Nové typy pohonů pro kosmické lodě

VASIMR

Chemické raketové motory nám otevřely cestu do vesmíru. Podívali se díky nim do kosmu i lidé. Automaty a nakonec i pilotované výpravy s nimi dosáhly Měsíce. Meziplanetární sondy si s jejich pomocí obhlédly naše nejbližší planetární sousedy a některé i dosáhly povrchu těchto těles.

Tyto klasické motory však vyžadují díky malému specifickému impulsu velké množství paliva, což se ve vesmíru pěkně prodraží. Nejvyšší rychlosti s nimi dosažené také vylučují nějakou rozumně dlouhou meziplanetární výpravu s lidskou posádkou. Pokud se tedy budeme chtít pohybovat meziplanetárním prostorem rychleji, případně efektivněji, pak nám nezbývá než začít využívat nové pokročilejší koncepty.

 

Iontový pohon

Jedním z prvních moderních konceptů, který se dočkal realizace a praktického využití je iontový pohon. Funguje na principu ionizace plynů, nejčastěji xenonu nebo argonu a následném urychlení vzniklých částic elektrickým polem. Výhodou jsou poměrně velké rychlosti výtrysku hmoty (až 100 km/s) a s tím související velký specifický impuls. Malá spotřeba paliva a napájení elektrickou energií ze solárních článků nebo Radioizotopového generátoru. Nevýhodou pak malý tah, řádově miliNewtony maximálně Newtony. V reálu tedy potřebuje loď vybavená takovým motorem velmi dlouho zrychlovat než dosáhne požadované rychlosti. Jako primární pohon se tedy iontový motor hodí spíše k sondám než pilotovaným lodím.

Schéma iontového pohonu - atomy plynu jsou bombardovány emitovanými elektrony. Vzniklé ionty jsou přitahovány k mřížce, za ní jsou pak neutralizovány zpět na atomy pomocí další emise elektronů.

Schéma iontového pohonu – atomy plynu jsou bombardovány emitovanými elektrony. Vzniklé ionty jsou přitahovány k mřížce, za ní jsou pak neutralizovány zpět na atomy pomocí další emise elektronů.
zdroj: http://upload.wikimedia.org

Jeho historie sahá až k prvním průkopníkům kosmonautiky Ciolkovskému a Goddardovi, kteří tento koncept navrhli a druhý jmenovaný si ho dokonce patentoval. První funkční prototyp sestavil Harold R. Kaufman pro NASA v 60.letech 20.století. Na kosmický stroj vybavený tímto pohonem jsme si však museli počkat až do roku 1998 v podobě sondy Deep Space 1. Po počátečních problémech způsobených stávkujícím počítačem se motor rozběhl a sonda úspěšně doletěla k planetce Braille a poté ještě ke kometě 19P/Borrelly. Ani Japoncům, kteří iontový motor také vyzkoušeli, se problémy při prvním operačním nasazení nevyhnuly. Legendární mise sondy Hayabusa k planetce Itokawa byla po mnoha peripetiích korunována úspěšným přivezením vzorků.

Momentálně probíhá zatím hodně úspěšná mise sondy Dawn k planetkám Vesta a Ceres. Inženýři již iontovému pohonu natolik věří, že mu svěřují čím dál složitější úkoly. Konkrétně u sondy Dawn se jednalo o navedení na oběžnou dráhu Vesty, několik změn výšky, opuštění orbity a směřování k další planetce, kde má sonda opět zakotvit na oběžné dráze.

 

Vasimr

Pod touto zkratkou se skrývá Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket čili magnetoplasmová raketa s proměnným specifickým impulsem.

