Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic? (1. díl)

Idea sluneční plachetnice se objevuje již na počátku kosmického věku, avšak její konkrétní realizace je stále na úplném začátku. Podívejme se, jak daleko jsme od budoucnosti, ve které kapitáni pod plachtovím dobývají vesmírný prostor. Vesmírná či sluneční plachetnice se vyskytuje například v knize Pierra Boulleho Planeta opic. Ještě dříve se objevila v povídce Cordwinera Smitha „The Lady Who Sailed The Soul“ z roku 1960 nebo v povídce známějšího autora Arthura C Clarka „The Wind from the Sun“ z roku 1963 o závodu slunečních plachetnic na zemské orbitě. U těchto lodí se využívá tlaku záření, které je vyzařováno Sluncem a dopadá na „plachtu“ vesmírného plavidla. V daném případě dominantně jde o světelné záření, které vyvíjí v normální situaci zhruba o dva až tři řády větší tlak než sluneční vítr složený z nabitých částic. Plachta musí mít velmi velkou plochu, protože výsledný tlak záření je velmi malý. Výhodou je, že působí neustále. Problém nastane, pokud se chceme dostat do vzdálených oblastí Sluneční soustavy a ještě větší je, pokud zamíříme k jiným hvězdám. Za dráhou Jupitera je intenzita a tlak světla ze Slunce už pro plachtění slabý. Na způsoby, jak tuto situaci řešit se podrobněji podíváme za chvíli.

Paul Myron Anthony Linebarger, americký spisovatel píšící pod jménem Cordwainer Smith. Kredit: Kelly Whyte, Wikipedia

Paul Myron Anthony Linebarger, americký spisovatel píšící pod jménem Cordwainer Smith. Kredit: Kelly Whyte, Wikipedia

„Before the great ships whispered between the stars by means of planoforming, people had to fly from star to star with immense sails – huge films assembled in space on long, rigid, coldproof rigging. A small spaceboat provided room for a sailor to handle the sails, check the course and watch the passengers who were sealed, like knots in immense threads, in their little adiabatic pods which trailed behind the ship. The passengers knew nothing, except for going to sleep on Earth and waking up on a strange new world forty, fifty or two hundred years later.This was a primitive to way to do it. But it worked.On such a ship Helen America had followed Mr. Gray-no-more. On such ships the Scanners retained their ancient authority over space. Two hundred planets and more were settled in this fashion, including Old North Australia, destined to be the treasure house of them all.“Cordwainer Smith „Think Blue, Count Two“

Kromě slunečního světla lze k vytvoření tlaku na plachtu využít velice intenzivní a extrémně úzce směrovaný laserový paprsek. Pokud dosáhneme co nejnižší divergence svazku, tlak záření se vzdáleností neslábne a navíc lze dosáhnout i mnohém vyšší plošné intenzity světla a tím i tlaku. Takový systém by tak mohl umožnit cestu ke hvězdám.

Základní vlastnosti slunečních plachetnic
Hybnost, kterou nesou jednotlivé fotony, je zanedbatelně malá. Při odrazu do úhlu 180˚ (zpětný rozptyl) se předá hybnost, která je dvojnásobkem hybnosti fotonu, pokud se foton pohltí, předaná hybnost se rovná pouze jedné hybnosti fotonu. I když dojde ke zmíněnému úplnému odrazu a přenese se na plachtu dvojnásobek hybnosti fotonu, je potřeba zachytit fotonů extrémní počet. Nejdůležitější části plachetnice je tak samotná plachta. Aby sluneční plachta i pří relativně nízké plošné hustotě fotonů a zmíněné extrémně malé hybnosti každého z nich, dosáhla znatelné tlakové síly, musí být velmi velká. Zároveň, aby co nejvíce fotonů předalo dvojnásobek své hybnosti, musí mít téměř dokonalou odrazivost. Pro dosažení co nejvyššího udělovaného zrychlení musí být plachta extrémně lehká. Typické hmotnosti na jednotku plochy by měly být mnohem menší, než je 0,005 kg/m2 (5 g/m2). To je hodnota pro reálné fólie z Mylaru o tloušťce 2 mikrometry, tedy příklad v současnosti dosažitelných hraničních hodnot.

Solární plachta sondy Nanosail-D (zdroj NASA).

Solární plachta sondy Nanosail-D (zdroj NASA).

V každém případě se v blízkostí Země, tedy ve vzdálenosti 1 AU od Slunce, získá maximálně pouze tlak 9,126 μN/m2 (tedy zhruba 9 N/km2). Připomínám, že astronomická jednotka je přibližně 150 milionů km. Hodnota tlaku klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce Rychle se tak snižuje při vzdalování od něj a stoupá při přibližování k němu. Závislost na úhlu, pod kterým světlo na plachtu dopadá, je dána kvadrátem kosinu tohoto úhlu. Důležitý parametr, který určuje možnosti plachetnice a velikost jejího zrychlení, je poměr její celkové hmotnosti k ploše plachty. Zrychlení dostaneme, jestliže tlak záření (ve vzdálenosti 1 AU je zmíněných 9,126 μN/m2) vydělíme tímto parametrem.

Odraz není dokonalý a část záření se i absorbuje, plachta i konstrukce se tak zahřívají. Chlazení se zajišťuje tepelným vyzařováním hlavně ze strany obrácené od zdroje světla. Plachta by měla mít nejen na této straně povrch takový, aby toto chlazení umožňovala a zaručila udržení konstantní snesitelné teploty plachty. To může být extrémně náročné hlavně při průletech velmi blízko Slunce, které jsou nutné pro dosažení co nejvyšší konečné rychlosti. Jeho povrchová teplota je okolo 5800 K. Jako nejbližší možná vzdálenost od středu Slunce, která se dá využít a do které se při průletu dostávají i některé komety, je uvažována 0,01 AU. To jsou dva poloměry Slunce. Poloměr Slunce je 700 000 km a taková je v tomto případě i vzdálenost sondy od jeho povrchu. Na plachtu v této situaci dopadá ze směru od Slunce na jednotkovou plochu výkon 107 W/m2 (10 MW/m2). Je tak nutné, aby měla co nejvyšší odrazivost a co nejméně z tohoto výkonu pohlcovala. Pokud by se plachta chovala jako absolutně černé těleso a veškerou energii ze Slunce pohlcovala a pak vyzařovala, byla by její teplota velmi vysoká 3100 K. Pro odrazivosti 90, 95 a 99 % budou teploty postupně 1750, 1500 a 1000 K. Odrazivost 99 % i vyšší je v současných možnostech a teplota se pak dostává pro specifické materiály na tolerovatelnou hodnotu.

