Félévszázada küszködünk az űrutazással. Lehet, hogy rakétáink felséges és erőtől duzzadó látványt nyújtanak, miközben egy tűzoszlop csúcsán száguldanak az ég felé, ezek a kémiai meghajtású behemótok azonban nem igazán felelnek meg a feladatra. Egy kisebb rakomány űrbe juttatásához is egy hatalmas járműre van szükség, ami egymás után dobálja le magáról a különböző fokozatokat, elképesztő kilövési költségeket eredményezve és kiölve magát az élményt az űrutazásból.

"Diák koromban, amikor ámulva bámultam a 2001: Űrodüsszeia űrhoteljeit, mindig feltettem magamnak a kérdést, miért nem válik mindez valósággá? Az űrkutatás csak egyhelyben toporgott" - mondta Kevin Parkin, a kaliforniai Carnegie Mellon Egyetem kutatója, aki egy teljesen új, mikrohullám-sugárral repülő rakéta megépítését tűzte ki célul maga elé.

Parkint saját kutatócsoportja és a NASA Ames Kutatóközpontjával megkötött együttműködési szerződés is segíti. A kooperáció legutóbbi gyümölcse egy 2 millió dolláros nagyteljesítményű mikrohullámforrás, amit elsődlegesen a hajtóműkutatásokhoz használnak. Parkin csapata egy másik partnert is megnyert magának az ugyancsak mikrohullámban gondolkodó Escape Dynamics személyében. Eközben a NASA Glenn Kutatóközpontjának és az USA Fejlett Védelmi Kutatási Projektek Ügynökségének (DARPA) mérnökei az elmúlt hat hónapot a "sugár-meghajtás" tanulmányozásával töltötték, többek között Parkin terveinek életképességét vizsgálva. A NASA még nem beszél az eredményekről, azonban egyértelmű, hogy a kilövési költségeket valahogy csökkenteni akarják, mint ahogy az is, hogy akinek a koncepciója kiválasztásra kerül, az megvalósíthatja álmait.

Elméletben egy mikrohullámú rakétákhoz nem kellenek fokozatok, a fénnyel repülő rakéták pedig olcsóbbak és rugalmasabbak lennének mai társaiknál. A kémiai hajtóművel rendelkező rakéták legnagyobb problémája, hogy üzemanyaguk és az oxidáló anyag jelentős súlyt képvisel, vagyis a tolóerő nagy részét maga a hajtóanyag felemelése emészti fel, a rakéta szerkezetére és a rakományra viszonylag kevés jut. Rengeteg szellemi tőkét ölnek bele a könnyebb rakéták tervezésébe, ez azonban nem segít az alapproblémán. "A kémiai rakéták hatékonyságának van egy fizikai korlátja" - mondta Dimitrij Celjakovics, az Escape Dynamics munkatársa. "Ez azt jelenti, hogy ezekkel a rendszerekkel képtelenség a kereskedelmileg életképes, olcsó és hatékony űrkutatás"

Lássuk az alternatívákat. Számos futurisztikus megoldásról számoltunk már be, az atomenergiával működő rakétáktól az szénnanocső kábeleken sikló űrfelvonókig bezáróan. Parkin gyakorlatilag az összest végig gondolta és egytől egyig el is vetette. "Némelyikhez egy adott időben több csodára is szükség lenne" - tette hozzá.

Az űrfelvonó például több hatalmas műszaki áttörést is igényelne, míg a nukleáris energiával hajtott rakéták biztonsági kockázatai, különösen, ha valami félre siklik kilövés közben, alighanem újabb atompánikhoz vezetnének. Egy régi elv ezeknél jóval valószerűbbnek tűnt. Az energiasugárzás ötlete az 1920-as években merült fel a rakéták egyik atyjától, Konsztantyin Ciolkovszkijtól. Egy külső energiaforrással táplált rakéta megoldaná a fentebb említett üzemanyag cipelési problémát. 1972-ben egy amerikai mérnök, Arthur Kantrowitz tovább fejlesztette az ötletet. Rájött, hogy hőképződés érhető el, ha lézersugarakat fókuszál egy rakéta külső részén elhelyezett különleges anyagra, ami a szilárd hajtóanyagot plazmává hevítené, melynek nagy sebességű kiáramlása jelentős tolóerőt generálna. Kantrowitz számításai szerint 1 kilogramm pályára állításához körülbelül 1 megawatt lézerenergiára lenne szükség.

