Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic? (2. díl)

Na možnostech využití sluneční plachty pracovala také organizace NASA. Ta vyvinula plachtu pro program malých sond CubeSat . Ty mají standardní rozměr svých stran 10 cm a jsou vynášeny jako přívažek klasických velkých družic. Družice se sluneční plachtou Nanosail-D zaujímala na palubě rakety rozměr tří standardních rozměrů CubeSat. V první krychli byly kamery, senzory a řídící systém, v dalších dvou pak plachta. Po rozvinutí měla plachta rozměr přes 9 m2. První pokus vynést tuto družici jako přívažek při třetím startu rakety Falcon 1 proběhl 3. srpna 2008. Raketa však selhala a náklad spadl do Pacifiku. Úspěšný byl až Nanosail-D2, který využil záložní exemplář plachetnice a na oběžnou dráhu ve výšce 650 km se dostal pomocí rakety Minotaur IV 20. listopadu 2010.

Přes počáteční problémy s oddělením Nanosail-D2 od hlavního nákladu, kterým byla družice FASTSAT, se zařízení nakonec uvolnilo. Původně to mělo být 6 prosince 2010, nakonec bylo potvrzení o skutečném uvolnění zachyceno 19. ledna 2011. Podařilo se také rozvinout plachtu. Kromě testu rozvinutí plachty se hlavně zkoumala možnost zrychlení sestupu sond z oběžné dráhy do atmosféry po skončení jejich činnosti pomocí využití tlaku záření i intenzivního odporu atmosféry na plachtu. Pokud by takovou lehkou plachtu měla každá družice na nízké dráze a po konci činnosti by ji využila, dramaticky by se snížilo narůstání objemu kosmického smetí na oběžné dráze. Dne 17. září 2011 pak zařízení skončilo v zemské atmosféře, jeho pokles urychlil silný výtrysk hmoty ze Slunce.

Dlouhoexpoziční snímek přeletu sondy Nanosail-D vyfotografovaný v Leidenu v Holandsku (zdroj Marco Langbroek, NASA)

Dlouhoexpoziční snímek přeletu sondy Nanosail-D vyfotografovaný v Leidenu v Holandsku (zdroj Marco Langbroek, NASA)

Ještě je možné zmínit plánovaný projekt větší sluneční plachty, který chtěla NASA realizovat v roce 2015. Jeho název byl Sunjammer a mělo jít o plachtu z Kaptonu, která by měla vydržet extrémní změny teplot ve vesmírném prostoru. Šířka a výška plachty měly být okolo 38 m a celkovou plochou 1200 m2 mělo jít o zatím největší sluneční plachetnici. Tloušťka měla být pouze 5 mikrometrů, což by zajistilo velmi nízkou hmotnost pouhých 32 kg. Plachta by se dala uložit v prostoru o velikosti myčky na nádobí. Tah způsobený tlakem na plachtu, kterého by se v blízkosti Země dosáhlo, měl být okolo 0,01 N. Ovládání plachty by zajistily klapky na čtyřech rozích plachty, které by byly vlastně samostatnými slunečními plachtami. Nebylo by tak potřeba mít žádné motory a tedy žádné palivo. Sunjammer neměl být jen demonstrační sondou pro testování technologie sluneční plachty, ale měl mít i vědeckou náplň spojenou se sledováním slunečního počasí. Projekt však byl zrušen. Zdůvodněním byly nedostatečné záruky schopností dodavatele dokončit projekt včas.

V roce 2015 proběhl úspěšně projekt zmíněné společnosti Planetary Society. Ten byl podobný programu NASA. Její zařízení LightSail bylo modifikací projektu NanoSail. Zase šlo o zařízení využívající tří standardních rozměrů CubeSat. Po oddělení se z ní rozvinuly čtyři trojúhelníkové plachty z velmi tenkého Mylaru (tloušťka 4,5 mikronu). Celková plocha je tentokrát 32 m2 (5,6×5,6 m) a plachta by měla být jasně viditelná ze zemského povrchu pouhým okem. Celková hmotnost sondy je 4,5 kg.

