 |
 |
 |
 |
Tentoraz si povieme niečo o špeciálnych alternatívach pohonov vesmírnych lodí.
Jiné koncepty pohonu vesmírných lodí
V předchozích kapitolách jsem popsal téměř všechny koncepty reaktivního raketového pohonu. Reaktivní pohon ovšem nemusí být jediným řešením pohonu ve vesmíru. Existují ještě jiné koncepty pohonu, jejichž funkce je většinou založena na jiných fyzikálních principech. Všechny tyto koncepty jsou hodně specifické a ve většině případů je jejich použití omezené jen na určité úkoly.
Prvním konceptem, o kterém se zde zmíním, je využití gravitačního pole vesmírných těles (planet a měsíců) k urychlení nebo zbrždění (a změně trajektorie) vesmírné sondy či lodě. Někdy se tomuto efektu také říká gravitační trampolína. Loď vlétne do gravitačního pole planety, opíše hyperbolickou trajektorii kolem planety a poté gravitační pole zase opustí. V planetárním měřítku (tedy vzhledem k oné planetě) se rychlost lodě nezmění – zůstává stejná před vstupem do gravitačního pole i po jeho opuštění. Jediné co se změní v planetárním měřítku je směr vektoru rychlosti. Ovšem v měřítku celé Sluneční soustavy ke změně rychlosti dojde – k vektoru rychlosti vesmírné lodi je přičten vektor rychlosti planety. Vzhledem k tomu, že se změnil směr vektoru rychlosti v planetárním měřítku, bude výsledná velikost vektoru rychlosti lodi měřítku celé Sluneční soustavy výrazně změněna. Podle toho, jaký byl směr vstupu a výstupu lodi z gravitačního pole planety, může být výsledná rychlost jak o hodně větší (dojde k akceleraci), tak i menší (dojde ke zbrždění lodi). Tento koncept není žádnou novinkou a byl už mnohokrát použit. Typickým příkladem je věhlasná automatická sonda Voyager, která se právě díky rafinovanému využití efektu gravitační trampolíny dostala zatím do největší vzdálenosti od Země. Princip gravitační trampolíny je ale efektivní jen u velkých planet (např. Jupiteru a Saturnu), kde dojde k největší změně trajektorie (až o 90º ). U malých planet (jako je Venuše, Země a Mars) už není zdaleka tak účinný, ale k dosažení daleko lepšího výsledku by mohlo být využito asistence atmosféry (brzdný efekt atmosféry způsobí větší zakřivení trajektorie lodi). Loď využívající brzdného efektu atmosféry by ale musela mít dobré tepelné stínění a přísně aerodynamický tvar.
Dalším pohonným konceptem jsou tzv. solární plachetnice. Existuje mnoho různých konstrukcí, ale obecně je za lodí roztažena obrovská (ale tenká a lehká) plachta z reflexivního materiálu. Na tu dopadá sluneční záření a odráží se od ní, přičemž plachta je pod tlakem záření urychlována (jde o přenos hybnosti odražených fotonů na plachtu). Pohon nepotřebuje žádné palivo (palivem je vlastně odražené záření) a podává nejvyšší specifický impuls, jakého vůbec lze dosáhnout – 300 milionů N.s.kg-1 (dáno rychlostí světla ve vakuu). Jenže tah poskytovaný solární plachtou je nesmírně nízký a se zvyšující se vzdáleností od Slunce dále klesá – při tlaku záření, jaký je ve vzdálenosti Země, to je pouhých 9 N na 1 km2 plachty. To znamená, že musí být použity plachty velkých rozměrů (nejméně cca 1 km2, což přináší velké nevýhody) a je omezen i provoz slunečních plachetnic na naší Sluneční soustavy. Variací na solární plachetnice jsou laserové nebo mikrovlnné světelné plachetnice. Zde by bylo na plachtu přesně zaostřováno laserové záření (respektive mikrovlnné záření) z gigantických laserových reflektorů (nebo mikrovlnných emitorů) umístěných na oběžné dráze Země. To by umožnilo využití těchto plachetnic k mezihvězdným letům a vzhledem k předpokládané nízké hmotnosti takové lodi i dosažení ohromných rychlostí (větších než 10% rychlosti světla!). Jediným srovnatelným pohonným systémem k těmto účelům by byl anihilační pohon s paprskovým jádrem (přímým využitím produktů anihilace). Ovšem zde se vyskytují ohromné problémy – vzhledem k obrovským mezihvězdným vzdálenostem by v případě laserů muselo být použito obrovské vysílací optiky (cca 300km v průměru) a ještě větších plachet (cca 1000km v průměru). V případě mikrovln by optika musela být dokonce 104 – 106× větší! Navíc lasery, aby byly schopny poskytnout přijatelné zrychlení, by musely dosahovat nepředstavitelných výkonů (pro malé automatické sondy výkonů 0,1 – 1000 TW a pro lodě s lidskou posádkou min. 1500TW), které v žádném případě dnes nejsme schopni produkovat (a ani v blízké budoucnosti schopni nebudeme). Dalším problémem je materiál plachet, který