Kisebb lézermeghajtású plazmarakéták már repültek is, ilyen volt a Rensselaer Műszaki Főiskola kutatója, Leik Myrabo által megépített "lightcraft", vagy fényhajó. Ez a szerkezet teljes egészben a Kantrowitz által leírt megoldás alapján működött, sőt bizonyos tekintetben annak továbbfejlesztéseként is értékelhető, mivel a légkörön belül még a géptörzset körülölelő levegőt is képes üzemanyagként használni, ezzel még inkább lecsökkentve a hordozandó üzemanyag mennyiséget. A lightcraft alján egy tükör helyezkedik el, ami az érkező lézersugarat fókuszálva több tízezer fokra hevíti a levegőt, létrehozva a kirobbanó plazmát, ezáltal a rakéta tolóerejét. 2000-ben Myrabo egyik modellje 71 méteres magasságig jutott, jelenleg ez a lézer meghajtású rakéták rekordja.

Mindazonáltal egy valós méretű lightcraft előállítása igen költséges lenne. A sorozatos, intenzív impulzusokból álló energiának egy impulzuslézerből kell érkeznie, ami különösen drága, magyarázta Jordin Kare, a seattle-i Lasermotive kutatója. Az 1980-as évek végén Kare a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium munkatársaként vizsgálta a plazmameghajtást. Akkoriban a szupererős impulzus lézerek az USA csillagháborús programjának köszönhetően realisztikus megoldásnak tűntek. Azonban amikor a hidegháború befejezésével törölték az űrfegyverkezési programot, Kare kénytelen volt rádöbbeni, hogy a katonai költségvetés nélkül nincs esély a technika fejlesztésére. Elkezdett alternatív megoldások után kutatni, végül rábukkant egy hőcserélő elvre.

Maga az elv elég egyszerűnek tűnik. A rakétát ellátjuk egy gáz, például hidrogén tárolására alkalmas üzemanyagtartállyal, valamint egy cső-, vagy csatornarendszerrel, amibe a gáz pumpálódik. A beérkező lézersugár felhevíti a csatornákat, a gáz kitágul, és nagy sebességgel kilövell, előre tolva a rakétát. Kare el is kezdte fejleszteni a hőcserélőt, egy idő után azonban kifogyott a pénzből. Tíz évvel később, Kare elvéről mit sem tudva, Parkin ugyancsak eljutott ehhez a megoldáshoz, egy különbséggel, ő a lézer helyett mikrohullámokban gondolkodott. "A mikrohullámok sokkal olcsóbbak" - érvelt választása mellett. A nagy energiájú mikrohullámú forrásokat, az úgynevezett girotronokat a nukleáris fúziós kutatásokhoz fejlesztették ki, az Ames által beszerzett girotron 1 megawatt mikrohullámú energia kibocsátására képes.

Parkin először 2005-ben készített mikrohullámú hajtóművet egy pár réztölcsér, egy 10 dolláros kerámiacső és egy sütőtől kölcsönzött mikrohullámú forrás bevonásával. A tölcsérek segítségével elkészült a mikrohullámok foglyulejtéséhez szükséges rezonancia kamra, amivel felhevítette az alumínium-oxid kerámiából készült csövön keresztülhaladó hidrogén gázt. A megoldás összességében működött, azonban hagyott némi kívánnivalót maga után. "Amikor az alumínium-oxid kerámia túl forróvá válik, olyan lesz az állaga, mint a rágógumié és egy hidrogén buborékot fúj" - mondta Parkin. Mindenki meglepetésére a kísérlet egészen 1700 Celsius fokig működőképes maradt és végül sikerült kipréselnie magából a forró gázsugarat.