Snímek LightSail 1 zachycený po svém rozvinutí na oběžné dráze 8. června 2015 (zdroj Planetary Society)

Snímek LightSail 1 zachycený po svém rozvinutí na oběžné dráze 8. června 2015 (zdroj Planetary Society)

Sonda LightSail 1 byla vypuštěna 20. květnu 2015 s pomocí rakety Atlas V vynášející miniraketoplán X-37 na velmi nízkou dráhu jen pro ověření technologie. Po dosažení oběžné dráhy a vypuštění družice se sice objevily problémy v softwaru, telekomunikaci a nakonec s baterií. Přesto se 8. června podařilo plachtu roztáhnout a technický let splnil svůj účel. Dne 14. června pak satelit vlivem brždění na zbytcích atmosféry na nízké oběžné dráze vstoupil do zemské atmosféry a zanikl.

Sonda LightSail 2 by měla být vypuštěna v roce 2016, ale nyní se předpokládá start až v březnu 2017. Družice by měla být dopravena na dostatečně vysokou dráhu zhruba 800 km nad zemským povrchem. Tam už by se mohly testovat změny pohybu docílené manévrováním s plachtou.

Pokud bude let LightSail 2 úspěšný, chce Planetary Society vyslat další dvě sondy s mnohem náročnějším programem. Úkolem LightSail 3 bude už vědecký program a také vylepšení možností ovládání plachty a efektivnějšího plachtění. LightSail 4 by pak putovala do Lagrangeova bodu L1. Tam bude sledovat sluneční bouře a zajistí včasnou výstrahu před těmito jevy, které ohrožují činnost nejen energetických sítí na Zemi.

Zajímavým testem, který se však bohužel nezdařil, byla zkouška elektrické plachty na sluneční vítr. V tomto případě by nebyla výplň plachty spojitá, ale složena z tenkých drátků délky 10 m a průměru 20 až 50 mikrometrů, mezi kterými se generuje elektrostatické pole. Neodrážela by fotony, ale nabité částice slunečního větru. Návrh využití tohoto principu pochází od finského vědce Pekka Janhunena. Tlak nabitých iontů slunečního větru by se zjistil a kontroloval pomocí změn v rotaci sondy. Testy měly proběhnout na sondě ESTCube-1, což byl estonský studentský satelit vynesený jako dodatečný náklad raketou Vega 7. května 2013. Bohužel vypouštění a roztahování plachty se nepodařilo, pravděpodobně kvůli zaseknuté cívce.

Dva prototypy sluneční plachty, které připravily pro NASA firmy ATK (nalevo) a L´Garde (napravo). Rozměr plachet byl 20×20 m a v letech 2004 a 2005 proběhly jejich komplexní testy i ve velkých vakuových komorách. (Zdroj L. Johnson, R. Young, D Alhorn et al: Solar Sail Propulsion: Enabling New Capabilities for Heliophysics).

Dva prototypy sluneční plachty, které připravily pro NASA firmy ATK (nalevo) a L´Garde (napravo). Rozměr plachet byl 20×20 m a v letech 2004 a 2005 proběhly jejich komplexní testy i ve velkých vakuových komorách. (Zdroj L. Johnson, R. Young, D Alhorn et al: Solar Sail Propulsion: Enabling New Capabilities for Heliophysics).

Jak v budoucnu?
Je vidět, že kritický moment představuje úspěšné rozvinutí plachty a zatím nepříliš ověřené fungování celého systému. To je i důvod, proč doposud nejsou ve výhledu větší meziplanetární mise s využitím plachty. Na druhé straně první zkušenosti v rámci projektu Ikaros a podrobné studie ukazují, že plachetnice by mohly být velice efektivním prostředkem pro studium vnitřních planet i hranic Sluneční soustavy. Jeffrey Nosanov z Jet Propulsion Laboratory tak provedl studium pro projekt průzkumu struktury heliopauzy, tedy oblasti, kde tlak slunečního větru přestává překonávat tlak galaktického záření a Sluneční soustava přechází v mezihvězdný prostor. V tomto případě je třeba sondy dostat do vzdálenosti okolo 100 AU.