Materiál plachty musí být velmi tenký a lehký, zároveň však musí být velmi odolný proti velkým změnám teplot, radiaci, dopadům prachových částic i mikrometeoritů a všem dalším drsným vlivům vesmírného prostoru.

Podívejme se na možné materiály. V současné době se nejčastěji uvažuje o Mylaru a Kaptonu. Mylar je obchodní název pro tenké fólie z polyethylentereftalátu (zkratka PET) s hustotou 1400 kg/m3. Kapton je polyimid vyvinutý v šedesátých letech firmou Dupond (chemicky 4,4′-oxydiphenylene-pyromellitimide), jehož hustota je také zhruba 1400 kg/m3. Mylar je daleko méně odolný proti radiaci. Oba materiály však musí mít pro zlepšení odolnosti a odrazivosti speciální povrchovou vrstvu a také pokovení. Plošná hustota je tak na danou tloušťku vyšší, než by vyšla při výpočtu s využitím jejich hustoty. Kapton, který se už pro přípravu plachet použil, měl tloušťku 5 mikrometrů a plošnou hustotu zhruba 26 g/m2. V současnosti se vyrábí Kapton i s tloušťkou 2 mikrometry a plošnou hustotou 10 g/m2. Současnými technologiemi je dosažitelná i tloušťka 0,9 mikrometrů. U Mylaru se vyrábí už zmiňované tloušťky 2 mikrometry, ale tloušťka 0,9 mikrometrů je také dosažitelná. Extrémně tenké folie, které jsou o řád až dva řády lehčí než uváděné, bude potřeba vyrábět ve vakuu. Budou totiž značně křehké. Zároveň budou muset po ztuhnutí vydržet napětí a tlaky, které budou při průletech v blízkosti Slunce extrémní. Testy velmi tenkých pokovených fólií vznikající napařováním ve vakuu už probíhaly. Pokud obsahují bór, lze vytvořit velmi tenké plachty, které mohou fungovat i při teplotách 1000 až 2000 K. Zatím se však získaly pouze malé kousky a k průmyslové výrobě ve velkém, která je podmínkou pro jejich využití u sluneční plachetnice, je ještě náročná cesta. V budoucnosti se uvažuje o grafenu a různých typech nanomateriálů vyrobených velice sofistikovanými metodami. Snížení tloušťky i plošné hustoty při zachování potřebné pevnosti a odolnosti o více než řád je obrovskou výzvou.

Sluneční plachetnice Nanosail-D v představách malíře (zdroj NASA).

Sluneční plachetnice Nanosail-D v představách malíře (zdroj NASA).

Je potřeba vytvořit velmi velkou a hladkou plochu, která bude co nejtenčí. Celá konstrukce, která umožňuje vypnutí plachty a drží její tvar, musí mít také co nejmenší hmotnost a musí být co nejjednodušší. Plachta musí být napnutá, což zajišťují vypínací síly způsobené upevněním na konstrukci ráhen na okraji jednotlivých segmentů plachty nebo lze využít odstředivé síly vznikající při vhodné rotaci. Tyto dva odlišné přístupy se dají kombinovat dohromady.

První přístup může být realizován čtvercovou plachtou složenou ze čtyř trojúhelníkových dílů, které jsou odděleny čtveřicí vysouvatelných ráhen. Tah plachty působí na ráhna v příčném směru značnou silou, a proto se do konstrukce přidávají další nosníky a lana. Hlavním problémem tohoto řešení je zabalení a rozvinutí plachty. Ráhna potřebují navíc větší prostor a mají svou hmotnost. Kromě obdélníkové plachty, lze realizovat trojúhelníkovou plachtu se třemi ráhny nebo mnohoúhelník s odpovídajícím počtem ráhen.

Druhou možností je využití rotace. V takovém případě lze použít plachtoví sestavené s několika dlouhých tenkých pásů (stuh), která se označuje jako heliogyro, nebo plného rotujícího disku. Pomocí rotace se pak plachta roztáhne a odstředivé síly, které rotace vytváří, ji pak udržují napnutou.

Podívejme se nyní, jak se s plachetnicí plachtí. Vzhledem k tomu, že tlaková síla je vytvářena dopadajícími a odraženými fotony, je její směr ve směru normály k plachtě. Vhodným natočením plachty tak lze orbitální rychlost plachetnice zvyšovat nebo snižovat. Je tak možné se se po spirále dostávat blíže ke Slunci nebo do vzdálených oblastí Sluneční soustavy a do meziplanetárního prostoru. Další zajímavou možností je stav, kdy síla vytvářená tlakem slunečního světla na plachtu vyrovná gravitační sílu (je tak stejná jako odstředivá síla). V tomto případě poletí plachetnice rovně s příslušnou velikostí tangenciální rychlosti v počáteční vzdálenosti od Slunce (perihéliu). Výhodou je, že síla působící na plachtu klesá stejně jako gravitační síla s kvadrátem vzdálenosti. Vyrovnání sil se tak zachovává a plachetnice opustí Sluneční soustavu rychlostí, která se rovná velikostí její původní tangenciální rychlosti.

Pro dosažení vhodné orientace existují dvě hlavní metody. U první se používají LCD prvky, které mohou měnit svou odrazivost. Jsou rozmístěny po obvodu plachty a podle potřeby odrazivost mění a tím se mění i tlak na příslušné části plachty. Druhou možností je systém klapek (v principu malých plachet) v rozích plachty.