musí být extrémně tenký a lehký. Zde mají velkou výhodu mikrovlnné plachty, jelikož tam je plachtou síť s otvory, které mohou být velké až polovinu vlnové délky použitých mikrovln a tak je dosaženo ohromných úspor na váze. Díky tomu také může být použito mnohem menších výkonů reflektorů (v řádu GW na rozdíl od TW u laseru). Na druhou stranu jsou kvůli své velké vlnové délce mikrovlny neefektivní při větších vzdálenostech (na mezihvězdných vzdálenostech je intenzita už tak nízká, že k pohonu vůbec nestačí), což činní mikrovlnné plachetnice neperspektivní (ovšem laserové plachetnice tímto problémem netrpí). Kromě mikrovlnných a laserových plachetnic existuje ještě jeden zajímavý podobný koncept – tzv. magnetické plachetnice. V tomto případě není používáno skutečné plachty, ale funkci plachty plní magnetické pole rozprostřené kolem velké (např. 64km v průměru) supravodivé smyčky. Vzhledem k tomu, že supravodivý kabel může být třeba jen 5mm tenký, je oproti klasickým plachtám uspořeno ohromné hmotnosti. Palivo pro magnetickou plachetnici netvoří fotony slunečního záření, ale solární vítr – tzn. hmotné částice vyletující velkými rychlostmi ze slunce. Pro mezihvězdné cesty by zdrojem částic mohly být obří urychlovače umístěné na oběžné dráze Země. Sluneční vítr nebo částice z urychlovačů jsou magnetickým polem vychylovány (de facto odráženy) a předávají svou energii lodi – tvoří tah. Existuje ještě koncept, kdy je do magnetického pole tvořeného smyčkou vstřikován ionizovaný plyn (plasma), což způsobí rozprostření pole do mnohem větších rozměrů (jde o tzv. mini-magnetosférický plasmový pohon). V tomto konceptu je tedy možné použít mnohem menší supravodivé smyčky. Velkou nevýhodou všech těchto magnetických plachetnic jsou nároky kladené na supravodivé kabely, nepříznivé ovlivnění jejich funkce poblíž planetárních magnetosfér, vznik nebezpečných lokálních radiačních pásů (podobných Van Allenovým radiačním pásům kolem Země) a nejrůznější technické problémy.
Posledním významnějším konceptem jsou nejrůznější chemické a elektromagnetické katapulty (urychlovače, děla). Ty jsou použitelné ke zlevnění vynášení nákladů na oběžnou dráhu. Náklad by byl na orbitu vlastně vystřelen. Zde se dá uvažovat o několika konceptech. Z chemických to jsou klasická děla (projektil je akcelerován vysokotlakým plynem vzniklým prudkým hořením/explozí náplně), lehká tlaková plynová děla (projektil je akcelerován expanzí předem stlačeného plynu), „bucharové“ urychlovače (projektil se pohybuje dolů do hlavně, stlačuje hořlavou směs plynů, která je následně za projektilem zapálena a dojde k prudké akceleraci projektilu opačným směrem) a pneumatické katapulty (využívají rozdílného atmosférického tlaku v nízkých nadmořských výškách oproti vysokým nadmořským výškám k urychlení rakety). Z elektromagnetických konceptů to jsou kolejnicová děla (jde vlastně o lineární elektrický motor na stejnosměrný proud), cívková děla (projektil je urychlen stacionárními cívkami tvořícími hlaveň) a magnetická levitace. Až na jednu výjimku (magnetickou levitaci) ale žádný z těchto konceptů nevypadá v praxi použitelně – za prvé většina děl (ať už chemických, či elektromagnetických) je dnes schopná urychlit na potřebné rychlosti jen malé projektily (od několika gramů maximálně po několik kilogramů) a za druhé je při tom dosaženo strašlivého přetížení (od 10000g při použití klasických chemických děl, až po 200000g při použití elmag. kolejnicových děl), které by případnou lidskou posádku (nebo i náklad) doslova rozdrtilo. Naproti tomu koncepty využívající magnetické levitace (MAGLEVY) sice ani zdaleka nejsou raketu schopny urychlit na únikovou rychlost potřebnou k dosažení nízké oběžné dráhy Země, ale také při jejich používání přetížení nepřekročí 3g, což je obrovská výhoda a umožňuje to jejich běžné používání. Princip je známý z magnetických rychlovlaků – na dlouhé magnetické dráze by vlivem magnetického pole levitoval náklad (tedy raketa či raketoplán). Ta by byla systémem lineárního elektromagnetického motoru urychlována na rychlost cca 900km/h a na konci by dráhu opustila. Až pak by došlo k zážehu raketových motorů. Tím by bylo možné ušetřit na pohonném systému prvního stupně raket a tak by se výrazně snížily náklady na vesmírné lety (ač se to nezdá, tak právě prvních několik sekund, kdy je třeba uvést raketu/raketoplán do pohybu, je nejnákladnější částí každé vesmírné mise).
