Konstantin Eduardovitsj Tsiolkovskij (1857-1935)

Av Erik Tronstad

Tsiolkovskij er en av romfartens store pionerer, og den første av dem. I mange sammenhenger omtales han som «romfartens far». Han ble født 17. september 1857 i landsbyen Ijevskoe, sydvest for Moskva i Russland. Til tross for at han allerede 10 år gammel ble omtrent helt døv etter en omgang skarlagensfeber, greide han å utdanne seg til lærer.

Nokså tidlig fattet han interesse for det å reise i rommet. Samtidig brukte han mye tid på å lese og lære seg mest mulig om samtidens naturvitenskap. I 1882 flyttet Tsiolkovskij til Kaluga, 170 km fra Moskva, der han hadde fått en stilling som lærer. Samtidig brukte han mye tid på å arbeide med ideer og problemer knyttet til raketter og romreiser.

Alt på slutten av 1800-tallet lanserte han flere av ideene og prinsippene som ligger til grunn for moderne romvirksomhet. Disse beskrev han, behandlet matematisk og beviste med dette verktøyet at romferder er mulig.

I 1883 skrev han om prinsippene for en rakettmotor med regulerbar skyvekraft. Et par år senere skrev han en bok der han forutså byggingen av satellitter.

Etter mange års arbeid skrev han i 1903 det klassiske verket Utforskning av verdensrommet ved hjelp av reaksjonsapparater. («Reaksjonsapparater» er det vi i dag stort sett omtaler som «rakettmotorer».) Der ga han en nøyaktig beskrivelse av vektløshet. Han utledet også likninger som beskriver hvordan raketter vil bevege seg i vakuum. Videre viste han hvorfor det er nødvendig med raketter til utforskningen av rommet, foreslo å bruke raketter med flere trinn og gikk inn for å bruke væskemotorer (rakettmotorer som benytter flytende drivstoff).

Tsiolkovskij var den første person vi kjenner til, som foreslo å bruke flytende drivstoff i rakettmotorer. Ikke bare det, Tsiolkovskij foreslo til og med å bruke en kombinasjon av hydrogen og oksygen. Det er en av de mest effektive kombinasjonene av kjemiske drivstoffer som finnes.

Den store betydningen av Tsiolkovskijs arbeid kan nedfelles i fire grunnprinsipper, som han formulerte:

