a Föld körüli keringés. Newton I. törvénye a fonákjáról érvényesül egy holdutazáson. Itt a mondat második fele kap hangsúlyt: „…amíg más erőhatás nem éri”. Mert a Föld körüli, orbitális keringésből kiszakadni készülő test esetén – a hajtómûvek lekapcsolásának legelső másodpercétől – elvész a Föld körüli keringés erőegyensúlya és dominánssá válik a másik erőhatás, a gravitáció. A Föld gravitációja megpróbálja a szökevényt visszarángatni a bolygóra. Ha a földi startkor az ûrhajó nem éri el a 7,91 kilométeres másodpercenkénti sebességet, a gravitáció bizton győz, a hajó sebessége belátható időn belül nullára csökken, s visszazuhan a bolygóra… Ha nem sikerül a második kozmikus sebességet elérnie a már orbitális pályára ért ûrhajónak, sosem fogja legyőzni a Föld gravitációját. A gravitáció ellenszere a sebesség. Azonban ha elszúrják az adagolást, az ellenszer hatástalan marad.
A Föld tömegvonzása meglepően erős béklyó egy ûrhajó számára.
A Holdhoz elsőként induló Apollo–8 a földi kigyorsításkor 38 000 km/h-ra gyorsult, de mire a Föld–Hold rendszer gravitációs határvonalára ért, már csak alig a tizede sebességgel, 3600 km/h-val rendelkezett. Lendülete 90 százalékát felemésztette a gravitáció. Aztán a Föld–Hold távolság nagyjából 80 százalékánál a Hold vonzása vált nagyobbá, dominánssá, s az ûrhajó újra gyorsulásba kezdett…
Természetesen ami igaz a Föld– Hold rendszerre, annak igaznak kell lennie a Naprendszer, sőt az Univerzum egészére is. Így, egy a Naprendszer külső tartományába tartó bolygószondát nemcsak a Föld akarja visszatartani, hanem a történet egy sokkal hangsúlyosabb szereplője, a Nap is. Egy bolygószonda mindaddig lassul tehát, amíg be nem lép egy külső bolygó vonzási övezetébe. Ha befelé, a Nap felé tart az eszköz, akkor pedig a csillag hatalmas vonzása egyre gyorsítja.
Így aztán könnyen adódik a következtetés, hogy egy ûrutazás időbeli hosszát nemigen lehet a távolság és a kezdősebesség hányadosaként megbecsülni. Az ûrhajót oda-vissza ráncigáló gravitáció fura táncra készteti az emberiség eszközeit a bársonyfekete semmiben, az ûrszondák, ûrhajók sebessége egy út során oda-vissza változik, széles határok között.
Még ez az össze-vissza sebességváltozás is lehet a tudományt előrevivő erő. A legutóbbi idők egyik érdekes, és talán tudományos szenzációvá növő felfedezése a csillagközi szondák váratlan lassulása. A szondák rádiójelei
a Doppler-elv révén adatokat adnak a mozgásukról, legfőképpen a sebességükről. Húsz év telt el a Voyager
és Pioneer ûrszondák startja után, amikor bizonyossá vált: a csillagok felé tartó ûrhajók a számítottnál jobban lassulnak. Pontosabban: párezred kilométer per órával lassabban haladnak, mint ahogy azt a mérnökök előre kiszámították. A számítások hibáját nem találva csak olyan következtetés maradt lehetőségül, hogy a Naprendszer külső tartományai más fizikai jellemzőkkel bírnak, mint amit kevéske ismeretünkre alapozva tudtunk róla, vagy egész egyszerûen a gravitáció viselkedik szokatlanul. (Ez utóbbi lehetőség sem valaminő mesebeli csoda. Einstein a Merkúr bolygó nüánsznyi, ám megmagyarázhatatlan pályaháborgásaira is csak úgy talált magyarázatot, hogy megalkotta a relativitáselméletet és a tér-idő-kontinuumot. Napjainkban az atomi szintû fizika és a kozmikus szintû fizika kibékíthetetlen ellentmondásai látszanak meghaladni Einsteint, és kiáltanak új dimenziók iránt, amelyek létére, vagy nem létére pontosan az ilyen aprócska furcsaságok lehetnek a bizonyítékok.)
Miért nem érhető el a fal?
Arkhimédész útmutatása
A gravitáció más tréfákat is ûz a világûrbe merészkedőkkel. Az is furcsa, ha nem érezzük a jelenlétét. Aki azt gondolná, hogy a Föld körüli pálya egymással egyensúlyban szkanderező erői unalmas nyugalmat árasztanak, az téved.
