לידתה של התקשורת
הלוויינית

החודש לפני 75 שנה, באוקטובר 1945, פרסם סופר המדע הבדיוני ארתור סי קלארק (Clarke) את המאמר המכונן האם תחנות טילים יכולות לספק כיסוי רדיו עולמי? המאמר היה עיבוד של גרסה קודמת שכתב קלארק חצי שנה קודם לכן עבור עמיתיו מהחברה הבריטית הבין-פלנטרית. המאמר החדש, שפורסם בכתב העת הפופולרי Wireless World, הציג חזון עתידני נדיר. הוא הציע בין השאר את האפשרות שכיסוי תקשורתי חובק עולם, שייעשה באמצעות "תחנות טילים", יספק שירותי ניווט ותקשורת "למטוסים הגדולים שבקרוב יטוסו לכל מקום". חודשיים בלבד אחרי פצצת האטום שהוטלה על הירושימה והיכתה את העולם בתדהמה, קלארק כתב כבר על "טילים המוּנָעים באנרגיה אטומית".

בעולם הטכנולוגי של ימינו קשה להבין עד כמה דמיוניות נשמעו אז הטכנולוגיות שהציע קלארק. אפילו לא הומצאה עדיין המילה לחפץ מלאכותי במסלול סביב כדור הארץ, ומכאן "תחנות הטילים" שבכותרת. היום אנחנו קוראים להן לוויינים, כמובן. למעשה, קלארק הציע פתרון לאחד האתגרים הגדולים של תקופתו ‒ תקשורת חובקת עולם.

שלושה לוויינים גיאוסטציונריים מספקים כיסוי תקשורתי מלא לכל העולם | מתוך המאמר של קלארק

האתגר: תקשורת בין כל שתי נקודות בעולם

כבר בילדותו נמשך קלארק לקריאת מדע בדיוני, ז'אנר שהיה אז בתחילת דרכו ושבו הוא יקנה את עיקר פרסומו בהמשך הדרך. אבל השירות הצבאי זימן לו מפגש עם טכנולוגיות מסעירות גם בעולם האמיתי. במלחמת העולם השנייה שירת קלארק כקצין בריטי ביחידת מכ"מ, שהשתמשה בגלי רדיו לגילוי וטיווח עצמים גם כשאינם נראים לעין – למשל ספינות ומטוסי אויב בתנאי ערפל או עננות.

אחד השימושים שנעשו במכ"מ היה לעקוב אחרי מסלוליהן של רקטות V2 שגרמניה שיגרה באלפיהן לעבר לונדון. בגלל מהירותן העצומה, שעמדה על כ-5,800 קמ"ש, לא יכלו מפעילי המכ"מ להעניק לאזרחים התרעה נאותה, אבל גלי הרדיו אפשרו לשרטט את מסלולן וכך לחשב מהיכן שוגרו ולהעביר את המידע לחיל האוויר, על מנת שיתקוף את אתרי השיגור. 

טכנולוגיה פורצת דרך בתחום הטילים. רקטת V2 בתרשים של חיל האוויר האמריקאי | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

גלי הרדיו נחשבו אז לפלא של ממש, ולא רק בתחום המכ"מ. טכנולוגיית הרדיו זיכתה את מפתחיה בפרס נובל כבר ב-1909, ואפילו בהילת גיבורים כש"הטלגרף האלחוטי" החדשני שהותקן על אוניות בריטיות הציל את חייהם של כ-700 מנוסעי הטיטניק בשנת 1912. הרדיו אִפשר להזעיק כלי שיט אחרים שעברו באזור לחלץ ניצולים, בשעה שהטכנולוגיה האלחוטית הקודמת לתקשורת בין ספינות – דגלים ואיתותי אור – חייבה קשר עין ביניהן.

כדי לאפשר תקשורת רדיו בגלים קצרים לטווחים ארוכים היה צורך בתחנות ממסר להגברת האות. האפשרות להקים די תחנות ממסר לא נשמעה מעשית, וממילא לא היתה מכסה אזורים נידחים על פני היבשה, ואף לא את האוקיינוסים ואת המרחב האווירי. קלארק הרהר, אם כן, באפשרות לקבע תחנות ממסר בשמיים, באמצעות טילים. הן ירחפו בגובה כזה שבו יהיה קו ראייה אליהן מכל נקודה על כדור הארץ, ולכן יאפשרו לנהל תקשורת רדיו אליהן וביניהן.