V jeho práci se modelovaly dvě varianty plachty. Jednou byla mise s plachtou o rozměrech 250×250 m, která je dosažitelná soudobými technologiemi a druhou rozměr 500×500 m. Větší plachta se však ukázala být technologicky velkou výzvou a zkrácení doby letu neodpovídalo zvýšeným technologickým nárokům. To byl důvod, proč se doporučila menší plachta s celkovou plochou 62 500 m2. Při návrhu plachty se vycházelo ze zkušeností s přípravou plachty pro popsaný projekt Sunjammer. Hmotnost samotné sondy se všemi přístroji a podpůrnými technologiemi vyšla na 175 kg, hmotnost plachty závisí na použitém materiálu, ale pro Kapton s tloušťkou 2 mikrony by měla být i s podpůrnými strukturami okolo 825 kg.

Do oblasti heliopauzy, kde tlak slunečního větru už nestačí na překonání tlaku galaktického záření a je okrajem heliosféry se dostaly i sondy Voyager (zdroj NASA)

Do oblasti heliopauzy, kde tlak slunečního větru už nestačí na překonání tlaku galaktického záření a je okrajem heliosféry se dostaly i sondy Voyager (zdroj NASA)

Jeffrey Nosanov zvolil průlet s periheliem 0,2 AU, který je technologicky zvládnutelný. Při hledání vhodných drah se muselo vzít v úvahu, že potřebujeme dostat sondy do různých míst heliopauzy. Tedy do oblastí v rovině ekliptiky, ale také do oblastí ve směru slunečních pólů. K tomu, aby se sonda do těchto oblastí dostala, se navrhuje využít průlet okolo Jupitera. Aby se sonda dostala do blízkosti Slunce a mohla využít průletu blízkým periheliem, musí zpomalit orbitální rychlost pohybu okolo Slunce. Jsou dvě možnosti, jak to provést. První je využití raketového motoru a v druhém je možné vystačit pouze s plachtou. První manévr zrychlí a zkrátí dobu letu, druhý ušetří náklady. Celkově tak Jeffrey Nosanov rozebírá čtyři dráhy. Dvě jsou pro let do oblastí v ekliptice s využitím motoru a bez něj. Další dvě pak s využitím průletu okolo Jupitera pro vyslání do oblastí mimo ekliptiku, zase s motorem a bez něj. Použití motoru zkrátilo dobu letu zhruba o sedm měsíců. Doba letu do vzdálenosti 100 AU tak byla zhruba mezi 11 až 12 roky a do vzdálenosti 250 AU pak mezi 25 až 26 roky. Tangenciální rychlost v periheliu 0,2 AU byla ve všech případech okolo 94 km/s.

Velmi malá hmotnost sondy a velmi malé i velmi velké vzdálenosti od Slunce, kde musí pracovat, kladou značné nároky na její konstrukci. Pro zásobování sondy elektřinou se využije radioizotopový zdroj s výkonem 20 W, jehož odpadní teplo bude také sondu vyhřívat. Pro spojení nelze využít velkou směrovou anténu pro komunikaci na velké vzdálenosti, ale předpokládá se optické spojení pomocí laserového signálu.

Vědecký program by byl zaměřen na studium magnetického pole, plazmatu, částic kosmického záření a kosmického prachu. K tomu by na palubě bylo několik přístrojů, které vycházejí z modelů využitých na předchozích sondách. Celý program by předpokládal vyslání tří až deseti sond, které by mohly zajistit třírozměrné mapování heliopauzy a nejbližšího mezihvězdného okolí Slunce. To by mělo obrovský přínos pro přípravu budoucích mezihvězdných letů. Důležité je, že takový projekt je uskutečnitelný na bázi současných technologií do roku 2030 a od startu do uskutečnění hlavních cílů by uplynulo okolo patnácti let, což je akceptovatelná doba srovnatelná s jinými vesmírnými projekty.

Sluneční plachetnice by nám mohly zpřístupnit transneptunické objekty. Největší z těch známých jsou na obrázku (zdroj NASA, Wikipedie).

Sluneční plachetnice by nám mohly zpřístupnit transneptunické objekty. Největší z těch známých jsou na obrázku (zdroj NASA, Wikipedie).