Az a tény, hogy mi, földi halandók az erők egyensúlytalanságán alapuló rendszerben tengetjük mindennapjainkat idelenn a földfelszínen, az egyensúlyi környezetet különös vidámparki attrakcióvá varázsolja. Ha az úgymond súlytalanság állapotában leledző ûrhajós nem figyel, könnyen válik hajótörötté egy hatalmas ûrállomás fedélzetén. Ha a falaktól távol kerül nyugalmi állapotba, nincs tovább. Hiába nyújtózik a kezével a fal felé, a teste hátralendül, mert a tömegközéppontja ott akar maradni a semmi közepén. Hiába kezd kapálózni, biciklizni a lábaival, ezek mind nem segítenek, csak mulatságosak, mint a prérifarkas startja a gyalogkakukk után. A megoldás talán a legtöbbünknek nem jutna eszébe: le kell venni a pólóját és amilyen nagy erővel csak tudja, a falhoz vágni.
Newton akció-reakció törvénye szerint ez elég ellenhatást – pár centiméter per secundumos sebességet – vált ki, hogy a testét az ellenkező irányba lökje, a másik fal felé. (Persze napjaink ûrállomásain nehéz lenne vigyázatlannak lenni, nincsenek akkora terek, és mindig van egy arra lebegő társ, aki kisegíti az ûrhajótöröttet, meg a folyton keringetett levegő árama is lassan-lassan elsodorja valamelyik fal közelébe az ûrhajóst.)
De mi történik, ha nincsenek falak, csak a puszta, fekete világûr? Az ûrsétára vállalkozók a tudást illetően is
a semmibe merészkedtek egykor az ûrtörténet hajnalán. Az első pár ember, aki kitette a lábát az ûrbe, kis híján belehalt abba, hogy nem számolt a nagy angol tudós alapvetéseivel. Az még csak hagyján volt, hogy az ûrhajósokat a földi gravitációhoz szokott izmaik puskagolyóként röpítették tova az ûrhajótól, amikor elrúgták magukat a szabad lebegéshez – és csak a köldökzsinór segített, nehogy végleg másik pályára álljanak… Sőt, még talán az is bocsánatos volt, hogy az ûrhajósok segítségére kirendelt köldökzsinór is gonoszul viselkedett és sehogy sem akart olyan lenni, mint egy földi slag, amit egy-két rántással ráncba szed az ember.
De pillanatok alatt vérfagyasztó tapasztalássá vált, hogy hiába nyúlt valami után az ûrsétára vállalkozó, nem érte el sosem, mert a teste tömegközéppontja nem engedte oda.
A kényelmetlen érzésre, miszerint „meg akarok fogni valamit, de nem megy, arrébb akarok menni, de nem tudok”, görcsös erőlködés volt a természetes reakció. Az erőlködésre pedig a test válaszolt vészreakciókkal: emelkedő pulzussal, növekvő testhőmérséklettel! Gene Cernan, a világ harmadik ûrsétálója – és egyben az első, aki konkrét szerelési feladatot is kapott a puszta lebegés mellett – percek alatt került a halál közelébe abbéli erőlködésében, hogy eljusson a szerelés színhelyére, az ûrhajó nagyjából 6–7 méterrel távolabb levő részéhez. Ha a kezét mozdította, az egész teste csavarodott bele, ha a lábát, úgyszintén.
A mozgás a saját tömegközpontja körüli groteszk pantomimmé vált.
Mindeközben pulzusa elérte a 180-at és az ûrruhája elégtelen hûtése miatt saját akkumulálódó testhője kis
híján megfőzte őt. A tervezők még azt is elfelejtették, hogy a sisakja belsejét valamilyen párásodás elleni védőbevonattal lássák el, úgyhogy a lét határára küldött ûrhajós azt sem látta pontosan, mit csinál. Végül az egyébként tízmillió dolláros rakétaszék szerelését feladták, és egyetlen célt tûzött ki az irányítás Cernan – kabinban ülő – parancsnokának: akár élve, akár halva vissza kell hoznia társát. A visszahozott másodpilóta látványa döbbenetes volt, rákvörös, csapzott arc bújt elő a sisakból, már-már természetellenesen zihálva. Ezt látván a parancsnoka egy szigorú tilalmat hágott át és vizet permetezett társa arcába, hogy megmentse az ájulástól.
Még egy teljes kör – másfél óra – kellett, hogy Cernan szervezete visszanyerje egyensúlyát. Még két NASA-ûrhajós próbált megbirkózni az ûrbéli sétálással, de hasztalan, nem sikerült megvetniük a lábukat odafenn. Végül Arkhimédész sietett az ûrjárók segítségére Newton ellenében: „Adjatok egy szilárd pontot és kifordítom sarkaiból a világot!” Az ûrhajósok kezének, lábának kapaszkodók kellettek és amint a mérnökök felszerelték ezeket az ûrhajók oldalára, gyerekjátékká vált a semmiben való mozgás.