Zjednodušeně můžeme říci, že zvolené palivo, což bude v budoucnu vodík či spíše jeho izotopy nebo dnes v testovacích zařízením používaný Argon, nejprve zahřejeme na velmi vysokou teplotu (několik miliónů stupňů Celsia). Tak vznikne plasma, které díky urychlení magnetickým polem, proudí velkou rychlostí z motoru ven. Magnetické pole zároveň umožňuje držet plazma v uctivé vzdálenosti od stěn a hlavně magnetů, které musejí být chlazeny na teploty blízké absolutní nule. Jestli vám to něco připomíná, tak vězte, že stejným způsobem je udržováno plasma ve fúzním reaktoru typu Tokamak a VASIMR je tak vedlejším produktem vývoje těchto reaktorů.

Schéma VASIMRu. 1,2-palivo jako plyn, 3-vytvoření plasmatu, 4-urychlení magnety, 5-zahřátí plasmatu na miliony °C, 6 -výtrysk plasmatu

Schéma VASIMRu. 1,2-palivo jako plyn, 3-vytvoření plasmatu, 4-urychlení magnety, 5-zahřátí plasmatu na miliony °C, 6 -výtrysk plasmatu
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

VASIMR má ještě jednu výhodu narozdíl od iontového pohonu a tím je široké rozmezí specifického impulsu (Isp). Je možné provozovat jej s velkým tahem a malým Isp nebo naopak s menším tahem a velkým Isp, případně je ho možné do značné míry regulovat mezi těmito dvěma stavy.

Přestože vývoj započal v roce 1977 bývalý kosmonaut Franklin Chang-Diaz, podstatných úspěchů bylo dosaženo až koncem 20.století, kdy přišla přelomová technologie vytváření plazmatu radiovými vlnami (zařízení Helicon) a počátkem 21.století, kdy bylo postaveno několik prototypů od výkonu 50 kW (VX50) až do 200 kW (VX200). VX200 by se měl stát základem demontračního motoru, který bude testován na ISS ne dříve než v roce 2015.  200 kW výkonu by se na ISS těžko dalo sehnat, když velké solární panely dávají maximálně 120 kW.  Proto bude mít VASIMR své baterie, které se postupně nabijí a umožní generovat tah po dobu 15-ti minut.

Pro využití VASIMRu jako pohonu meziplanetárních lodí bychom potřebovali výkon 2MW. Uvažuje se buď o obrovských solárních plachtách nebo spíše jaderných zdrojích. Ty jsou sice ve vývoji, ale rozhodně nejsou prioritou NASA. Zvlášť po stornování programu Constellation, kde měly sloužit k napájení lunární základny.

 

Sluneční plachetnice

Myšlenka pohonu vesmírem jen pomocí velké plochy, do které se opírá sluneční záření, podobně jako se u lodí vítr opírá do plachet,  byla formulována již Johannesem Keplerem. V 60. a 70.letech ji zpopularizovali autoři SF románů.

Realizace se dočkala až ve 21.století. Nejprve v roce 2005 neúspěšný pokus s názvem Cosmos-1, který se neusadil na správné oběžné dráze, dokonce je možné, že oběžné dráhy vůbec nedosáhl.

Na funkční sluneční plachetnici jsme si museli počkat ještě dalších 5 let.  Z japonského kosmodromu Tanegašima ji vynesla raketa H-IIA 21.5.2010 v 6:58 místního času. Japonci rozhodně netroškařili. Plachetnice s přiléhavým názvem IKAROS se neomezila na nízkou oběžnou dráhu, ale byla nasměrována k Venuši. Rovněž způsob rozvinutí plachty v úhlopříčce měřící 20 metrů bylo dosti unikátní. Sonda byla rozrotována a plachta se rozvinula odstředivou silou.  IKAROS úspěšně proletěl kolem Venuše. Sonda doposud pracuje a vzhledem k tomu, že hlavní cíle mise byly splněny, mohou inženýři zkoušet, co všechno sluneční plachetnice vydrží.

Krásně je to vidět na následujícím působivém videu (od času 7:10).

Americká NASA vyslala mnohem skromnější plachetnici s názvem Nano Sail-D na nízkou oběžnou dráhu. Měla plochu 9,2 metrů čtverečních. Plachta se správně napnula, pak ale začaly stávkovat komunikační systémy. Inženýři jim nakonec domluvili, takže mise dopadla úspěšně.

