איך טילים נעים בחלל אם אין שום דבר להפעיל עליו כוח?

איך רקטות נעות בחלל הריק, אם אין שום דבר לדחוף נגדו? זו שאלה שמבלבלת רבים, והתשובה קשורה לכדור באולינג, סקייטבורד, והחוק השלישי של ניוטון. בואו לגלות את העיקרון הפיזיקלי הגאוני שמאפשר לנו לטוס לירח ולמאדים.

היכולת של רקטות לנוע בחלל, מקום ריק מאוויר או כל תווך אחר לדחיפה, נראית במבט ראשון כמנוגדת לאינטואיציה. על פני כדור הארץ, כדי לנוע קדימה יש לדחוף נגד משהו - הרגליים דוחפות את הקרקע בזמן הליכה, הגוף דוחף את המים בשחייה, וגלגלי המכונית יוצרים חיכוך עם הדרך כדי להתקדם. אך בחלל, מדובר בריק כמעט מוחלט - ואקום. אין שום דבר לדחוף נגדו, ותנועה פראית ככל שתהיה לא תייצר תנועה נטו קדימה. אם תזיזו את היד קדימה, על פי החוק השלישי של ניוטון - לכל פעולה קיימת תגובה שווה והפוכה - שאר הגוף ינוע אחורה. אך כאשר תזיזו את היד בחזרה, הגוף יחזור למקומו ההתחלתי. כך שלא תהיה תנועה מצטברת.

אז כיצד בכל זאת רקטות נעות בחלל? כאן נכנסים לתמונה החוק השלישי של ניוטון ושימור התנע. מאחר שאין דבר לדחוף נגדו (למעט לחץ פוטונים ומספר זעיר של אטומים בחלל), רקטות חייבות להוציא מסה כדי לנוע בכיוון הרצוי. כפי שמסבירה נאס"א: "כאשר הרקטה פולטת את פליטת הגזים שלה, הפליטה גם דוחפת את הרקטה. הרקטה דוחפת את הפליטה אחורה. הפליטה גורמת לרקטה לנוע קדימה". הכלל הזה ניתן להדגמה גם על פני כדור הארץ - אם אדם עומד על סקייטבורד וזורק כדור באולינג, הן הוא והן הכדור ינועו בכיוונים מנוגדים. מכיוון שהאדם כבד יותר מהכדור, הכדור ינוע במהירות גבוהה יותר למרחק גדול יותר, בעוד האדם ינוע לאחור לאט יותר ולמרחק קצר יותר.

חשוב להבחין בין רקטה לבין מנוע סילון. מנוע סילון, כמו זה של מטוס, 'שואף' אוויר מהסביבה כדי לקבל את החמצן הדרוש לו לשריפת הדלק. רקטה, לעומת זאת, לא יכולה לעשות זאת בחלל הריק מאוויר. לכן, היא נושאת עמה את כל מה שהיא צריכה: גם את הדלק (כמו מימן נוזלי) וגם את המחמצן (כמו חמצן נוזלי). השניים מגיבים בתא בעירה, יוצרים פיצוץ אדיר, והגזים הלוהטים נפלטים בעוצמה מהנחיר.

כיום, מדענים בוחנים שיטות חלופיות להנעת חלליות, כמו מפרשי שמש או קרני אלקטרונים יחסותיות (Relativistic electron beam). קיימות בדיקות מבטיחות לשיטות הנעה חלופיות, אך ברוב המקרים אנו עדיין תלויים בהוצאה של מסה ובחוקי התנועה של ניוטון כדי לייצר תנועה בחלל. כפי שהזכרנו מנועי רקטות אינם דומים למנועי מטוסים או למערכות תנועה יבשתיות אחרות ולא תלויים באוויר החיצוני. בדומה למנועים בכדור הארץ, גם מנועי רקטה פועלים על בסיס בעירה. וכל בעירה זקוקה לחמצן, לכן רקטות נושאות מחמצן כמו חמצן נוזלי איתן אל החלל. כך הן אינן צריכות להסתמך על האוויר כמו מנוע רכב.

אז כיצד רקטות פועלות ללא אוויר חיצוני? כפי שמסבירה ד"ר קסנדרה מריון (Cassandra Marion), יועצת מדעית למוזיאון התעופה והחלל באוטווה: "הרקטה עדיין מחזיקה דלק - אם זה קרוסין, מתאן או מימן נוזלי - כדי ליצור תגובה. עיצוב הרקטה כולל תא בעירה, שבו המחמצן והדלק מגיבים, ואז נחיר ממנו יוצאים תוצרי הבעירה. הפיצוץ הנגרם מהבעירה יוצר גזים חמים מאד, שנפלטים מתחתית הרקטה. אם מייצרים מספיק כוח דחף מתחת לרקטה, התגובה היא תנועתה בכיוון ההפוך".

