 |
 |
 |
Seriál o reálne možných vesmírnych pohonoch vo vzdialenejšej či blízkej budúcnosti sa dostáva do svojej polovičky. Tentoraz to bude pár riadkov o alternatívach solárneho, laserového a mikrovlnného pohonu, ale čaká nás toho ešte o mnoho viac…
Solární, laserový nebo mikrovlnný pohon
Všechny doposud uvedené koncepty pohonu měly svůj vlastní zdroj energie. To přináší samozřejmě řadu výhod, především že vesmírná loď s takovým pohonem je zcela autonomní, ale má to i své podstatné nevýhody. Hlavní nevýhodou je, že lodě s takovým pohonem by musely být velmi velké a hmotné. Je to dáno tím, že musí mít na palubě samozřejmě nějaký zdroj energie, který ji pracovní látce předává. Ať už je tím zdrojem jaderný reaktor, termonukleární reaktor nebo reaktor ve kterém probíhá anihilace hmoty a antihmoty, tak ve všech případech jde o velmi neskladná, těžká a rozměrná zařízení. V případě anihilačního reaktoru sice nemusí jít o přehnaně těžké zařízení (antihmota s hmotou přeci anihiluje spontánně), ale samotné magnetické pasti, ve kterých musí být antihmota skladována, jsou velmi těžké.
Existuje ovšem způsob, jak se tomuto problému vyhnout. Tou možností je umístit zdroj energie mimo vesmírnou loď. Loď pak musí převážet jen pracovní látku (de facto palivo – např. vodík) a zařízení, kterým zachytí a zužitkuje energii vysílanou externím zdrojem. Externím zdrojem energie může být například naše Slunce, ale také laserová děla, či mikrovlnné emitory umístěné na Zemi nebo ještě lépe na oběžné dráze. Energie ze všech těchto zdrojů pak může být na lodi využita dvojím způsobem – buď přímo nebo nepřímo.
V případě solární energie je nejčastěji používanou možností její nepřímé využití. Sluneční záření je zachytáváno pomocí velkých solárních panelů, na kterých jsou umístěny fotovoltaické (FV) články měnící energii slunečního záření na elektrickou energii. Elektrická energie pak může být zužitkována přímo k pohonu využitím některého z pokročilých elektrických pohonných systémů, kterými se budu zabývat v další podkapitole. Toto nepřímé využití sluneční energie má ale své nevýhody. Fotovoltaické články jsou schopny přeměňovat na elektrickou energii pouhých 15 – 22% (v nejbližší budoucnosti max. 25%) zachycené sluneční energie a navíc jsou velmi citlivé na radiaci. Takový průlet skrze van Allenovy radiační pásy, které se nacházejí okolo Země, může způsobit snížení účinnosti přeměny energie fotovoltaickými články až o 10 – 50%! Kromě toho jsou fotovoltaické články vcelku těžké, takže solární panely k získání jednoho kW elektrické energie mohou vážit průměrně 13 kg (tato hodnota se ovšem v blízké budoucnosti může snížit až na 3 kg/kW). Důsledkem toho je, že solární panely mohou být používány pouze k pohonu vcelku malých automatických sond s málo výkonným elektrickým pohonným systémem. Pokud ovšem jako zdroj energie není použito sluneční záření, ale laser umístěný na Zemi nebo na oběžné dráze kolem Země (či jiné planety nebo měsíce), pak je možné dosáhnout mnohem lepší účinnosti přeměny energie (zhruba dvojnásobné oproti solárním FV článkům – tzn. v nejlepším případě 50%). Je to dáno mnohem větší intenzitou laserového záření a tím, že paprsek laseru operuje na jediné předem dané frekvenci, na kterou mohou být FV články vyladěny. Díky tomu, že laser má malý rozptyl, mohou být také značně redukovány rozměry solárních (v tomto případě vlastně laserových) panelů a tím i celková hmotnost sondy (nebo dokonce i vesmírné lodě). Ještě lepší účinnosti (než při převodu paprsku laseru na elektrickou energii pomocí FV článků) je možné dosáhnou převodem intenzivního paprsku mikrovln na elektrickou energii pomocí rektifikační antény (rectenny). Ta může být v podobě tenké folie rozprostřena za lodí (což znamená, že může být mnohem méně těžká než solární panely) a přitom může dosahovat účinnosti přeměny energie vyšší než 85%. Kromě toho jsme schopni produkovat mnohem výkonnější soustředěné paprsky mikrovln (v řádu MW až GW), než paprsky laserů (v řádu stovek kW až několika desítek MW).