Jak Japonci tak Američané zjistili, že sluneční plachetnice je velmi perspektivní pohon. Její řízení je velmi citlivé na úhel natočení. Plachetnice reaguje velmi rychle. Nano Sail-D potvrdil, že kromě slunečního záření je nutno počítat i se slunečním větrem. Také je možné pomocí slunečních plachet pasivně klesat směrem k Zemi. Šlo by tak posílat do atmosféry vysloužilé družice a čistit tak oběžnou dráhu.

 

Mikrovlnný motor  

Nečekaný výsledek  pro některé vědce představoval výsledek pokusu, který provedl Roger Shawyer s obyčejným magnetronem v měděném zvonci, umístěným do plechové krabice kvůli odstínění rušivých vlivů. 15-ti kilogramové zařízení umístěné na přesných vahách vykazovalo po zapnutí hmotnost 15 kg +  2g. Po otočení zařízení „vzhůru nohama“ a zapojení váhy ukázaly 15kg – 2g.

Emdrive - prototyp mikrovlnného motoru

Emdrive – prototyp mikrovlnného motoru
Zdroj: www.emdrive.com

Už tento výsledek byl lepší než parametry některých menších aplikovaných iontových pohonů, přitom princip je zcela v souladu se zákony einsteinovské fyziky, nejedná se tedy o žádné šarlatánství. Pro bližší informace doporučuji článek Rozlučte se s gravitací – je tu mikrovlnný motor, který vyšel na Oslu před šesti lety.

Koncept je dále rozvíjen pod názvem Emdrive. Prototyp, se kterým byly vykonány úvodní pokusy, vidíte na obrázku. V současné době se vývoj přesunul do Číny, konkrétně do Čínské Akademie věd. Professor Yang Juan tam testuje zařízení s příkonem 2,5 kW. Magnetron 2,45 GHz generuje tah 720mN (k porovnání: iontový motor výše uvedené sondy Dawn má výkon 19–91 mN). Zapomněl jsem zmínit hlavní a podstatnou výhodu tohoto pohonu a sice, že nepotřebuje žádné palivo! Stačí mu pouze zdroj elektrické energie. Jistě si dovedete představit životnost satelitů a sond, které přestane strašit vyprázdnění nádrže.

 

Jaderný pulsní pohon

V 50.letech 20.století vědci nadšení atomovou energií ji zkoušeli využít pro vynášení nákladů do vesmíru. Idea byla následující: Zařízení bude vystřelovat za sebe malé jaderné nálože, které tlakovou vlnou postrčí stroj kupředu. Na zádi bude k tomuto účelu instalován mohutný odpružený štít. Demonstrační zařízení využívající konvenční trhavinu ukázalo vysokou efektivitu jaderného motoru. Vaz tomuto projektu zlomil zákaz jaderných testů v atmosféře v roce 1963.

Jaderný Orion, koncept meziplanetární kosmické lodi
Zdroj: www.nasa.gov

V 60.letech byla navrhla NASA meziplanetární loď Orion (neplést s dnešní připravovanou lodí MPCV-Orion). Narozdíl od původního konceptu neměla startovat přímo ze Země , ale měla ji vynést raketa Saturn V. Tam by se mohla vydat k Marsu nebo ke vzdálenějším planetám.

Připravovalo se několik verzí od menší automatické demonstrační až po velkou pilotovanou loď, která by uskutečnila sen člověka o přistání na Marsu.  Rozpracována byla nejen meziplanetární varianta s parametry mise srovnatelnými s výše uvedeným pohonem VASIMR až k mezihvězdné variantě. Při použití štěpných bomb měla dosahovat neuvěřitelných rychlostí 3-5% rychlosti světla, při použití termojadernýchbomb dokonce 10% rychlosti světla.  Vyřešena byla dokonce i technologie štítu, který musel nárazově vydržet tlak 340 MPa a teplotu 67 000°C.