Urychlení na velmi vysoké rychlosti je tak možné při blízkém průletu periheliem. Průlet ve vzdálenosti 0,2 AU od Slunce umožňuje dosáhnout tlaku na plachtu v periheliu 228 μN/m2 (25krát větší než u Země) a ve vzdálenosti dva poloměry Slunce od jeho středu, zmíněná 0,01 AU, by to dokonce bylo 91 260 μN/m2 (o čtyři řády větší než u Země). Odpovídající orbitální rychlost je v těchto vzdálenostech 67 km/s a 300 km/s (orbitální rychlost Země je 30 km/s) a odpovídající tangenciální rychlosti pro průlet periheliem takto vzdáleným od Slunce jsou ještě větší.

Je však otázka, zda by plachetnice dokázala tak blízký průlet přežít. Předpokládejme, že bychom měli plachetnici, která by měla čtvercovou plachtu o hraně 100 m a celou její hmotnost i s přístroji by se podařilo stáhnout na 100 kg. Její poměr hmotnosti a plochy je 0,02 kg/m2. Zrychlení, které by vznikalo u Země, by bylo 0,456 mm/s2, ve vzdálenosti 0,2 AU by to bylo 11,4 mm/s2 a v pekelné výhni ve vzdálenosti poloměru Slunce od jeho povrchu už pak 4,56 m/s2. Pokud však bude takové urychlování trvat měsíc, získáme u Země 1,18 km/s. Ve vzdálenosti 0,2 AU pak už 29,5 km/s, ale reálně tak intenzivní urychlování nebude trvat tak dlouho. Při průletu v těsné blízkosti Slunce pak bude nejintenzivnější urychlováni pouze v řádu hodiny. Pokud předpokládáme den, bude to 390 km/s. Ovšem to mohou být nadsazené hodnoty, protože odrazivost nebude stoprocentní a plachta nebude přesně kolmo vůči dopadajícímu záření. Při průletu periheliem velmi blízko Slunce bude navíc plachta v této vzdálenosti omezenou dobu. Na druhé straně je možné využít při průletu periheliem tangenciální rychlosti v něm. Vše pak závisí na konkrétní navržené dráze a parametrech plachty.

Snímek sluneční plachty projektu Ikaros japonské sondy k Venuši (zdroj JAXA).

Snímek sluneční plachty projektu Ikaros japonské sondy k Venuši (zdroj JAXA).

V úvahách, které jdou zatím za hranici současných možností, se uvažují extrémně tenké plachty z materiálů až o dva řády tenčí než zmíněný Mylar. Plachty se pak uvažují s rozměry v řádu jednotek až desítek kilometrů čtverečných. V tomto případě se dostáváme k poměru hmotnosti a rozměru plachty až o dva řády menší a úměrně se o dva řády zvyšují vypočtená zrychlení. Pro případ vzdálenosti perihelia 0,2 AU sice nedosahujeme ani příjemného jednonásobku gravitačního zrychlení na povrchu Země, ale pro uvažovaných 0,01 AU už jde o hodnoty zrychlení přesahující hodnotu pozemského gravitačního zrychlení o jeden až dva řády. A to už může být vražedné nejen pro člověka, ale i aparaturu. Je tak jasné a podrobnější výpočty s přesnou dráhou a časem průletu to potvrzují, že i v těch případech, kdy se budeme snažit o dosažení co nejvyšších konečných rychlostí průletem v blízkosti Slunce, zůstáváme u maximálních hodnot rychlostí okolo jednoho procenta rychlosti světla.

V každém případě se dá průletem periheliem velmi blízko Slunce dramaticky zvýšit tangenciální rychlost a sondu urychlit. Při cestách ke vnitřním planetám Sluneční soustavy časové nároky na takový průlet způsobují, že nedojde ke zkrácení letu k nim, ale pro cesty do vnějších oblastí Sluneční soustavy se může doba letu i dramaticky zkrátit. V řadě prací se tak hledaly a počítaly nejvhodnější dráhy. I ty potvrzují to, co ukazují předchozí příklady. Pokud chceme dosáhnout vysokých rychlostí, je třeba uskutečnit průlet v blízkosti Slunce a i v ideálním případě se dosáhne rychlostí v oblasti jednotek procent rychlosti světla. Na konkrétní příklady se podíváme později.

Dosavadní historie slunečních plachetnic
Jak už bylo zmíněno, je koncept sluneční plachetnice relativně starý. Už dávno před rokem 1930 popsal tuto ideu Konstantin Ciolkovskij. Myšlenky se pak chytili nejen zmiňovaní spisovatelé sci-fi. V roce 1958 pak Richard L. Garwin publikoval rigorózní fyzikální popis základních principů plachetnice a plachtění ve svém článku „Solar Sailing – A practical Method of Propulsion Within Solar System“. Garwin byl obrovský nadšenec a optimista. A i díky jeho nadšení se koncem padesátých a začátkem šedesátých let objevila řada studií zkoumajících praktické problémy spojené s plachtěním ve Sluneční soustavě. Ukázalo se, že v řadě parametrů mohou tyto systémy konkurovat klasickým pohonům a ve specifických případech je mohou i předčit. Tyto rané studie se zaměřovaly na principiální otázky spojené s využíváním plachetnice pro pohyb sond ve Sluneční soustavě a jejich ovládáním, daleko méně se dotkly praktických otázek jejich konstrukce.

S jistou nadsázkou lze jako první test plachty považovat pasivní telekomunikační satelit Echo-1, což byl balón o průměru 30 m z Mylaru potaženého hliníkem. Balón sice nebyl určen pro plachtění, ale kvůli jeho velkému objemu, nízké hmotnosti a vysoké odrazivosti na něj tlak slunečního světla působil a ovlivňoval jeho dráhu. Jak už bylo zmíněno, je také Mylar a jeho modifikace docela vhodný materiál pro konstrukci plachty.