Jiným systémem pohonu, vhodným k levnému vynášení nákladů na oběžnou dráhu, by mohlo být využití laseru k zahřívání pracovní látky ve spalovací komoře, kterou by v nižších výškách tvořil vzduch a ve vyšších výškách (nad 30km, kde je vzduch už moc řídký) pak palivo. Tento systém už byl několikrát testován, ale jen s miniaturními modely (měřícími jen 10–15cm a vážícími pouhých 50g) a málo výkonnými lasery (do 10kW), takže oběžné dráhy samozřejmě dosaženo nebylo. V budoucnu se ovšem počítá s použitím několika vysokovýkonných pulsních laserů (s celkovým výkonem až 100MW), které by byly schopny na oběžnou dráhu vynášet malé družice do hmotnosti 100kg. Existuje také možnost využít část energie laseru ke generování silného elektrického pole, které by ionizovalo okolní vzduch před modelem. Přídavné supravodivé magnety by pak ovlivňovaly proudění vzniklé plasmy kolem modelu a tak snižovaly čelní odpor vzduchu (to by se ale zřejmě projevilo až při velkých nadzvukových rychlostech).
Posledním věc, o které se jen okrajově zmíním, jsou nejrůznější vskutku exotické pohonné systémy (pokud se dají pohonnými systémy vůbec nazývat). Jedním z nich je využití vesmírných provazů (lan, kabelů). Jejich použití je vskutku všestranné. Roztažená lana mohou být použita například ke zvyšování/snižování oběžné dráhy těles (satelitů, raketoplánů, vesmírných stanic, atp.), získávání elektrické energie z planetárních elektromagnetických polí a k elektromagnetickému pohonu v rámci planetárních elmag. polí. Dokonce existují způsoby, jak vesmírná lana využít i k vynášení nákladu ze Země na oběžnou dráhu (to je ale otázkou vzdálenější budoucnosti). Odtud už není daleko k úvahám o postavení jakýchsi gigantických ultradlouhých vesmírných věží, které by mohly „vyrůstat“ ze Země téměř až na nízkou oběžnou dráhu (kde by ovšem stále muselo být použito raket s vlastním pohonem). Jinou možností je také postavení základny na geosynchronní oběžné dráze a odtud svedení lan celých 35785km až na Zemi (pro vyrovnání orbitální dynamiky by ale musely vést lana i opačným směrem – asi 110000km). Tak by mohl být vybudován jakýsi vesmírný výtah. I když to zní neuvěřitelně, i takovými návrhy se NASA skutečně zabývala a došla k tomu, že by ve vzdálené budoucnosti byly realizovatelné!
Celkově jde o všech těchto atypických pohonných systémem říci, že kromě gravitační trampolíny, která je a bude hojně využívána, má v blízké budoucnosti šanci na úspěch ještě solární a možná i magnetická plachetnice. Ovšem k využití plachetnic k mezihvězdným cestám se stavím skepticky. Ze systému určených k levnějšímu vynášení nákladů na oběžnou dráhu by měl v nejbližší budoucnosti dosáhnout úspěchu MAGLEV, na kterém pracuje NASA, a který má šanci stát se standardním systémem pro vynášení nákladů (a snad i raketoplánů) na oběžnou dráhu. Pokud ovšem dojde k pokroku v oblasti využívání laseru (nebo možná i soustředěného paprsku mikrovln) k vynášení materiálů do vesmíru, měl by tento systém oproti MAGLEVu velkou výhodu – rakety (respektive sondy, satelity, vesmírné lodi – prostě cokoliv, co by bylo potřeba vynést do vesmíru) by nemusely mít vůbec žádný atmosférický pohonný systém, kdežto v případě použití MAGLEVu musí mít vlastní výkonný raketový pohon (start rakety je jen ulehčen).
Nabudúce niečo o prognózach.
Michal Křenek http://mikos.ic.cz m.krenek@volny.