Přes velice nadějné ekonomické rozbory nakonec NASA financování projektu ukončila. Přispěl k tomu finančně náročný lunární program Apollo i strach veřejnosti z atomové energie. NASA by koncept oprášila zřejmě pouze v případě, že by ji Sovětský svaz předběhl i v dobytí Měsíce, což se nestalo. Na druhou stranu i Rusové v 60.letech na podobném typu motoru pracovali. Praktické realizace se však také nedočkal.

V současné době nápad využít jaderného pulzního motoru opět ožívá v souvislosti s představami vědců, že lidstvo je již zralé na realizaci mezihvězdné sondy. Díky objevům na poli exoplanet bude v budoucnu lépe možné určit vhodné kandidáty na návštěvu kosmické sondy. Dalšími návrhy jaderných pohonů se zabývá několik společností. Asi nejaktivnější je britská meziplanetární společnost se svým projektem Daedalus, který posléze upravila do podoby menší sondy Icarus. Jejich realizovatelnost je narozdíl od původního Orionu sporná.

 

Motor na antihmotu

Pomalu se z drobných korekcí dráhy a cestování nejbližším planetám dostáváme k cestování po celé sluneční soustavě a možná i k nejbližším hvězdám. Pohon, který by to mohl dokázat, by využíval jako palivo antihmotu, respektive její anihilaci s hmotou.

Schéma anihilačního motoru

Schéma anihilačního motoru
Zdroj: www.nasa.gov

Jak uvedli dva američtí vědci Ronan Keane (Western Reserve akademie) a Zhang Wei-Ming (Kent State University). Nejnovější výsledky z jejich počítačové simulace ukazují, že alespoň jedna klíčová součást realizace funkčního pohonného motoru na antihmotu – vysoce výkonné magnetické trysky – by měla být mnohem efektivnější, než se dříve myslelo. Navíc jsou tyto trysky proveditelné s použitím dnešních technologií.

Hypotetické částice Piony vzniklé z anihilace by se měly v ideálním případě pohybovat rychlostí světla.
V konstrukci antihmotového pohonu se uvažovalo o 90% rychlosti světla. Problémem je magnetická tryska, která má zajistit potřebný tah. Její návrhy doposud pracovaly s účinností 36%, takže by loď hnaná tímto motorem měla dosáhnout nejvýše jedné třetiny rychlosti světla.

Oba výše uvedení vědci se proto pustili do zvýšení účinnosti magnetické trysky. Při svém výzkumu spolupracovali s kolegy z CERNu, kteří mají s antihmotou, její výrobou a udržením největší zkušenosti. Využili také software, který se používá na simulace interakcí částic a polí. Výsledkem je účinnost trysky okolo 85%. Simulace ale bohužel také ukázaly, že rychlost Pionů bude pouze 80% rychlosti světla. Ve finále si však celý motor polepšil. Po úpravách trysky by mohl dosáhnout teoreticky 70% rychlosti světla.

Takže teoreticky už to mají vědci zmáknuté :) , teď ještě ta praktická realizace. O první nesmělé pokusy na tomto poli se pokouší i jedno oddělení NASA, které má na starosti nové typy pohonů.

Daleko větším problémem bude získávání antihmoty. Kromě toho, že by si jí loď pravděpodobně musela vyrábět, vědci navrhují i její kosmickou těžbu. To je ale spíš sci-fi. Sice se podařilo objevit osamocené antiprotony v atmosféře, ale je jich tak malé množství, že družice PAMELA, určená k jejich detekci, jich za 2 roky objevila pouhých 28. Toto množství vyrobí v CERNu asi za 1 den. Přitom energie z množství antičástic, které vyrobí CERN za rok by stačila k rozsvícení 100 W žárovky na pouhé 3 sekundy !