מאחר שקלארק היה בקיא הן במדע והן במדע הבדיוני, הוא ידע שעל כל אחד מהאתגרים הגדולים בדרך להגשמת החזון כבר נתן את הדעת אחד מגאוני העבר. אייזק ניוטון חשף כבר בראשית המאה ה-18 מה נדרש כדי לשגר עצמים למסלול סביב כדור הארץ. כמאתיים שנה אחריו הראה המורה והמהנדס הרוסי קונסטנטין ציאולקובסקי (Tsiolkovsky) איך למקם לוויין כך שיהיה תמיד בנקודה קבועה בשמיים, ובהמשך מצא הרמן פוטוצ'ניק (Potočnik) איך אפשר להשתמש בלוויין כזה לתקשורת והציע מקור אנרגיה אפשרי לפעולתו.

עמד על כתפי ענקים וראה רחוק יותר מכולם. הסופר ארתור סי. קלארק ב-2005, שלוש שנים לפני מותו | צילום: Amy Marash, ויקיפדיה, נחלת הכלל

פגזים לחלל

כבר ב-1728 הציע ניוטון ניסוי מחשבתי שעסק בפגז הנורה מתותח מראש הר גבוה, במקביל לקרקע. הוא חישב לאיזה מרחק יגיע קליע שנורה במהירויות שונות, בהנחה שלא יפגע בדרך באדם ביש מזל. ככל שמהירות הקליע גבוהה יותר, כך הוא יגיע רחוק יותר לפני שכוח הכבידה יעקם את מסלולו מספיק כדי להפגיש אותו עם הקרקע.

המספרים שיצוינו להלן מקורבים, וכוללים כמה הנחות מפשטות כגון הזנחת התנגדות האוויר והתעלמות מסיבוב כדור הארץ. בפועל, מהירות הסיבוב של כדור הארץ נוספת ללוויין המשוגר מזרחה, עם כיוון הסיבוב, ונגרעת מלוויין המשוגר מערבה, היא תלויה גם בקו הרוחב שממנו נעשה השיגור – בקטבים המהירות היא אפס, ועל קו המשווה היא כמעט חצי קילומטר לשנייה.

ניוטון חישב ומצא כשהמהירות תהיה גבוהה מכ-10 קילומטר לשנייה, כוח הכבידה לא יהיה חזק מספיק לגבור על תנועת הקליע, וכך הפגז יחמיץ את הקרקע לחלוטין וימשיך להתרחק אל החלל.

 לעומת זאת, במהירות של כ-8 קילומטר לשנייה הפגז לא ינוע מהר מספיק כדי להתרחק לחלל, אך גם לא מספיק לאט כדי ליפול לקרקע. ב"מהירות ההיקפית" הזאת הוא ייכנס למסלול מעגלי סביב כדור הארץ.

קלארק ידע שרקטות ה-V2 הגרמניות הגיעו למהירות של כ-1 קילומטר לשנייה בלבד, כלומר הרבה מתחת למה שנחוץ כדי להעלות לוויין למסלול. אך הוא ידע גם שהגרמנים שקדו על פיתוח טילים בין-יבשתיים מהירים הרבה יותר ושהטכנולוגיה מתקדמת במהירות.

בעיית ההגעה למסלול נראתה אם כן בהישג יד, אך מה בדבר הצבת תחנת ממסר בנקודה קבועה בשמיים? איך ייתכן שלוויין יישאר בנקודה אחת? ומנין הוא יקבל אנרגיה להמשיך לפעול, להגביר אותות ולשדר אותם?

התותח של ניוטון. פגז מהיר מספיק יטוס לחלל, פגז איטי יחזור לכדור הארץ, ובמהירות ביניים הוא ייכנס למסלול סביב כדור הארץ | איור: Brian Brondel, ויקיפדיה

איך להישאר בנקודה אחת בשמיים

ככל שעצם קרוב יותר לכדור הארץ, כוח הכבידה הפועל עליו חזק יותר, כך שכדי להישאר במסלול היקפי מהירותו צריכה להיות גבוהה יותר. הלוויינים הנמוכים ביותר כיום, שחגים בגובה של כ-200 קילומטר, חייבים לנוע במהירות של 28 אלף קמ"ש ולהשלים הקפה סביב כדור הארץ כל כ-90 דקות. לעומתם לוויינים גבוהים, למשל בגובה של 60 אלף קילומטר, ינועו במהירות של 9,000 קמ"ש בלבד וישלימו הקפה רק פעם ב-47 שעות.