Od počátku osmdesátých let bylo možné pomocí raketoplánu vynášet pravidelně na oběžnou dráhu i poměrně velké náklady a začínají se studovat možnosti technické realizace konkrétních projektů. V té době zadala NASA výzkumníkům v Ohiu (Battelle Laboratories) vypracování nízkonákladové studie možnosti sluneční plachetnice. V návaznosti na tuto práci Jerome Wright objevil trajektorii, která by umožnila pomocí sluneční plachetnice setkání sondy s Halleyovou kometou v polovině osmdesátých let. Předpokládaná doba letu vycházela velice krátká, jenom čtyři roky, a start by bylo možné uskutečnit až v roce 1981. Na základě toho Bruce Murray inicioval v roce 1976 studie možnosti konstrukce plachetnice. Počáteční návrh předpokládal čtvercovou plachtu o hraně 800 m stabilizovanou ve třech osách. To se však ukázalo jako příliš náročné a přešlo se tak v květnu 1977 k návrhu na konfiguraci stabilizovanou rotací (heliogyro). V tomto případě se uvažovalo o dvanácti 7,5 km dlouhých pásů tenké folie, které by se daleko lépe roztahovaly odvíjením z cívky, než by to bylo možné u jednolité čtvercové plachty. Studie ukázala na možnosti realizace a také otypovala vhodné materiály pro samotnou plachtu. K realizaci i vzhledem k technické náročnosti a krátkému času, start k setkání s kometou nebylo pochopitelně možné odložit, nedošlo. Svoji roli hrálo i omezení financí pro americkou NASA, které vedlo k tomu, že Američané ke kometě žádnou sondu nakonec nevyslali. K Halleyově kometě tak letěly klasické sondy jiných států, evropská Giotto, dvě ruské Vegy a dvě japonské sondy Sakigake a Suisei.

Ani v osmdesátých a devadesátých letech se k žádnému konkrétnímu projektu vesmírné plachetnice, který by se k realizaci alespoň přiblížil, nepřikročilo. Pokrok však nastal díky realizaci pár projektů roztáhnutí velkých velmi tenkých zrcadel nebo antén. Zajímavým zařízením bylo zrcadlo Znamja, které bylo vypuštěno z ruské zásobovací lodi Progress v únoru 1993. Bylo určeno pro studium možnosti osvětlovat sibiřská města pomocí zrcadel z vesmíru. I zde je potřeba extrémně velká, tenká a vysoce odrazivá plocha. Test byl sledován ze stanice Mir. Poprvé se ověřila možnost roztahování zrcadla o průměru 20 m pomocí rotace. Další pokus se stejným zrcadlem se uskutečnil v roce 1999. Při něm se však rozvinutí nepodařilo, zrcadlo se zapletlo do antény a poškodilo.

Sluneční plachta projektu Cosmos-1 (zdroj John Ballentine, Wiki)

Sluneční plachta projektu Cosmos-1 (zdroj John Ballentine, Wiki)

Podobný experiment se uskutečnil v květnu 1996 během letu vesmírného raketoplánu STS-77. Roztahovací anténa pro příjem radiového signálu o průměru 14 m měla být tvořena tenkou fólií. Kvůli vzduchu zachycenému v zabalené fólii neproběhlo roztahování podle plánu a tvar odrazné plochy nebyl dostatečně přesný. Ačkoliv se nepodařilo realizovat všechny cíle projektu, ukázaly se výhody a možností roztažení velkých konstrukcí ve vesmíru

Na začátku tisíciletí nastal posun v zaměření jak NASA, tak i ESA. Obě organizace vyhlásily programy zaměřené na malé a flexibilní meziplanetární sondy. Ty měly být levné, ale s velkým vědeckým přínosem. Malá hmotnost sond, která byla umožněna pokrokem v miniaturizaci nejen elektroniky, znamenala možnost využití daleko menších slunečních plachet. Jestliže tedy sonda k Halleyově kometě předpokládala pro hmotnost sondy 850 kg plachtu s rozměry 800×800 m, budoucí sondy s hmotností 10 kg nebo dokonce 1 kg už vyžadovaly plachty řádově menší. Tím se dramaticky snížila technologická i finanční náročnost reálných projektů sluneční plachetnice. To je i důvod, proč právě v tomto období konečně došlo k realizaci konkrétních projektů.

První pokus o reálnou sluneční plachetnici byl projekt Cosmos 1 americké neziskové společnosti Planetary Society. Ta studovala problémy okolo sluneční plachetnice už od osmdesátých let, ale nad projektem Cosmos 1 začala pracovat ve spolupráci s Ruskem na přelomu tisíciletí. Plachetnice měla být vynesena balistickou střelou typu Volny startující z ponorky. Na oběžné dráze měla být rozbalena plachta složená z osmi listů vyrobených z pohliníkované fólie Mylar o tloušťce 5 mikrometrů. Celková jejich plocha byla 600 m2. Celková hmotnost sondy byla 100 kg. Zrychlení dosahované pomocí plachty mělo být pouze 0,00005 m/s². V ideálním případě by se za jeden den její rychlost zvýšila o 16 km/h, za sto dní by dosáhla rychlosti 1 600 km/h a za tři roky už 17 000 km/h (4,7 km/s).
První pokus měl testovat pouze rozbalení dvou listů plachty. Při tomto startu bohužel selhal počítač a náklad se neoddělil od třetího stupně rakety Volna. Další start rakety Volna se uskutečnil 21. června 2005. Tentokrát nesl plnou verzi plachetnice. Raketa však selhala a plachetnice se na oběžnou dráhu nedostala.

Snímek plachetnice Ikaros získaný z kamery vymrštěné z ní (zdroj JAXA).

Snímek plachetnice Ikaros získaný z kamery vymrštěné z ní (zdroj JAXA).