Ovšem, pokud se získávání antihmoty podaří prakticky zvládnout ve větším množství, tak bude mít kosmický průmysl k dispozici energii 10 milionkrát silnější než z chemické reakce vodíku a kyslíku, 1000x silnější než jaderné štěpení a 300x silnější než jaderná fúze. Zatím umíme vyrábět ve velice neefektivním procesu samotné antiprotony, případně jednotlivé atomy antivodíku. Poslední zprávy hovoří i o atomech antihelia. Skladování antihmoty, které je samozřejmě nutnou podmínkou pro provoz anihilačního motoru je zatím opravdu v plenkách. Magnetické pasti dokáží zachytit pár samostatných atomů po dobu několika desetin sekundy.

 

Warp

Warp původně vznikl jako odpověď autorů sci-fi na zásadní podmínku Einsteinovy teorie o nemožnosti překonání rychlosti světla.

Warp

Warp
zdroj: www.nasa.gov

Myšlenky se chytili fyzici, kteří ji teoreticky zpracovali. V zásadě jde o to, že když nemůžeme v našem fyzikálním prostoru cestovat rychlostí vyšší než je rychlost světla, pak musíce cestovat mimo náš prostor nebo si s prostorem pohrát a různě ho pokřivit.  Před kosmickou lodí proto musíme prostor smrštit a za lodí opět roztáhnout. Loď se tedy bude nacházet v jakési bublině, ve které se bude blížit cílovému místu. Výhodou je nulové zrychlení a neexistence dilatace času, ke které by při cestování velkými rychlostmi normálně docházelo. Tím pádem čas bude plynout stejně jako na Zemi.  K vytvoření bubliny bychom potřebovali vytvořit zvláštní hmotu s poměrně hodně exotickými vlastnostmi.

Původně se soudilo, že k výrobě takové hmoty je zapotřebí energie ekvivalentní hvězdám hmotnějším než naše Slunce.  Fyzik Harold White však dokázal, že při vhodném tvarování exotické hmoty by její množství nemuselo být až tak extrémní. Hmota by se měla tvarovat do prstence. Jeho studie vyzněla tak přesvědčivě, že NASA neváhala do jeho výzkumu investovat nemalou částku. White se tak může pokoušet v laboratoři o vytvoření malých warpových bublin. Upozornění pro optimisty: neznamená to, že by warpový pohon byl realizovatelný v dohledné době. Myslím, že i 100 let je příliš optimistický výhled.

Před časem dostali naši fanoušci na Facebooku možnost napsat si o článek, který by na našem blogu rádi viděli. Tento článek vznikl na přání fanoušků s nicky „Jirka Bardoděj“ a „Tomas von Braun“, kterým tímto děkujeme za jejich tipy.

Zdroje informací:
http://en.wikipedia.org/
http://cs.wikipedia.org/wiki/
http://en.wikipedia.org/wiki/
http://forum.kosmonautix.cz/
http://forum.kosmonautix.cz/
http://news.discovery.com/
http://en.wikipedia.org/
http://www.emdrive.com/
http://www.osel.cz/
http://www.space.com/
http://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Ion_engine.svg
http://p4.focus.de/img/gen/9/s/HB9sBJU3_Pxgen_r_Ax541.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/Vasimr.png/640px-Vasimr.png
http://emdrive.com/images/emdrive.jpg
http://www.nasa.gov/centers/glenn/images/content/84514main_warp10.gif
http://www.nasa.gov/images/content/530592main_04_martin_AMS_matter-antimatter.jpg
http://www.nasa.gov/centers/glenn/images/content/84573main_warpsped.jpg

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


6 komentářů ke článku “Nové typy pohonů pro kosmické lodě”

