Abyste dostali náklad do vesmíru, potřebujete raketu. Raketa potřebuje palivo. Ale to palivo, je také náklad, takže potřebujete další palivo atd. Je na to tzv. Ciolkovského rovnice, z níž vychází 90 % celkové hmotnosti dnešní typické rakety na palivo, jen zbývajících 10 % na samotnou raketu a náklad. To znamená extrémní cenu každého kilogramu dopraveného na orbitu.
Společnost SpinLaunch tuhle rovnici obchází tím, že nákladu udělí vysokou rychlost hned na zemi – roztočí jej na rameni centrifugy uvnitř obrovského vakuového bubnu. Tak se malá dvoustupňová raketa vystřelí do výšky přes 70 kilometrů, až tam se aktivuje motor a v řídké atmosféře (na síle gravitace se mnoho nemění) snadno dopraví náklad, kam je potřeba. Katapult tedy nahradí celý první stupeň, který je na raketách zdaleka největší a velmi drahý.
Má to pochopitelně svá omezení – náklad musí být relativně malý (od kilogramových cubesatů po satelity o hmotnosti 200 kg) a odolnější než při konvenčních raketových startech. Nicméně trh pro takové řešení existuje a suborbitální testovací zařízení prokázalo životaschopnost konceptu:
Prvním testem teorií byl 12metrový katapult. To je ten, který leží na boku v laboratoři.
Druhý má průměr 33 metrů, celá konstrukce přesáhla 50 metrů. Stojí ve Spaceport America v Novém Mexiku a na fotkách jej poznáte podle exitového komínu, který směřuje přímo vzhůru. Suborbitální katapult zatím vystřelil projektil „jen“ kousek přes 7 km.
Cílem je orbitální katapult s průměrem bubnu kolem 100 metrů. To je obří zařízení opřené o kopec a skloněné k obzoru, aby projektil získal nejen výšku, ale také rychlost potřebnou pro kroužení po orbitální dráze.
Teď je SpinLaunch ve fázi konstrukce orbitálního katapultu. Jeho rameno bude mít 45 metrů, postupně se roztočí až na nějakých 450 ot./min, na náklad působí přetížení 10 000 G, rychlost projektilu po odpoutání je Mach 6 (tedy asi 2 km za sekundu, více než 7 000 km/h).
Srovnání všech tří katapultů a časový plán. Dnes už firma mluví o roku 2026 a i to experti označují za optimistický odhad.
Rozdíl mezi 33 metrovým a 100metrovým katapultem skvěle ilustruje srovnání projektilů.
Tři konstruktérské výzvy
Abyste mohli postavit konstrukci, která snese takový stupeň namáhání, potřebujete dvě klíčové věci:
1) Materiál pro rotující rameno. SpinLaunch se rozhodl pro kompozit z karbonových vláken a speciálního plastu. V poměru pevnosti a hmotnosti jde o nejlepší materiál na světě, který je možné vyrobit v dostatečném množství a zpracovat do požadovaného tvaru. Průřez ramene má u konce plochu čtvrt metru čtverečního, u osy jen něco přes půl metru čtverečního. Při výše uvedených rychlostech rotace bude rameno zatíženo až 100 000 tunami!
Ještě před pár lety by nebylo možné orbitální katapult zkonstruovat. Jednoduše neexistoval materiál, který by zvládl požadované síly.
2) Vakuum. Aby rameno mohlo rotovat popsanou rychlostí, nesmí mu překážet molekuly vzduchu, třením vznikající teplo by rameno zničilo. Na světě existuje hrstka velkých vakuových komor, využívají se v leteckém a raketovém průmyslu k simulaci vesmírného prostředí. Takové zařízení stojí desítky miliónů dolarů, SpinLaunch jej v případě 33metrového bubnu vyrobil o řád levněji – naštěstí totiž nepotřebuje absolutní vakuum jako při vesmírných testech. Nicméně 100metrový buben je úplně jiná inženýrská výzva…
3) Vibrace. Projektil i celé rameno musí být dokonale vyvážené a současně s projektilem se vypustí i protizávaží. I to je však problematické, musíte vymyslet, jak na zemi pohltit jeho energii. Do budoucna si SpinLaunch pohrává s myšlenkou dvojitého odpalu – s rozdílem půl otáčky by se postupně vypustily dva projektily. Nerovnováhu způsobenou půlotáčkou nevyváženého ramene prý systém zvládne.
Vlevo systém s protizávažím, vpravo odpal dvou projektilů.
Jak odpalem neztratit vakuum? No problem...
Zajímavé je, že SpinLaunch mezi největšími inženýrskými výzvami nezmiňuje hardware a software, který se při popsaných rychlostech rotace stará o vypuštění projektilu do exitového komínu. Patrně není až tak velký problém uvolnit náklad v tu správnou milióntinu sekundy (protože jakákoliv odchylka znamená destrukci katapultu.
Moment, kdy projektil opouští centrifugu exitovým komínem.
Úchvatný je i způsob, jak udržet vakuum uvnitř bubnu a dostat projektil ven. Na konci komínu 33metrového katapultu je blána dostatečně silná, aby ji neprotrhnul tlak vzduchu, přitom dostatečně měkká na to, aby skrz ni nerušeně proletěl projektil.
Moment, kdy projektil prochází blanou na konci exitového komínu.
Do 33metrového katapultu se po protržení blány nahrne vzduch. U 100metrového katapultu bude systém dvou záklopek (začátek a konec komína), které postupně propustí projektil, ale dovnitř pustí jen malé množství vzduchu a mírně tak naředí vakuum uvnitř. To je důležité do budoucna, kdy se plánuje několik odpalů denně – nebude nutné pumpovat obsah celého bubnu, ale pouze doladit tlak.
4× úsporněji, 10× levněji
Výsledkem toho všeho má být, že SpinLaunch doručí náklad na orbitální dráhu se čtvrtinou spotřebované energie a až 10× levněji, než to umí dnešní rakety. Alespoň tak to firma prezentuje svým investorům a partnerům. Jaká bude realita, záleží na tom, jak se povede vyřešit nastíněné technologické problémy (a kolik to všechno bude stát peněz).
Nicméně cesta k cíli bude ještě dlouhá. Mediální rušno kolem SpinLaunch bylo na podzim 2022, kdy se firma pochlubila úspěšným testem – 33 metrový katapult vystřelil projektil do 7 kilometrů. Ten stojí ve Spaceport America v Novém Mexiku, lokace pro 100metrový katapult se teprve hledá (pobřežní oblasti USA).
Pohled do vnitřností projektilu a moment, kdy po kinetické energii převezme štafetu energie chemická (zážeh raketového motoru).
Konstruktéři řeší technologické výzvy, management domlouvá budoucí spolupráce a shání investice, které umožní projekt dokončit. Na podzim 2023 firma posílila o „několik superstars vesmírného oboru“ a od května 2024 má nového CEO, kterým se stal exCOO David Wrenn. Datum prvního výstřelu z velkého orbitálního katapultu? Optimistický odhad zní na rok 2026.