Další možností je tzv. solární tepelný pohon. V tomto případě je sluneční záření zaostřeno pomocí velkých zrcadel (tvořených lehkou roztáhnutelnou reflexivní fólií) do spalovací komory, kde zahřívá pracovní látku (vodík). Existují dvě možnosti, jak může tento proces probíhat – buď může pracovní látku ohřívat nepřímo (sluneční záření je zaostřeno na pevný tepelný výměník, od nějž se zahřívá pracovní látka, která jím prochází), nebo přímo (sluneční záření je zaostřeno skrze křemenné okénko do středu spalovací komory, kde je přímo pohlcováno pracovní látkou, která však musí být pro zlepšení absorpčních schopností obohacena rozptýlenými částečkami grafitu nebo wolframu). Specifický impuls takovéhoto pohonného systému je v případě schématu s tepelným výměníkem podobný jako u tepelného nukleárního pohonu s pevným jádrem – tzn. 8000 – 10000 N.s.kg-1. V případě schématu, kdy je pracovní látka zahřívána přímo (částicovou absorpcí), může Isp dosáhnout hodnot 12000 – 15000 N.s.kg-1, ale hrozí zde nebezpečí, že se tuhé částečky nahromadí na křemenném okénku a způsobí jeho přehřátí. V případě použití laseru se pak jedná o laserový tepelný pohon. Zde je samozřejmě možné použít stejných konceptů jako u solárního tepelného pohonu (a dosahovat tak stejných výkonů), ale vzhledem k tomu, že laser pracuje na jedné pevně dané frekvenci, je možné využít i dokonalejších konceptů. Naskýtají se zde dvě možnosti – molekulová resonanční absorpce (MRA) a inversní bremsstrahlungova absorpce (IBA). V obou případech jde o to, že energie laseru je přímo předávána pracovní látce (na rozdíl od předešlých konceptů, kde v nejlepším případě byly zahřívány částečky grafitu nebo wolframu rozptýlené v pracovní látce a teprve od nich se pracovní látka zahřívala). V obou případech musí být pracovní látka volena podle frekvence použitých laserů (např. při použití MRA s CO2 lasery se jako nejvhodnější pracovní látka jeví CO, CO2, CH4 nebo H2O). Při použití MRA může být dosaženo Isp okolo 15000 N.s.kg-1 a při použití IBA dokonce 15000 – 25000 N.s.kg-1 což už jsou velmi dobré hodnoty. Navíc při použití laseru nemusí být zrcadla zaostřující paprsek tak rozměrná jako zrcadla zaostřující sluneční záření a tudíž dojde k další úspoře na celkové váze lodi. Poslední možností jsou zase mikrovlny. Zde mohou být mikrovlny zaostřeny do spalovací komory a využity přímo k zahřátí pracovní látky podobně jako při použití laserů. Naskýtá se tu ale ještě jiná možnost – využití principu elektronové cyklotronové resonance (ECR) nebo iontové cyklotronové resonance (ICR). V obou případech mikrovlny ionizují pracovní látku a zniklá plasma může být magneticky akcelerována tak, aby produkovala velmi vysoký specifický impuls.
Trochu mimo stojí hybridní projekt DELITE, v kterém je výkonný laserový paprsek vysílaný ze Země zaostřován na kapsle obsahující směs termonukleárního paliva D-T (nebo dokonce téměř aneutronického D-3He), přičemž dochází k termonukleární fůzi. Jde v podstatě o klasický impulsní laserový termonukleární pohon, ale jelikož na lodi nemusí být ani těžké lasery (ty jsou na Zemi), ani těžké zařízení na převod tepelné energie na elektrickou (jinak potřebné k napájení laserů), dojde k obrovským úsporám na celkové hmotnosti lodi. Taková vesmírná loď by pak byla schopná podnikat nesmírně rychlé cesty po sluneční soustavě – např. cesta k Marsu (při použití 10MW laseru) by trvala jen 20 dní a cesta k Jupiteru (při použití 50MW laseru) by trvala jen 60 dní.
Osobně si myslím, že ztráta plné soběstačnosti je u vesmírných lodí určených k průzkumu Sluneční soustavy (které by tak byli odkázány na externí zdroj energie, ať už se jedná o laser nebo mikrovlny) špatným řešením. Budoucnost těchto konceptů vidím spíše v možnosti relativně levných a rychlých pravidelných letů na Měsíc nebo Mars (hlavně v případě využití lodí postavených na základě konceptu DELITE), což by se hodilo v případě, že by byly na Měsíci nebo Marsu v budoucnosti vybudovány kolonie (ať už vědecké, či těžařské). To je ale otázka o něco vzdálenější budoucnosti.
Nabudúce niečo o elektrických pohonných systémoch.
Michal Křenek http://mikos.ic.cz m.krenek@volny.cz