První úspěšné vypuštění sluneční plachetnice tak proběhlo až 21. května 2010 pomocí japonské rakety H-2 společně se sondou Akatsuki letící k Venuši. Jednalo se o projekt IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) realizovaný Japonskou vesmírnou agenturou. Sonda Akatsuki měla zaparkovat na oběžné dráze okolo Venuše. To se jí nepodařilo při prvním průletu 6. prosince 2010. Poté pět let obíhala okolo Slunce, až se ji s využitím motorů zajišťujících orientaci sondy podařilo konečně 7. prosince 2015 na dráhu okolo Venuše umístit. Sonda tak konečně začala svůj vědecký program průzkumu této planety.

Zařízení Ikaros se oddělilo 22. května 2010 po dosažení únikové dráhy směrem k Venuši. Kolem ní mělo v každém případě jen proletět. Jeho hlavním úkolem bylo právě testování fungování sluneční plachetnice. To bylo zahájeno 24. května 2010. Jako další vědecký program se realizovalo studium charakteristik meziplanetárního prostoru, jako jsou záblesky gama a jejich polarizace, sluneční vítr a kosmický prach. Kvůli tomu byly na plachtě umístěny i senzory prachových částic. Plachta byl omotána kolem těla sondy. Samotné napnutí proběhlo úspěšně v blízkosti Země dne 10. června 2010, a to ve dvou fázích. Nejprve se uvolnily rohy čtvercové plachty s rozměrem 14 m pro stranu, 20 m po diagonále a ploše 196 m2. K tomu se použila nová metoda využívající rotaci, která sondu stabilizovala, a odstředivou sílu, která při ní vzniká. Plachta vyrobena z polyimidu o tloušťce 7,5 mikronů se pomalu roztahovala při rotaci 25 obrátek za minutu, při které působila odstředivá síla na čtyři závaží s dostatečnou hmotností 0,5 kg, které ji tak natahovaly. Hmotnost samotného polyimidu byla pouze 10 g/m2, celá plachta vážila bez zmíněných čtyř zátěží, dodatečných slunečních panelů a spojovacích lan pouhé 2 kg. Úspěšné napnutí plachty bylo potvrzeno obrázky z kamery. Celková hmotnost sondy pak byla 315 kg.

Schéma plachty použité u sondy Ikaros. 1) Směr k závažím umožňujícím napnutí plachty 2) Zařízení s tekutými krystaly (LCD), 3) Membrána plachty 4) Solární panely 5) Lana 6) Hlavní těleso sondy 7) Přístroje. (Zdroj Wikipedie).

Schéma plachty použité u sondy Ikaros. 1) Směr k závažím umožňujícím napnutí plachty 2) Zařízení s tekutými krystaly (LCD), 3) Membrána plachty 4) Solární panely 5) Lana 6) Hlavní těleso sondy 7) Přístroje. (Zdroj Wikipedie).

Velmi tenké sluneční články v daném případě sloužily spíše k testům. V budoucnu by měly posloužit k napájení iontových motorů, které by se využily jako dodatečný zdroj pohonu. Plachta sloužila k pohonu i k určování a udržování orientace. Na okrajích plachty byly tekuté krystaly (LCD panely), které mohou měnit odrazivost svého povrchu vůči slunečním paprskům. Buď mohou mít vysokou odrazivost, která zvýší tlak na plachtu, nebo mohou odrazivost snížit. Pak dochází k pohlcení a difuznímu rozptylu slunečního světla a tlak na plachtu se snižuje. To umožňuje měnit v různých místech na okraji plachty tlak a tím měnit směr pohybu. Letová kontrola musí sledovat rotaci plachty, vzdálenost od Slunce a úhel, pod kterým sluneční paprsky dopadají, aby zajistila správný kurs sondy.

Plachta se otevřela mezi 3. až 10. červnem 2010. Dne 14. června vymrštil pružinový mechanismus malou kameru, která plachtu vyfotografovala. O pět dní později byla vymrštěna druhá kamera, i ona pořídila pěkné snímky plachty. Začátkem července se podařilo zaznamenat tlak na plachtu a 23. července se podařilo s její pomocí zajistit orientaci celého zařízení. Tah plachty měl být okolo 1,12 mN. Dařilo se pak měnit směr a orientaci pouze plachtou a zmíněnými sestavami z kapalných krystalů bez použití orientačních motorů. První intenzivní test efektivity ovládání plachty byl proveden ve dnech 13. a 14. července 2010. Ověřila se metoda umožňující dosáhnout a udržovat správnou orientaci plachty i sondy, která se dá využít k udržování orientace bez nutnosti používat orientační motorky.

Sonda Akatsuki, která byla vypuštěna k Venuši společně se sluneční plachetnicí Ikaros (zdroj JAXA).

Sonda Akatsuki, která byla vypuštěna k Venuši společně se sluneční plachetnicí Ikaros (zdroj JAXA).

Kolem Venuše plachetnice proletěla 8. prosince 2010 a v prosinci byly splněny všechny zadané úkoly. Mise však pokračovala, aby se ještě lépe ověřilo fungování plachty. Plachtění trvalo do roku 2012, pak se však vlivem degradace některých systémů plachty zhoršovala kontrola orientace, což ztěžovalo i komunikaci se sondou. Projekt byl ukončen 28. března 2013 s tím, že se předpokládalo průběžné obnovování spojení pro další testy. Sonda pak střídavě upadala do hibernace a probouzela se z ní, když při zhoršené kvalitě slunečních baterií a kvůli vzdálenosti od Slunce, která byla 130 milionů kilometrů a více, upadala střídavě do stavu hibernace. Kontakt se sondou se obnovil mezi 20. červnem a 12. září 2013. Do té doby se podařilo zvýšit rychlost sondy pomocí plachty o 400 m/s. K dalšímu obnovení spojení došlo 22. května 2014. V té době byla sonda na dráze okolo Slunce s periodou okolo deset měsíců, přičemž sedm měsíců byla kvůli nedostatku energie v hibernaci. Počtvrté se zařízení z hibernace probudila 23. dubna 2015. Další probuzení už nebylo ohlášeno. Japonská kosmická agentura JAXA předpokládá, že Ikaros je předstupeň plachetnice s úhlopříčkou 50 m, kterou by v letech 2019 až 2020 chtěla vyslat k asteroidům a případně až k Jupiteru.