זהו יישום של החוק השלישי של ניוטון - שלכל פעולה קיימת תגובה שווה והפוכה. תרגום מוקדם מאנגלית משנת 1766 לספרו של ניוטון "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע" מנסח זאת כך: "לכל פעולה קיימת תמיד תגובה מנוגדת שווה: או שהפעולות ההדדיות של שני גופים זו על זו תמיד שוות, ומכוונות לכיוונים מנוגדים".

במילים אחרות, רקטות פועלות ביקום הנשלט על ידי כוחות. לעיתים כוחות אלו אינם מאוזנים - כמו בעת האצה של רקטה כלפי מעלה. ולעיתים הכוחות מאוזנים - כמו ספר שמונח על שולחן, או רקטה שממתינה לשיגור. כפי שמסבירה אנציקלופדיה בריטניקה: "לפי החוק השלישי, השולחן מפעיל כוח שווה והפוך על הספר. כוח זה נובע מכך שמשקל הספר גורם לשולחן להתעוות מעט כך שהוא דוחף חזרה כמו קפיץ דרוך".

יש לקחת בחשבון גם את חוקי המכניקה האורביטלית (Orbital mechanics). סביב כוכבי לכת גדולים כמו כדור הארץ, כל גובה אפשרי במסלול קשור למהירות מסוימת. הנקודה הגבוהה ביותר במסלול נקראת אפואפסיד והנקודה הנמוכה ביותר פריאפסיד. נאס"א מסבירה כי כדי להעלות את גובה האפואפסיד יש להפעיל מנועים (או להעלות אנרגיה) בפריאפסיד. ואם רוצים להנמיך, יש להפעיל מנועים ולהסיר אנרגיה באפואפסיד. הסיבה לכך היא שהוספת אנרגיה (הפעלת מנועים) בנקודה המהירה ביותר במסלול (פריאפסיד) מעלה את הנקודה הרחוקה ביותר ממנו (אפואפסיד).

האטמוספירה של כדור הארץ יוצרת גרר קבוע על לוויינים ותחנת החלל הבינלאומית, מה שמחייב להפעיל מנועים מעת לעת כדי למנוע מהם ליפול חזרה. לכן כל משימה שאינה במסלול גבוה במיוחד חייבת לשאת מספיק דלק כדי להישאר במסלול. "יש מדידות מדויקות מאד של כמה דלק יש לשים ברקטה, בהתאם לגודלה, לסוג הדלק ולכל דבר שתורם למסת הרקטה", אמרה מריון. על המתכננים להביא בחשבון גם את החוק השני של ניוטון, לפיו כוחות הפועלים על עצם מייצרים תאוצה, שתלויה במסת העצם.

לפני ששולחים כלי למסלול, יש להתחשב ב'דחף הספציפי' - מדד ליעילות הדלק, כלומר כמה דחף ניתן להפיק מכל יחידת דלק שנשרפת. נאס"א מציינת: "ככל שהדחף הספציפי גבוה יותר, כך מקבלים יותר תאוצה מכל קילוגרם של דלק".

אך הוספת דלק אינה תמיד פתרון. יותר דלק משמעו יותר מסה, מה שמעלה את עלות המשימה, שכן נדרשת יותר אנרגיה כדי לשגר את הרקטה מהקרקע. נאס"א נוהגת להשתמש במימן נוזלי וחמצן נוזלי, כי הם מספקים את הדחף הספציפי הגבוה ביותר. אך מימן הוא בעל צפיפות כה נמוכה, עד שאינו מעשי לשימוש בפני עצמו - המיכל שיידרש לו יהיה "גדול מדי, כבד מדי, ודורש בידוד קריוגני כבד מדי", לדברי נאס"א.

לכן משימות רבות לשיגור כוללות מאיצים. דוגמה היא מערכת שיגור לחלל (SLS) של נאס"א, רקטת עומק למשימות ירח, אשר מתוכננת להשתמש בשני מאיצים. יחד, המאיצים מספקים 75% מהדחף הנדרש להוציא את הרקטה מהקרקע.

ליעדים רחוקים יותר, סוכנויות החלל נוקטות יצירתיות. כדי לחסוך בדלק במסעות לכוכבי לכת רחוקים כמו צדק, חלליות לעיתים עושות "סיבוב" סביב כוכב לכת (כמו נוגה) ומשתמשות בכוח המשיכה שלו כדי לקבל תאוצה. כך מקצרים את זמן ההגעה ומפחיתים את כמות הדלק הנדרשת.

מקורות:

• קטעים מהמחקר- ?How do space rockets work without air מאת LiveScience שנכתב ע"י: Elizabeth Howell.

• קטעים מ- ?How Do Rockets Move In Space If There Is No Medium To Push Against מאת IFLScience שנכתב ע"י: James Felton.

• קטעים מ- ?How does a rocket work in space where there is no air to push against מאת Union University.