Ahogy Newton I. törvénye kissé váratlan módon mûködik odafenn, úgy a III. törvény is tréfákat ûz az ûrhajósokkal. „Ha egy testre egy másik test F erővel hat, akkor a második test az első testre ugyanekkora nagyságú, fordított irányú ellenerővel hat” – tartja a tudós felismerés. Ha beverem a fejemet a falba, a fal ugyanolyan erővel üt vissza? Hát ki érti ezt, akkor most duplán verem be a fejemet, és egyáltalán hogy tud visszaütni a fal? A földi érzékeink nem igazán úgy tapasztalják, mint ahogy Newton egykor leírta… az ûrkorszaknak kellett eljönnie, hogy e furcsának tûnő gondolat napi élmény-nyé váljon. Ám amint az első ûrhajó(s) elindult az égbe, máris jól jött Newton törvénye.
De milyen jól jött odafenn! Amikor be kellett tekerni egy csavart, vagy amikor ki kellett nyitni egy ajtót, máris megtapasztalta Newton bölcsességét. Az ûrben tényleg visszahatnak a tárgyak, ha erővel akarjuk rábírni őket valamilyen szolgálatra: az ûrhajós csak körözni tud a csavarhúzó körül a levegőben, ahelyett, hogy a csavar egy millimétert is mozdulna. És az ajtó is inkább magához rántja a kinyitóját, mintsem kinyílna. Ebben a szürreális világban csak tudatosan lehet élni a létet. A legegyszerûbb feladatmegoldásokhoz sem a szerszám kiválasztása az első lépés, hanem annak biztosítása, hogy a feladat végrehajtója rögzítve legyen, annak biztosítása, hogy a földi – az erőegyensúlyt negligáló – viszonyokat imitálják.
Egyenesen oda?
Csillagközi manőverek
Mielőtt azonban úgy tûnne, hogy az ûrben botorkáló ember végső mentsvára az ûrhajó, meg kell jegyeznünk: az első ûrrepüléseken az ûrhajók stabilizáltan bár, de valójában sodródtak pályájukon, utasukat kényük-kedvük szerint vitték, annak vajmi kevés ráhatása volt a történtekre. Az első ûrhajók a bátorság lélekvesztői voltak, sem mint jármûvek. Ahhoz, hogy azzá váljanak, a manőverezés képességével kellett ellátni őket… Keresztül-kasul járni az ûr semmijében, ez az ûrrepülések technikai végcélja, ám az elsők, akik megpróbálták, kudarcot vallottak. Az első manőverezésre tervezett ûrhajó az amerikai Gemini volt, de még nem sokat tudott felmutatni ebből a képességéből, csak amolyan rendszertesztként szolgált… a második Gemininek egy egyszerû precíziós manőver lett volna a feladata. Az ûrhajó legénysége szomorúan tapasztalta, hogy az egyszerû „odamegyek” végrehajtása is szinte lehetetlen vállalkozás. Az volt a feladat, hogy a Föld körüli pályára állás után a leválasztott – de szükségszerûen szintúgy pályára állt – utolsó rakétafokozattól az ûrhajónak előbb kicsit el kellett távolodnia, majd amilyen közel csak lehet, visszatérnie hozzá.
Az ûrhajó parancsnoka ugyan visszafordította az ûrhajó orrát a rakétafokozat felé, majd beindította a hajtómûvet, de a manőver végén úgy tûnt, mintha inkább távolodtak volna. Két további próbálkozás után nyilvánvalóvá vált, hogy valami nem stimmel: a kezdeti 100 méteres távolság 500 méterre nőtt, pedig folyton közelítő manővereket végeztek. Mindez azért történt, mert az ûrhajósok földi módon gondolkodtak, és úgy hitték, a világûrben is elegendő megcélozni valamit és egyenesen odamenni hozzá. Nem számoltak azzal a jelenséggel, amit úgy hívtak: pályaparadoxon. Egy ûrhajó bármilyen mûveletet is végezzen, a hajtómûvei vagy gyorsítják, vagy fékezik, azaz biztosan megváltoztatják a sebességét.
De a sebességváltozás az új dimenzióban nemcsak azzal jár, hogy lassabban jut az ember A-ból B-be, hanem azzal is, hogy lefelé vagy felfelé a pálya is megváltozik.