Egy rakéta esetében a kiáramlás sebessége a legkritikusabb pont. Minél gyorsabb, annál jobb, vagyis annál több tolóerőt oszthatunk egy kilogramm hajtóanyagra. A NASA űrsiklóinak főhajtóműve például 4400 m/s kiáramlási sebességre képes, súrolva a kémiai rakéták képességeinek határát. Ennek továbbfokozásához több energiát kell beinjektálni a hajtóanyagba. Egy mikrohullámú rakétánál ez nagyobb hőképzést jelent, melynél a hajtóanyag megválasztása is sokat számít. A legjobb a hidrogén, könnyű molekulái bármilyen hőmérsékleten gyorsabb mozgásra képesek a többi elem molekuláinál. Egy kis módosítással Parkin kísérleti hajtóműve képes lenne 7000 m/s kilövellési sebesség elérésére, vagyis elméletileg lekörözhetné az űrsiklókat.

A gyakorlati megvalósítás persze koránt sem ilyen egyszerű. A fő problémát a gyorsan mozgó és egyre távolodó célpont jelenti, amit egy erősen fókuszált mikrohullámú sugárral kell táplálni. A rakéta célba vétele a sugárral nem okozna gondot, véli Parkin, hiszen a fedélzeten elhelyezett szenzorok folyamatosan tudják tájékoztatni a földi antennát a mikrohullámok erősségéről és a rakéta pozíciójáról. A problémát a sugár diffrakciója, elhajlása jelenti, melynek hatására a sugár nagy távolságokon már nem képes elegendő energiát biztosítani a rakétának. Minél nagyobb a sugár hullámhossza, annál gyengébb a hatásfoka. A diffrakció minimalizálható egy hatalmas tányér alkalmazásával, ami néhány méteres átmérőjűre koncentrálná a sugarat. Parkin számításai szerint egy 120 méteres tányér megfelelő fókuszáltságot biztosítana a sugárnak egészen a világűr pereméig. A sugarat kibocsátó létesítményhez azonban nem árt egy magasan fekvő, száraz lokáció, mint például a chilei Atacama-sivatag, meggátolandó, hogy a légkör vízpárája túl sokat nyeljen el a kibocsátott energiából.

A több méteres átmérővel rendelkező sugár megfelelő hasznosításához a befogadó járműnek is megfelelő kiterjedéssel kell rendelkezni. Parkin egy repülő szárnyhoz hasonló alkalmatosságra gondol, melynek egyik oldalát teljes egészében vékony hőcserélő lapokkal borítanák. A hőcserélő megvalósításához több anyaggal is kísérleteznek. "Jelenleg egy többcsatornás megoldáson dolgozunk, amit grafitból állítunk elő egy speciális mikro-megmunkálási technikával, így méretük mindössze egy hitelkártyáéval vetekszik " - mondta. Ezek egytizednyi energia, mindössze 20 kilowatt felhasználásával produkálják az első kísérlet eredményét. A teljes méretű alkalmazáshoz valószínűleg szénszálas anyagot fognak használnak, ami kiváló a mikrohullámok elnyelésében, miközben megvédi a csatornákat a légkörbe való visszatéréskor is, mivel ellenáll az oxidációnak.

A hardver kifejlesztése a Carnegie Mellon feladata, az Escape Dynamics virtuálisan, számítógépes szimulációkkal teszteli a prototípust. "Az év végére szeretnénk bizonyítani a koncepció működését, virtuális energiát sugározva a hőcserélőkre, hogy lássuk mennyire hatékony az energia átvitel" - mondta Celjakovics, aki szerint, ha minden a tervek szerint halad, 2012 végére már egy működő prototípussal állhatnak elő.