  1. Vladimír Wagner napsal:

    Dovolím si sem okopírovat svůj komentář k článku, který jsem napsal na Oslovi. V článku je totiž bohužel řada nesmyslů. Uvedu jen některé.
    Piony (správněji se jím říká mezony pí) jsou už dlouho známé. Jsou nejlehčími mezony a při různých vysokoenergetických reakcích se jich produkuje značný počet. Zatímco elektron a pozitron anihilují za vzniku dvou fotonů, antiproton či antineutron anihilují se svým partnerem z našeho světa právě za vzniku několika mezonů pí. Důkazem anihliace antivodíku je tak třeba současný vznik dvou fotonů z anihilace pozitronu a několika mezonů pi anihilací antiprotonu.
    Hmotnost mezonu pí je sice zhruba osmkrát menší než protonu, ale ani on se opravdu nemůže pohybovat rychlostí světla.
    Problémy s tryskou u anihilačního motoru jsou jiné než se popisuje. Jsou dány tím, jak získat usměrněný pohyb částic a jak využít i energii skrytou v klidové hmotnosti mezonů pí, které se rozpadají na miony a ty následně na elektrony a neutrina. To je trochu rozebráno v článku, který rozebírá realistické varianty pohonu kosmických lodí založených na jaderné a částicové fyzice: http://www.osel.cz/index.php?clanek=3838 .
    O výrobě antiprotonů v CERNu a jejich výskytu z interakcí v kosmickém záření jsou v článku totální nesmysly. Na urychlovačích se jich ve srážkách ultrarelativistických protonů na pevném terči produkujíe o mnoho řádu za sekundu více než těch uváděných 28 za den. Jak se vyrábí antihmota nejen v CERNu je zde: http://www.osel.cz/index.php?clanek=4338 .
    Vůbec největší problém je, že autor vůbec nerozlišuje mezi reálnou fyzikou (piony opravdu nejsou hypotetické), hypotetickými věcmi mimo prokázané teorie (warp pohon) a totálnímy nesmysly či dokonce podvody (emdrive).
    Kromě pohonu je pro dálkové kosmické lety kruciální vyřešení ochrany před kosmickým zářením. Podrobně rozebráno zde: http://www.osel.cz/index.php?clanek=4063

  2. Tomáš Kohout napsal:

    Jak jsem psal i na Oslu, omlouvám se za převzetí některých nepravd nebo nepřesností plus některé chyby v překladu. Díky za opravu, upřesnění a doplnění.
    Ono to mohlo být i tak, že jsem článek z Discovery původně přeložil a následně pak autorka opravila některé chyby na základě upozornění fundovaných čtenářů. Například o tom, že Piony jsou hypotetické částice tam nyní není ani slovo, přitom původně to tam bylo.

    • Michal napsal:

      Dobrý den,
      je jasné, že překlady nebudou nikdy 100%, ale přesto Vám fandím a doufám, že se tento blog udrží a bude nadále rozvíjet.

      PS : Při překladu článků s touto tématikou byste se mohl obrátit na pana Vladimíra Wagnera, který jak se zdá by velmi rád pomohl korigovat nepřesnosti textů.

      • Tomáš Kohout napsal:

        Ony se ty chyby trochu sečetly. Něco byl problém v překladu, něco byl nedostatek zdrojů nebo mylné informace v nich a něco také dodatečné opravy zdrojových článků, které jsem nepostihl. To vše dorazily mé mezery v daném oboru.

        Jsem rád, že pan Wagner ( http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/ ) uvedl nepřesnosti a chyby na pravou míru. Nijak blíže se s ním neznám, ale soudím dle jeho článků, jeho prací i projektů, do kterých je zapojen, že je v daném oboru velmi fundovaný.

  3. zalud napsal:

    predek je moc divny ale super jeto dobre

  4. qa napsal:

    Mikrovlnný motor…

    Vzhledem k tomu, že mikrovlny jsou taky fotony, je to vlastně fotonový motor…

    Neuvěřitelné, v jaké době to žijeme, v době kdy se scifi stává realitou…

    (Iontový motor, Fotonový motor, Solární plachetnice, rakety po startu zase přistávají, vidíme povrch komety z pár metrů, prohlížíme si Pluto takřka on-line…)

    Díky za fajn zpravodajství

Zanechte komentář