Ha egy ûrhajó gyorsul, azzal egyidejûleg pályájának földtávolpontja is magasabbra kerül, ha lassít, a pálya is lejjebb kerül. És ehhez társul a pályaparadoxonnak hívott jelenség. Eszerint az alacsonyabb pályán haladó ûrhajó – amely pályára lassítással lehet eljutni – rövidebb idő alatt kerüli meg a Földet, azaz gyorsabban halad a földi viszonyítási rendszerhez képest. Ugyanígy a magasabb pályán levő ûreszköz lassabban halad a földfelszín felett.
Ebben a furcsa helyzetben mosolyogni valóan naiv elképzelés volt az ûrhajó orrával célozni és a hajtómûvel lépegetni. A földfelszín két dimenziója helyébe három dimenzió lépett, valódi x-, y- és z-tengelyekkel, ahogy a nagy tudósok megálmodták… Tapasztalat híján a földi törvényszerûséghez szokott mérnöki fantázia nem adott megfelelő segítséget az elsőknek. Aztán rájöttek, hogy odafönn bonyolult manőverek szövevénye kell annak az elhatározásnak az érvényestéséhez, hogy „odamegyek”. Először nem is bízták a szemmértékre, az emberi ösztönökre, a mérnökök radarral és komputerrel támogatták meg az ûrhajólegénységeket – ám hamarosan sikerült kimódolni a kézi módszereket is a manőverezéshez. Igaz, csak a különleges módon kiképzett ûrpilóták alkalmasak mindmáig erre a feladatra.
Hova tûnik a hő?
Lépcsőjáró hazatérés
Miután sikerrel teljesítették az ûrhajósok feladatukat, lelassítják az ûrhajójukat és hazatérnek. Ezúttal is a gravitációra támaszkodva. Amikor az ûrhajón begyújtják a fékezőrakétákat, valójában kibillentik a szerkezetet a rá ható erőegyensúlyból és a Föld tömegvonzására bízzák magukat. A fékezés először is az ûrhajó pályájának földközelpontját jó alacsonyra viszi, ahol a sûrû légkör már jelentős hatást fejt ki rá.
Sokan úgy hiszik, hogy az ûrhajó visszatéréskor keresztülsistereg az atmoszférán, majd az ejtőernyőin aláereszkedik, esetleg siklórepülőként elvitorlázik egy repülőtérig. A helyzet azonban nem ilyen egyszerû, ahogy az ûrrepülés egésze az erők kötelén lejtett tánc, úgy a hazatérés is az. A gravitáció legyőzéséhez a startnál óriási energiákat kell befektetni, ezt az energiát hazafelé fel kell emészteni. Csakhogy az energiák és erők ilyetén tobzódását az ûrhajó szerkezetének kell elviselnie, hőenergia formájában. Méghozzá olyan mennyiségû hő formájában, amit még a lelemények ellenére sem tudnak a földi anyagok huzamosan elviselni. Kell még valami trükk, kell valamilyen kozmikus hûtés, ami segít az energiák levezetésében. Nos, a megoldás a következő lett. Az ûrhajókat légköri repülés tekintetében instabilra építették, azaz a hajótest súlypontja nem az ûrhajó tengelyére került, hanem kicsit arrébb. Ettől a légerők kissé himbálni kezdik a hajókat. A himbálózás pedig lépcsősre tördeli a röppályát. Amikor a légellenállás kilendíti a hajót a tengelyéből, az kissé aszimmetrikus lesz a repülési irányra nézve, azaz felhajtóerő ébred rajta a körülötte eltérő sebességgel áramló levegőben.
A felhajtóerő miatt a pályája megemelkedik, ez az emelkedés pedig lelassítja a süllyedést, lélegzethez juttatva a hőpajzs anyagát, amelynek így időlegesen kevesebb mozgási energiát kellett hővé alakítania, marad ideje lehûlni. A lassulás egyben megszünteti a felhajtóerőt, az ûrhajó visszabillen a tengelye körül és újra úgy kezd zuhanni, mint a kavics. Megint felhevül, megint elbillen, megint emelkedik, megint lehül és így tovább. Az ûrhajók, mintha csak lépcsőn másznának le az ûrből, a levegő lépcsőjén. Az ejtőernyő jóformán már csak egy díszlet, amelynek csak az utolsó métereket és az utolsó joule-nyi mozgásienergia-foszlányokat kell legyőzni.
Newton almája különleges világot tár elénk, s különleges próbatételek elé is állítja az embert az az erő, amely e világot uralja. Törvényei, hatásai meglepőek, sőt halálosak is lehetnek a vigyázatlanok számára. De a világûr pionírjai lassan igába fogják az erőket és hovatovább megszokott tevékenységgé válik az ûrjárás. Csak egy alma kellett hozzá. És rengeteg gondolkodással eltöltött idő. §