אם ככל שעולים גבוה יותר המהירות ההיקפית פוחתת וזמן ההקפה מתארך, הרי שקיים גובה שבו זמן ההקפה של הלוויין שווה בדיוק לזמן הסיבוב של כדור הארץ סביב צירו, שהוא קצת פחות מיממה (כ-23.9 שעות). לוויין שנע בגובה הזה מעל קו המשווה לכיוון מזרח מסתובב בתיאום מלא עם כדור הארץ, שמסתובב גם הוא ממערב למזרח. מנקודת המבט של מי שנמצא על הקרקע, הלוויין ייראה תמיד באותה נקודה בשמיים. על כן מסלול כזה ייקרא גיאוסטציונרי (גיאו=אדמה, סטציונרי=קבוע).

בתחילת המאה ה-20 תכנן מדען הטילים הרוסי קונסטנטין ציאולקובסקי מגדל לחלל שקצהו יגיע לנקודה גיאוסטציונרית כזו. לשם כך הוא חישב ומצא שנקודה בגובה של 35,785 קילומטר תשלים בדיוק הקפה אחת ביום. תוכנית המגדל השאפתנית נגנזה כשהתברר שאין חומר חזק דיו שיאפשר לבנות לגובה של עשרות אלפי קילומטרים. לתכנון הצעד הבא בהרפתקה הגיאוסטציונרית נדרש מוח מבריק נוסף.

לטוס במהירות ולהישאר מעל אותה נקודה. הדגמה של שני לוויינים במסלול גאוסטציונרי | איור: Francisco Esquembre, ויקיפדיה

חולה שחפת בתחנת החלל

להרמן פוטוצ'ניק הייתה קריירה מבטיחה כקצין ומהנדס בצבא האוסטרי. מ-1910 הוא שימש כקצין טכני בחיל ההנדסה האוסטרי והתמחה בבניית גשרים ומסילות ברזל. לרוע מזלו, במהלך מלחמת העולם הראשונה הוא נדבק בשחפת, שהייתה אז מחלה כרונית חשוכת מרפא, ולכן שוחרר מהצבא בגיל 26. את עשר השנים הנותרות של חייו הקדיש למה שתפס כעתיד האנושות: כיבוש החלל.

בשנת 1928, חודשים ספורים לפני מותו, פרסם פוטוצ'ניק את גולת הכותרת של עבודתו, הספר בעיית המסע בחלל – המנוע הרקטי (Das Problem der Befahrung des Weltraums – der Raketen Motor). לאורך כמאתיים עמודים, עם מאה תרשימים מעשה ידיו, הוא ניסה לפתור כל בעיה שעלתה בדעתו בדרך לכיבוש החלל, הירח, כוכבי לכת ואפילו מסע בין-כוכבי לאלפא קנטאורי. ואת הכול הוא ביסס על הטכנולוגיה שהייתה קיימת אז.

עבר מהנדסה צבאית לחלומות על מסע בחלל והקדים את זמנו. הרמן פוטוצ'ניק | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

מרכיב מרכזי בתוכניותיו של פוטוצ'ניק מילאה תחנת חלל, שנועדה לשמש קרש קפיצה ותחנת תדלוק למסעות למרחבי החלל. הוא השכיל להבין וליישם את חישוביו של ציאולקובסקי, ומיקם את התחנה המוצעת במסלול גיאוסטציונרי מעל מרכז הפיקוד בכדור הארץ, כדי לאפשר קשר רדיו רציף.

אתגר נוסף שפוטוצ'ניק פעל לפתור היה מציאת מקור אנרגיה בחלל. לשם כך הוא הציע לבנות מנוע המבוסס על אנרגיית השמש. אך מאחר שיחלפו עוד 26 שנה עד לפיתוח התא הפוטו-וולטאי המעשי הראשון, במנגנון שהוא הציע, מראה פרבולית גדולה ריכזה את קרינת השמש על מכל מים לצורך הרתחתם. לוויין קיטור! סטימפאנק אמיתי.