Pokud by se projekt uskutečnil, mohl by stejný typ sluneční plachetnice posloužit i pro další meziplanetární mise. S daným zařízením a při použití stejného průběhu letu se k Jupiteru (5 AU) dá dostat za zhruba dva roky, k Saturnu (~10 AU) zhruba za tři roky, k Uranu (20 AU) zhruba za pět let, Neptunu (30 AU) zhruba za šest let a k Plutu, které je teď za Neptunem ve vzdálenosti 32 AU za necelých sedm let. Velice zajímavá mise by byla k objektům za Neptunem, tedy do vzdáleností, kde jsou hlavně tělesa Kuiperova pásu.

V roce 2010 byl například objeven objekt 2010WG9, který by mohl pocházet z Oortova oblaku a nepřibližuje se ke Slunci na takovou vzdálenost, aby byl pozměněn. Podobnými objekty jsou Sedna, 2000CR105 a 2008KV42. Průzkum pomocí kombinace dvou sond, z nichž jedna by dopadla s velkou rychlostí na jeho povrch a druhá by při průletu následky tohoto dopadu monitorovala, by byl velice cenný.

Popsaná vesmírná plachetnice by se nemusela vydávat pouze do vzdálených oblastí Sluneční soustavy. Umožnila by dosáhnout oblastí vzdálených od ekliptiky ve vzdálenosti od Slunce menší než je vzdálenost Země. Zde by mohla různě manévrovat a systém takových sond by byl velmi užitečný nástroj sledování slunečního počasí a celé heliosféry. Jedná se o studie sond s názvem SPI (Solar Polar Imager), Heliostorm nebo PASO (Particle Acceleration Solar Orbiter). Sluneční plachta dokáže značně zrychlit a zefektivnit cesty ke vnitřním planetám, hlavně Merkuru. Sluneční plachty by mohly pomoci ušetřit palivo i pro další mise k blízkým planetám nebo jiným vesmírným tělesům. V těchto případech by se nejspíše použila kombinace různých pohonů.

I v Hubblově teleskopu vidíme Sednu, jako skupinu ozářených pixelů. Pomůže nám ji sluneční plachetnice prozkoumat? (Zdroj NASA).

I v Hubblově teleskopu vidíme Sednu, jako skupinu ozářených pixelů. Pomůže nám ji sluneční plachetnice prozkoumat? (Zdroj NASA).

S dalším vylepšením plachetnice by se staly dostupné i další úkoly. Jednou z možností je využití gravitačního čočkování Sluncem pro zesílení světla ze vzdálených objektů a případně signálů na frekvenci vodíku 1420 MHz, která by mohla být vhodným standardem pro mezihvězdnou komunikaci. Potřebný teleskop by musel být dopraven do vzdálenosti 550 AU a jeho hmotnost by byla okolo 1000 kg. To znamená, že hmotnost celé sondy s teleskopem by byla skoro o řád větší, než analyzovaný případ sondy k heliopauze. Dala by se však použít plachetnice s devíti segmenty, které by byly popsanou plachtou 250×250 m. Celková plocha plachtoví by tak byla devítinásobná. Cesta do pracovního místa by v tomto případě trvala přes padesát let. To už je na hranici únosnosti.

Ještě delší by byla cesta do Oortova oblaku, který by se měl rozkládat mezi 2 000 až 200 000 AU, přičemž největší hustota těles je ve vzdálenost 50 000 AU od Slunce. V tomto případě už by bylo nutné využít větší plachty s nižší plošnou hustotou a také mnohem bližší průlety okolo Slunce. To znamená materiály, které v současné době nejsou k dispozici. Takový je projekt s názvem Icarus-1, který popisují Eugene Mallove a Gregory Matloff ve své klasické učebnici pro budoucí mezihvězdné cestovatele „The Starflight Handbook“. U něj by pro náklad v řádu pár desítek kilogramů bylo potřeba mít plachtu z takového materiálu, aby se pro poloměr jeden kilometr docílil poměr mezi hmotností a plochou 2∙10-5 kg/m2(0,02 g/m2). Což znamená nutnost vyvinout 500krát lehčí materiál. Tím se docílí hmotnost celé plachty s poloměrem jednoho kilometru pouhých 63 kg. Pokud by byla ze stejného materiálů, jako plachta pro předchozí sondy, bylo by to 31 500 kg. Zároveň by sonda měla využít perihelium 0,01 AU a maximální dosažené zrychlení by tak bylo 440 g (tedy 440krát větší než gravitační zrychlení na povrchu Země, které je 9,81 m/s2). Konečná dosažená rychlost by mohla být až 3600 km/s, což je 1,2 % rychlosti světla. Taková sonda by se na okraj Oortova oblaku dostal do pěti let a do jeho středu zhruba za 60 let.