1. Prinsippet om kraft og motkraft er nøkkelen til å oppnå fremdrift eller akselerasjon i vakuum. Alt Isaac Newton (1642-1727) hadde formulert prinsippet om kraft og motkraft. I 1813 brukte William Moore innfløkt matematikk for å vise at en reaksjon skyldes en aksjon, og ikke at noe «skyver» mot luften rundt, slik mange ennå trodde. I sine arbeider utnyttet Tsiolkovskij til fulle prinsippet om aksjon og reaksjon, eller kraft og motkraft, som det også uttrykkes.
2. Et mål for effektiviteten av en rakettmotor. Tsiolkovskij innså at forskjellige typer rakettmotorer vil ha ulik effektivitet og betydningen av å ha et mål for hvor effektiv en gitt rakettmotor er. Hvor effektiv en rakettmotor er, angis ved det som kalles spesifikk impuls. En måte å definere spesifikk impuls på, er å angi hvor mange sekunder en rakettmotor kan være i virksomhet, med en gitt, konstant skyvekraft og en gitt, bestemt mengde drivstoff. For eksempel hvor lenge en motor kan brenne med en skyvekraft på én newton når den har til disposisjon en drivstoffmengde på ett kilogram. Jo lenger den kan brenne, jo mer effektiv er den.
   Frem til slutten av 1800-tallet, da Tsiolkovskij lanserte mange av sine ideer og teorier, var svartkrutt det eneste kjemikaliet som var blitt brukt i raketter med noe hell. En rakettmotor basert på svartkrutt har en spesifikk impuls et sted i området 45-70 sekunder. Nøyaktig verdi avhenger av temperatur og trykk på gassene i forbrenningskammeret.
   Tsiolkovskij må ha innsett at svartkrutt er et håpløst lite effektivt rakettdrivstoff. Han fant ut at en rakett må opp i en hastighet på nesten 8 km/s, for å kunne gå inn i jordbane. Svartkrutt er uegnet til å oppnå dette.
   Under oppskyting bruker den amerikanske romfergen to faststoffmotorer på siden av den utvendige drivstofftanken og tre væskemotorer bak på selve romfergen. Faststoffmotorene har en spesifikk impuls på 237 sekunder ved havoverflaten og 269 sekunder i vakuum.
   Den høyere spesifikke impulsen i vakuum skyldes at en rakettmotor er mer effektiv der, fordi eksosgassene ikke må «dytte unna» omkringliggende luft, slik de må nede i jordatmosfæren.
   Romfergens hovedmotorer, som forbrenner en kombinasjon av flytende hydrogen og flytende oksygen, har en spesifikk impuls på 363 sekunder ved havoverflaten og 452 sekunder i vakuum. Som nevnt var Tsiolkovskij inne på tanken om å bruke nettopp hydrogen som brensel og oksygen som oksidsasjonsmiddel.
3. Bruke rakettmotorer med høy spesifikk impuls, og at det oppnås ved passende valg av drivstoffer. Tsiolkovskij var den første til å formulere rakettlikningen. Den sier at hastigheten en rakett kan oppnå, avhenger av hastigheten på eksosgassene fra rakettmotoren. Tsiolkovskij innså dessuten at hastigheten på eksosgassene avhenger av temperaturen på forbrenningsgassene og molekylvekten til disse gassene. For å oppnå best mulig ytelse fra en rakettmotor, så Tsiolkovskij etter drivstoffer som hadde høy forbrenningstemperatur og lav molekylvekt. Det førte ham til å velge hydrogen, det letteste av alle grunnstoffer, som brensel og oksygen som oksidasjonsmiddel.
   Tsiolkovskij var teoretiker, og det så ikke ut til å bekymre ham at rakettmotorer med hydrogen og oksygen på hans tid var helt utenkelig. Han var opptatt av å utforme prinsipper og teoretiske muligheter.
4. Betydningen av å bruke raketter med flere trinn. Ved å anvende rakettlikningen så Tsiolkovskij at det var mye å vinne på å bruke flertrinnsraketter. Når alt drivstoffet i et trinn er brukt opp, kan hele trinnet kobles fra. Dermed behøver man ikke å dra med seg all den dødmassen som trinnets struktur utgjør, videre oppover. Følgelig slipper raketten også å ta med seg det drivstoffet som hadde vært nødvendig for å frakte denne dødmassen videre. Totalt sett gir det en stor gevinst, for en nyttelast som skal akselereres opp til nesten 8 km/s, for å sendes inn i jordbane. Enda viktigere er dette for en nyttelast som skal opp i 11,2 km/s, for å slippe bort fra Jorden og fly utover i Solsystemet.

Sentralt i Tsiolkovskijs arbeider er trangen til å finne teoretiske løsninger på hvordan mennesker og utstyr kan fraktes ut i verdensrommet. Han var imidlertid også en betydelig visjonær, med mange tanker og ideer om hvordan en fremtid i rommet kunne arte seg.

I sine verker skriver Tsiolkovskij om hvordan sollyset kan utnyttes om energikilde, ved opphold i rommet. Han peker på at over atmosfæren vil man ha større effekt av sollyset. Likeledes skriver han at jordatmosfæren forvrenger og svekker lyset fra astronomiske objekter. I rommet, hvor det ikke er noen atmosfære, vil man derfor kunne gjøre mye bedre astronomiske observasjoner enn fra bakken.