גנרטור קיטור סולרי למצפה חלל (מימין) והשערתו המדויקת להפליא של פוטוצ'ניק על ההתנהגות של מים בתנאי חוסר כבידה | מתוך תרגום ספרו שפורסם בכתב העת Science Wonder ב-1929

התחנה תוכננה להסתובב במהירות סביב עצמה, כך שאנשי הצוות גרים בהיקף הפנימי של הגלגל המסתובב והכוח הצנטריפוגלי מדמה את כוח המשיכה. הרעיון הועתק מאוחר יותר בידי יוצרי מדע בדיוני רבים, ביניהם הבמאי סטנלי קובריק בסרט "2001: אודיסאה בחלל", שנעשה בהשראת ספרו של לא אחר מאשר ארתור סי. קלארק.

עבודתו של פוטוצ'ניק לא מתה איתו. בשנת 1942 סופר המדע הבדיוני האמריקאי ג'ורג' או. סמית' הוציא לאור את סדרת הסיפורים "Venus Equilateral", ששאבה לא מעט מעבודתו של פוטוצ'ניק ושילבה גם היא לוויין גיאוסטציונרי וסיבוב ליצירת כבידה מלאכותית. קלארק הכיר היטב הן את ספרו של פוטוצ'ניק והן של סיפוריו של סמית' כשכתב את מאמרו.

כבידה מלאכותית בזכות הכוח הצנטריפוגלי. תחנת החלל של פוטוצ'ניק | איור מתוך התרגום לספרו שפורסם בכתב העת Science Wonder ב-1929

סוף דבר

קלארק קיבל אם כן השראה מחלוצים שקדמו לו במדע המציאותי ובמדע הבדיוני גם יחד. את הפיזיקה שפיתח ניוטון הוא צירף לחישוביו של ציאולקובסקי ולרעיונות התקשורת והאנרגיה שהעלה פוטוצ'ניק. המאמר שפרסם זכה לתהודה מאחר שהצליח לשרטט תמונה בהירה של עתיד התקשורת העולמית, ואף התווה דרך להגשמתה באמצעות טכנולוגיה בת השגה.

בפועל, חזונו של קלארק על אודות מערכת תקשורת לוויינית חובקת עולם התגשם אפילו מהר מכפי שציפה. מרוץ החימוש הגרעיני בין המעצמות האיץ מאוד את פיתוח הטילים ואת יכולות השיגור לחלל, והתקדמויות עצומות במזעור רכיבים אלקטרוניים ובייעולם הקטינו מאוד את משקל הציוד, ולכן גם הוזילו את המשימה.

בשנת 1963 שיגרה ארצות הברית למסלול סביב כדור הארץ את Syncom-2, לוויין התקשורת הניסיוני הראשון, שפחות מחודש אחרי שיגורו כבר המחיש את היכולת להעביר שידורי טלוויזיה באמצעותו, אם כי באיכות שידור ירודה וללא צליל. בהשוואה ללווייני התקשורת של ימינו, סינקום שקול אולי למכשיר טלגרף לעומת רשת האינטרנט, אבל כל טכנולוגיה צריכה להתחיל במשהו. גליל המתכת הזה, שאורכו 39 ס"מ וקוטרו 71 ס"מ, סלל את הדרך למהפכת התקשורת והמידע שסוחפת אותנו עד היום.

סינקום-2 לא היה לוויין גיאוסטציונרי, כך שנדרשו אנטנות ממונעות על הקרקע למעקב אחריו. סינקום-3, ששוגר ב-1964, כבר היה לוויין גיאוסטציונרי כדת וכדין. הוא שידר בין השאר את המשחקים האולימפיים בטוקיו במלואם ובאיכות גבוהה יחסית לזמנו בשידור חי לארצות הברית.

סלל את הדרך למהפכת התקשורת. לוויין התקשורת הראשון Syncom-2 | צילום: NASA, נחלל הכלל

כיום מרחפים כבר יותר מ-500 לוויינים ברצועה הגיאוסטציונרית, הידועה גם כ"חגורת קלארק", וחיינו היו שונים מאוד בלעדיהם. הם ממלאים תפקיד חיוני בתקשורת, בכיול מערכות נווטנים (GPS), במחקר מדעי ובחיזוי וניטור של האקלים. מעורר השראה להיזכר שכבר לפני 75 שנה, עוד לפני שנבנה המחשב הדיגיטלי הראשון ולפני שהיו אפילו טיסות מסחריות סדירות, כבר היה מי שראה בחזונו את הדרכים שבהן הלוויינים ישפיעו על חיינו, ואף התווה את הדרך לממש אותן.