Článek bude mít pokračování, které na našem blogu vyjde 5. září.

Doporučená literatura:
Eugene Mallove, Gregory Matloff: The Starflight Handbook, A Pioneer´s Guide to Interstellar Travel, John Wiley & Sons, Inc, USA, 1989
Jeffrey Nosanov: Solar Systém Escape Architecture for Revolutionary Science, Phase 1 Final Report, JPL, 2013 California Institute of Technology
Philip Lubin: A Roadmap to Interstellar Flight, submitted to JBIS April 2015
Colin R. McInnes: Solar sailing: mission applications and engineering challenges.
Philosophical Transactions A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 361 (2003). pp. 2989-3008. ISSN 1364-503X
Colin R. McInnes: Solar Sailing: Technology, Dynamics and Mission Applications, Springer-Verlag, 2004, ISBN 978-1-85233-1023
Jerome L. Wright: Space Sailing, Gordon and Breach Science Publishers, 1992, ISBN 2-88124-803-9

Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic? (1. díl), 2.5 out of 5 based on 48 ratings
Pin It
(Visited 2 392 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (48 votes cast)
(Visited 2 392 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

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


41 komentářů ke článku “Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic? (1. díl)”

  1. Rudolf Šíma napsal:

    Další skvělý článek, ale opět ho musím půlku nechat na ráno. Předání hybnosti fotonem jsem pobral a je mi jasné, že křižovat proti větru nepůjde. 🙂 Díky.

  2. ptpc napsal:

    Len by som chcel doplniť, že grafén je materiál tvorený uhlíkom, ktorý má hexagonálnu štruktúru a hlavne jeho hrúbka je vlastne len jedna atómová vrstva.

  3. ptpc napsal:

    Toto bude OT ale nedá mi to nespýtať sa keď mám príležitosť.
    Pokiaľ viem jednou z vecí ktorou sa zaoberáte je recyklácia už použitého jadrového paliva(myslím že na tom spolupracujete s výskumným ústavom v Dubni pri Moskve).
    Môžem sa opýtať či sa vám už podarilo túto úlohu vyriešiť(po fyzikálnej stránke, ekonomiku zatiaľ nechajme bokom), resp. ak nie čo k tomu ešte chýba?

    • Je to docela obsáhlé téma, takže se pokusím ukázat základní fakta. Z principiálního fyzikálního hlediska není likvidace radionuklidů problém. Vznikají v jaderných reakcích a jadernými reakcemi je můžeme zlikvidovat (přeměnit na jiné, které jsou stabilní nebo mají rychlý rozpad na ty stabilní). A teď od principiální možnosti k té reálné.
      1) Nejdříve jedno zjednodušení. Vyhořelé jaderné palivo obsahuje kromě zbytku původního uranu (většiny uranu 238 a zbytku štěpného uranu 235) štěpné produkty a transurany, které vznikly záchytem jednoho nebo více neutronů uranem 238 i uranem 235 (ne vždy i u tohoto izotopu dojde ke štěpení) a následnou přeměnou beta. Štěpné produkty se přeměňují většinou jen jedním rozpadem beta doprovázeným přeměnou gama na stabilní izotopy. Většinou mají relativně krátké poločasy rozpadu a ty které mají dlouhou v řádu stovek a více let mají většinou nízkou energii rozpadu a jen pár má i kromě emise elektronů i emisi gama. Většinou se tak dominantně zaměřujeme na spálení transuranů, které jsou z radiochemického hlediska těmi nejnebezpečnějšími. V tom případě pak zbylý odpad po několika stovek let v podzemí klesne měrnou aktivitou pod úroveň třeba uranové rudy a tedy přírodního pozadí.
      2) Nejlepší reakce pro spalování transuranů je jedním nebo několik záchyty neutronů je přeměnit na štěpné izotopy (kterým je třeba uran 235 a plutonium 239) a rozštěpit je. Výhodou je, že tak produkují i energii a jsou vlastně i palivem.
      3) K tomu, abychom to prováděli, potřebujeme intenzivní pole neutronů. To je i v klasickém reaktoru, ale zde jsou toky neutronů omezené tím, že se musí udržovat štěpná řetězová reakce a reaktor musí být na kritikalitě. Musí vznikat štěpením stejný počet neutronů jako jich mizí pohlcováním (ne více). I v klasickém reaktoru se spalují transurany, ale jen ve velmi omezené míře. Zároveň je celý systém velmi citlivý na složení paliva (složky, které intenzivně neutrony pohlcují můžou být jen ve velmi omezené míře).
      4) Lepší je situace v rychlých reaktorech, Vzhledem k tomu, že záchyt a štěpení rychlými neutrony uranu 235 má daleko nižší pravděpodobnost mohou zde být daleko vyšší toky neutronů a při vhodné konfiguraci lze docela efektivně spalovat i jaderný odpad. Takové využití rychlých reaktorů se bude testovat i na nově spuštěném BN-800 v Bělojarsku. Daleko nejlepší by v tomto případě byly reaktory IV. generace založené na tekutém palivu. Jde v nich o soli s uranem a transurany. Zde lze kontinuálně transurany dodávat a produkty, které by pohlcovaly neutrony a už se nemají měnit odebírat.
      5) Ještě lepší jsou z hlediska spalování transuranů urychlovačem řízené systémy, kde nejsou hlavním zdrojem neutronů štěpné reakce, ale tříštivé reakce relativistických protonů na těžkém terči.Systém tak není citlivý na složení paliva a pokud jde i efektivní odběr štěpných produktů i transuranů, u kterých se musí chvíli počkat, než se beta rozpadem stanou štěpnými, dostaneme velice efektivní systém na spalování transuranů.
      6) Rychlé reaktory už pracují nejen v principu ale reálně. Tříštivé zdroje neutronů se používají pro materiální výzkum a další aplikace (ten největší ESS se dokončuje v Lundu). Řada testovacích systému pro urychlovačem řízené technologie byla zkoumána. Nyní se připravuje podkritický reaktor MYRHA v Belgii, který by byl reálným zařízením, které by ukazovalo a testovalo různé režimy a vlastnosti takových systémů. Na rozdíl od fúze v tomto případě je jasné, že to funguje. Co je otázkou, je získání efektivního a ekonomického systému. Pořád je otázkou, jestli v budoucnu se budou využívat dominantně rychlé reaktory a v jakém poměru se uplatní urychlovačem řízené systémy. Hodně to závisí na tom, jak moc lidstvo bude jádro pro produkci energie využívat.