Parkin és Celjakovics számításai szerint egy kis mikrohullámú rakéta saját súlyának 15 százalékát lenne képes rakományként hordozni, ami jelentős a jelenlegi kilövő rendszerek 2 százalékával összevetve. Ez kilogrammonként 600 dolláros költséget jelent a különböző rakományok űrbe juttatásánál, miközben a legolcsóbb kémiai rakétáknál ez az összeg 10.000 dollár körül mozog. Ez számtalan új lehetőséget nyithatna meg az űrkutatás és az ipar előtt. Kereskedelmileg is életképessé válnának az űrben elhelyezett napenergia állomások, amik mikrohullámú energiát sugározhatnának le a Földre, bányászati expedíciók indulhatnának az aszteroida övbe, és akár az űrhotelek is megvalósulhatnának.

A sugár előállítása kis méreteken nem kifizetődő, egy nehézsúlyú kilövőrendszernél azonban már mindenképpen gazdaságosnak mondható. Mint fentebb is említettük, minél nagyobb a feljuttatandó objektum, annál kevésbé kell fókuszálni a sugarat. Mindezek ellenére a lézerről sem szabad megfeledkezni. "Mindkettőnek elég jók a kilátásai, szerintem azonban a lézer fog nyerni" - vélekedik Kare. "A lézer technológia nagyobb piaccal rendelkezik, mint a mikrohullámú, így itt folyamatosan csökkennek az árak"

Egyetlen hatalmas, speciálisan a célra kialakított, éppen ezért költséges lézer helyett használhatnának több kicsi, a kereskedelemben is kapható eszközt, érvel Kare. 2009-ben dobta piacra az amerikai IPG Photonics 10 kilowattos optikai szál (fiber) lézerét az ipari hegesztési és vágási alkalmazásokhoz. Sok ilyen eszköz összekapcsolásával megépíthető egy kilövő rendszer. Ehhez minden egyes lézerhez kell egy 1 méter átmérőjű tükör, melyek a hőcserélőre fókuszálják a sugarakat. Kare koncepció tanulmánya szerint 1000 ilyen egységgel 100 kilogramm rakomány állítható pályára, amit egy 29 méteres hajtóanyagtartállyal ellátott, nyíl alakú rakéta emelne a magasba, melynek alján egy 4 méteres sík hőcserélő kapna helyet. "Remélem, hamarosan elvégezhetek néhány hőcserélő kísérletet, mivel jó néhány kilowattnyi lézer áll rendelkezésünkre" - mondta Kare, aki tanulmányával ugyancsak elnyerte a NASA és a DARPA figyelmét, és akárcsak Parkin, ő is a finanszírozás elnyerésében bízik.

A NASA és a DARPA együttműködése Myrabo fényhajóját is vizsgálja, ami tervezője szerint - természetesen - nagyobb lehetőségeket rejt, mint Parkin és Kare járművei. "Nem szeretném ellenfeleknek nevezni őket - le a kalappal az erőfeszítéseik előtt - a hőcserélős rakétáknak azonban továbbra is magukkal kell hurcolniuk a hajtóanyagukat" - taglalta Myrabo. Mivel az ő gépe képes hajtóanyagként hasznosítani az emelkedéskor körülötte áramló levegőt, ezért csak az utolsó gyorsítási fázisban lenne szüksége fedélzeti hajtóanyagra. A lightcraft modell hiperszonikus szélcsatornában végzett tesztjei azt bizonyították, hogy a légbeszívásos üzemmód egészen az orbitális sebesség 40 százalékáig (10 Mach) működőképes. "Van egy repülő járművűnk, ami stabilan ül egy lézersugáron, mindössze az energiát kell felnagyítanunk "- mondta Myrabo.

A verseny győztese komoly finanszírozásra számíthat a NASA/DARPA együttműködéstől. Akármi legyen is az eredmény, talán Parkin tűnik a legmagabiztosabbnak. "Reményeink szerint egy-két éven belül 1 megawattal tudunk üzemelni, és egy évtizeden belül elkészíthetünk egy repülési demonstrátort is. A legfontosabb, hogy meggyőzzük az embereket, hogy nem vagyunk őrültek" - mondta.