For at et menneske skal oppholde seg i rommet, må det være inne i en spesiell drakt, skriver Tsiolkovskij. Han beskriver hvordan det må ha med forsyninger av oksygen, hvordan en drakt må beskytte mennesket inni mot Solens ultrafiolette strålingen og hvordan en slik drakt kan ha sitt eget fremdriftssystem.

Blant Tsiolkovskijs visjoner er store romkolonier i jordbaner, hvordan man kan fly mellom koloniene og hvordan asteroider kan gjøres beboelige og utnyttes. Koloniene utstyrer han med store mengder planter, som sørger for å trekke karbondioksid ut fra luften og produsere oksygen. Derfor, skriver han, vil det være ubegrenset med oksygen i koloniene.

Etter den opprinnelige utgaven av Utforskning av verdensrommet ved hjelp av reaksjonsapparater i 1903, kom det tillegg i 1911, 1912 og 1914. En utvidet og oppdatert utgave kom i 1926.

Store deler av sitt liv arbeidet Tsiolkovskij i anonymitet. Først etter Oktoberrevolusjonen i 1917 ble han gjenstand for oppmerksomhet fra andre. I 1919 ble han utnevnt til medlem av Sosialistakademiet, en forløper til det som senere ble Det sovjetiske vitenskapsakademi. Fra 1876 til 1921 arbeidet Tsiolkovskij bare i sin fritid, uten noen bidrag fra andre. Eneste unntak var et lite beløp han fikk i 1899 fra et matematisk fakultet.

Regjeringen belønnet i 1921 Tsiolkovskij med statspensjon. Dermed kunne han slutte å undervise og bruke all sin tid på å utvikle sine teorier og tanker om romvirksomhet. Totalt rakk han å skrive over 500 vitenskapelige artikler, notater og rapporter.

Tsiolkovskij la ned et enormt arbeid i de teoretiske sidene ved rakettfremdrift og praktiske problemer forbundet med romferder. Derimot skjedde det aldri at han testet eller bygde en modell som fungerte, av noen av sine konstruksjoner. Selv om han brukte mye tid på teoretiske problemer, virker det som om han aldri følte noe behov for å prøve ut noen av sine oppdagelser i praksis.

Tsiolkovskij døde i Kaluga (Russland) 19. september 1935.

Sitatet

Ordlyden på sitatet er muligens ikke helt korrekt. Det foreligger også i følgende variant: Jorden er tankens vugge, men vi kan ikke i all evighet leve i en vugge.

Bakgrunnsbildet

er en litt manipulert variant av et av romfartens mest kjente bilder. Det ble tatt 22. desember 1968 på Apollo 8-ferden og viser «jordoppgang» over månehorisonten (i forgrunnen). Originalbildet er tatt mens Apollo 8 kretset i bane rundt Månen.

Bilde: NASA

Bildet er tatt nær 110° V lengde over Månen. Avstanden til horisonten er om lag 570 km. Månehorisonten er nær Månens vestlige rand («høyre» rand sett fra den nordlige halvkule på Jorden). På Jorden krysser kurven med skillet mellom lys og skygge (terminator) over Afrika. Sydpolområdet er det hvite området i venstre ende av terminator. Nord- og Syd-Amerika der i stor grad dekket av skysystemer.

På denne versjonen av bildet er Jorden flyttet litt nærmere ned mot måneoverflaten. Sistnevnte er dessuten strukket sterkt ut i horisontal retning.

Apollo 8-ferden er historisk ved at det var første gang mennesker bega seg bort fra Jorden og rundt Månen. Likeledes var det første gang mennesker var dominert av gravitasjonsfeltet fra et annet legeme enn Jorden, nemlig Månen.

De tre astronautene som var med på Apollo 8 var: William Anders (som senere i noen år var amerikansk ambassadør i Norge), Frank Borman og James Lovell.

Du kan lese mer om ferden i artikkelen 20 år siden Apollo 8 i Nytt om Romfart nummer 68, 1988, sidene 96-103, 92.

Publiseringsdato: 31.07.2002