      • Rudolf Šíma napsal:

        Díky za Váš čas a obsáhlé reakce jak pod tímto, tak pod Vaším minulým článkem. Čtenáře bych chtěl upozornit ještě na Vaše doplnění pod článkem o problematice FV.

      • ptpc napsal:

        Ďakujem za obsiahlu a hlavne veľmi fundovanú odpoveď.

  4. Jaroslav Alois napsal:

    400 m/S je slušný výsledek, systém napínání pomocí závaží je vtipný. Japonci jsou opět na špici v oblasti pokročilých technologií.

  5. bill napsal:

    Zasnu jake odborniky se kosmonautixu dari ziskavat pro spolupraci. Bravo! 🙂 Dalsi dokonaly clanek. Diky!

  6. Jaroslav Alois napsal:

    Tuším že Halleyovu kometu měla zkoumat americká družice která byla zničena při katastrofě raketoplánu, někde jsem to četl, ale nevím, zda měla ke kometě letět, nebo ji zkoumat z dráhy kolem Země.

    • Spartan 203, měl se vracet zpátky na zemi a platforma Spartan byla zvažována jako vícenásobně použitelná.

      • Jestli tomu dobře rozumím, tak v tomto případě šlo o do jisté míry velice náhradní řešení a sonda měla zkoumat kometu pomocí dvou spektrometrů pouze z blízkosti Země (raketoplánu) při průchodu komety periheliem

        • Přesně tak, byly použity „staré“ UV spektrometry z Marinerů. Jeden pracoval v oblasti 125 – 166 nm a druhý 160 – 320 nm.

    • Spytihněv napsal:

      Ona to byla celá řada Spartan pro opakované použití. Spartan 201 byl dokonce opravdu při pěti misích STS vypuštěn a zase zachycen. 101, 204, 206, 207 letěly jen jednou a 203 (jinak také Spartan Halley) právě s tím Challengerem.

  7. Jan napsal:

    Dobrý den,
    skvělý článek, jen bych měl malou poznámku k jednotce. Uvadíte 107W/m^2 a v závorce pak 107MW/m^2 což je o 6 řádu někde jinde. Snad se nemýlím ale nezdá se mi to.

    Jan

  8. Spytihněv napsal:

    Výborné téma, skvělý článek. Díky.

  9. ahoj napsal:

    mužu se zeptat jak vysoko je potřeba umístit družici aby se pohibovala 750 m/s vůči zemi (neboji stejnou rychlostí jako se pohibuje pás totality při úplném zatmění slunce).děkuji za odpovět.

    • Dušan Majer napsal:

      Pokud počítám dobře, tak takové rychlosti bychom teoreticky dosáhli na kruhové dráze ve vzdálenosti 711 111 km od středu Země, tedy asi 2× dále, než obíhá Měsíc.

  10. Pro rozměrovou stabilitu a manipulovatelnost by tvar deštníku byl vhodnější. Rovměž i regulace teploty. Povrch folie může být opatřen fotovoltaickou vrstvou jako zdroj regulace pohybu a chlazení- stínící folií. Vybavenost plachetnice může být doplňována následně v beztížném prostoru před vlastním startem.

  11. Petr Kasan napsal:

    Ten odstavec o sondě Atasuki – patří to do článku?

  12. Petr Kasan napsal:

    Sorry, už to vidím – Akatsuki… vynesena společně s IKAROS.

    • Spytihněv napsal:

      Plus s nimi letěl ještě i cubesat UNITEC-1, což je první (a zatím i jediný) cubesat, který se dostal na heliocentrickou dráhu.

  13. Lopez napsal:

    Ta americká nezisková společnost se nejmenuje Planetary Soviety ale Planetary Society.. 🙂 (sail.planetary.org)

    Jinak skvělý článek a těším se na další díly..

    Lopez

  14. dolph1888 napsal:

    Plachta má více nevýhod než výhod, mnoho omezení a limitů. I dnes již používaný iontový (s RTG, či panely používaný běžně na udržení Ruských satelitů či v sondě DS1) motor je lepší řešení. Má vysokou spolehlivost, opakované starty, palivo na mnoho let. V budoucnosti (možná ne tak vzdálené) bych více věřil fúzi či plazmatu (vysoký spec. impuls), v různých podobách:
    magneto-plasmový VASIMR (mikrovlnný ohřev plazmatu, 200 kW test již proběhl)
    http://nasawatch.com/archives/2015/08/nasa-and-ad-ast.html
    https://www.youtube.com/watch?v=PbK9DTMhyns
    https://www.youtube.com/watch?v=GIg6pWwezEU
    případně ještě pokročilejší a výkonnější fúzní motor (pelety magneticky stlačované)

    • Shodneme se v tom, že i já považuji jaderný pohon za perspektivnější. Proto je připravovaná kniha zaměřena hlavně na tuto oblast (které navíc i docela rozumím). Ovšem na druhé straně je nutné být informován a testovat i další možnosti. Navíc se může ukázat pro některé projekty kombinace více možností (například využití sluneční plachty či gravitačního praku ušetří palivo a umožní celkově vyšší rychlost. Je jasné, že pak je třeba porovnávat celkové zvýšení efektivity a zda vyváží nárůst komplikovanosti systému.
      Je také možné, že velký počet malých levných mikrosond se sluneční plachtou urychlených lasery bude předvojem větší sondy urychlené nějakým typem jaderného pohonu, která od nich posbírá informace a podle toho pak bude sama vypracovávat komplexnější program průzkumu a informace pošle k Zemi. Zase vše závisí na konkrétním projektu a jak se budou jednotlivé technologie vyvíjet. Je však v každém případě situaci sledovat v různých směrech.

      • dolph1888 napsal:

        Já nejsem proti testování všech možností, ale mám obavu aby nečerpaly příliš mnoho prostředků, nutných pro řešení do vzdálenějších částí sluneční soustavy, případně až za Sednu ve vzdálenější budoucnosti možná k Oortovu oblaku. Na takové mise se určitě nelze spoléhat na plachty. Vnitřní části bych přenechal dnes běžným komerčním iontovým motorům (udržují roky satelity) a v dohledné době solárními panely napájenému magneto-plazmovému motoru (nemusí jít o VASIMR řešení). I, zde se při vynášení chemickým motorem šetří mnoho hmotnosti, protože paliva k pohonu takového motoru je potřeba mnohem méně, lze využít solární panely. U malých sond mám jednu starost – životnost.

      • Milanek napsal:

        Napadlo mně co kdyby se nejednalo o čistokrevnou „hloupou“ plachetnici ale o kombinaci plachty – spíš obří solární panel + zachytávání částic „slunečního“ větru do mag. pole – v jednom svazku by se poslalo světlo pro nějaké menší urychlení, zárověn by ale sloužilo k výrobě energie která by pomocí el. mag pole vychylovala (otáčela) částice (protony/xenon?) které by se posílaly společně se světlem – takový multifunkční nosný paprsek – kde na sondě by bylo sice zařizení ale energie a zároveň palivo do iontového motoru by bylo v jednom dodávano „z venku“

  15. Jaroslav Alois napsal:

    První sondou využívající tlaku slunečního záření byl americký Mariner 4 – první úspěšná sonda k Marsu z roku 1964. Tlak slunečního záření ale využíval ke stabilizaci nikoli k pohonu. Na konce slunečních panelů byly připevněny plošky. Jak to fungovalo jsem ale nezjistil, zda byly ve stabilní poloze, či jejich náklon měnil autopilot.

  16. Spytihněv napsal:

    Jestli to dobře chápu, tak letová kontrola IKAROSe si během celého letu včetně probouzení z hibernace udržovala přehled o stavu plachty a byla schopna ji řídit pomocí LCD panelů? Není to tak, že došlo k navázání spojení pomocí přístrojů ve středu, ale plachta samotná mohla být už zmuchlaná a mimo provoz? A že by to už technici nebyli schopni zjistit?

  17. gg napsal:

    Nějak mi přijde, že solární plachetnice je mnohem méně zajímavá, než třeba takový solární tepelný pohon, ať už vodíkový nebo vodní (až se dostaneme k vodnatým asteroidům…)

  18. Petr Hájek napsal:

    Opět článek na vysoké úrovni ,často se mě stává že nemohu uvěřit jak kvalitní články jsou publikovány na neziskovém blogu bez reklam.Velký dík všem autorům i za vyčerpávající odpovedi v diskusi.

    Stejně si myslím že bez pohonu na antihmotu a její výrobu fůzí se budeme minimálně v pilotovaných misích motat max.kolem marsu.

    • Spytihněv napsal:

      O ničem dalším než o motání kolem Marsu se ještě ani pořádně neteoretizuje. A i ten Mars je mýtická záležitost. Až bude mít lidstvo zálusk na cestu někam za dráhu Marsu, tak už budeme technologicky jinde a kdo ví, co už bude na stole. Jedná se o budoucnost, které asi nikdo z nás, co čteme tenhle web, svědkem nebude.

  19. Andrej napsal:

    Skvely clanok, perfektne citanie!

    Zopar nejasnosti:

    K vypoctom sondy s plachtou s hranou 100 m a 100 kg hmotnosti. 100 kg / 10000 m2 = 0,01 kg/m2, v clanku sa pise 0,02 kg/m2, nadvazujuce vypocty som neoveroval.

    Tato sonda by dosahovala zrychelnie 0,456 mm/s2 (detail: chyba horny index). Nizsie pri casti o Cosoms 1 sa pise, ze mala 100 kg a plochu plachty 600 m2. To je pomer 0,167 kg/m2. Zrychlenie: Zrychlení dosahované pomocí plachty mělo být pouze 0,0005 m/s2, co je 0,5 mm/s2, co je radovo rovnake ako sonda s pomerom 0,01 kg/m2. Je to takto spravne?

    Opat – clanok velmi zaujimavy, kopa skvelych informacii podanych v putavej forme, vdaka zan. Tesim sa na pokracovanie, kde predpokladam bude podrobne popisany starshot.

    • Díky Andreji za upozornění. Takže vysvětlení:
      1) V tomto případě je trochu nešťastná formulace. Hmotností celé plachetnice se myslela plachetnice bez plachty a pro plachtu se počítal jako materiál dnes dostupný nejtenčí Kapton u něhož je v článku uváděno 10 g/m^2. to je pro plachtu o ploše 10 000 m^2 dohromady 100 kg, což dá pak s hmotností sondy a dalších konstrukcí plus ta hmotnost plachty dohromady 100+100=200 kg. A pak dostaneme ten poměr hmotnosti 0,02 kg/m^2.
      2) U tohoto případu se moc omlouvám. Mě tam vypadla jedna nula. Ono to vychází třeba z takového výpočtu. Jak je v článku uváděno, u Země je tlak slunečního záření 9,126 mikroNewtonu/m^2. Jestliže to vynásobíme 600 m^2 a vydělíme hmotností 100 kg, dostaneme zrychlení zhruba 50 mikrometru/s^2, což je 0,00005 m/s^2 a ne 0,0005 m/s^2. Takže je třeba to zrychlení posunout o řád níže a tím i všechny dopočtené rychlosti v tomto případě. Poprosím Dušana Majera, aby to opravil. Ještě jednou díky Andrejovi. Já věděl, že na kosmonautixu jsou velice všímaví čtenáři.

  20. Vincent Kerman napsal:

    Už se nemůžu dočkat dalšího dílu!

Zanechte komentář