Alfa a beta Centauri, kroužkem je označeno místo s Proximou Centauri. To by mohly být první cíle mezihvězdného letu (Skatebiker, Wikipedia)

Alfa a beta Centauri, kroužkem je označeno místo s Proximou Centauri. To by mohly být první cíle mezihvězdného letu (Skatebiker, Wikipedia)

Cesta k nejbližší hvězdě by ji trvala 350 let. Je tak vidět, že ani tato varianta není z hlediska doby letu k nejbližším hvězdám únosná. A to se předpokládají technologie, jejichž vývoj bude hlavně s ohledem na požadovanou plošnou hustotu plachty, odolnost celého zařízení vůči radiaci, tepelnému stresu a vysokému zrychlení ještě hodně náročný.

Existuje však možnost, jak tuto situaci vyřešit. Kvůli tomu, že tlak slunečních paprsků klesá s kvadrátem vzdálenosti od Slunce, je už ve vzdálenosti Jupitera zanedbatelný. Pokud tedy dokážeme vytvořit silně kolimovaný svazek fotonů s co nejmenší divergencí zaměřený na plachtu, můžeme docílit tlaku, který nebude klesat s kvadrátem vzdálenosti a obecně bude klesat velmi pomalu. Jak konkrétně, závisí na zmíněné divergenci.

Lasery ozařovaná plachta
Další možnost, jak využít plachetnici, je tak využití svazku z velice výkonného laseru pro její pohon. Plachta potřebná pro tyto účely je velmi podobná a zároveň může být značně odlišná od té, která se využívá u sluneční plachetnice. Předpokládá se, že v tomto případě půjde o velmi koncentrovaný svazek. Plocha plachetnice tak nebude muset být tak velká, ale na jednotku plochy bude dopadat daleko větší výkon záření. Při nejbližších průletech sluneční plachetnice (0,01 AU) se předpokládal výkon dopadající na jednotku plochy okolo 10 MW/m2. Pro relativistické plachetnice poháněné laserem se uvažuje až o hodnotách jednotek až desítek GW/m2. V tomto případě se kritickým stává odrazivost povrchu. Pokud by nedosahovala hodnot 99,999 % a více, tak plachta překročí zvladatelné teploty. V současnosti se daří produkovat multivrstevné dielektrikum na pokovené plastické fólie. Současné fólie mají tloušťku 10 mikrometrů a dá se dosáhnout až 1 mikrometrů. Jejich maximální dosahovaná odrazivost je až 99,995 %. Je však třeba doplnit, že dielektrická vrstva je vyladěna pro jednu vlnovou délku laserového světla, tedy ne pro sluneční světlo. Stejná dielektrická vrstva na povrchu pokovených zrcadel umožňuje dosáhnout odrazivost až 99,999 %. To znamená, že absorpce je pouze 10 ppm (ppm je díl na jeden milion). Ještě nižší absorpci 0,5 ppm mají zrcadla detektoru LIGO. V tomto případě však má zrcadlo tloušťku několik centimetrů. Podrobněji o detektoru LIGO zde.

První možností je využít lasery, které by ozařovaly plachtu sluneční plachetnice, která by se po průletu periheliem vzdálila od Slunce na vzdálenost takovou, že tlak slunečního záření už je malý. Světlo laserů pak bude dále zvyšovat už dosaženou rychlost. Tam je ovšem třeba vážit, jestli se vyplatí taková kombinace nebo bude vhodnější zůstat čistě u urychlování pomocí laserů. Kombinace se nabízí spíše pro větší sondy, které je třeba urychlovat dlouhodoběji a jde spíše o menší hodnoty zrychlení.

Pokud chceme dosáhnout relativistické rychlosti i pro jen velmi malou sondu, potřebujeme celkový výkon, který musí být v oblasti gigawattů. Nemusí jej produkovat jeden extrémně výkonný laser, ale koordinovaná soustava velkého až velmi velkého počtu relativně malých laserů s výkonem v oblasti jednotek až desítek kilowattů. Sladění takového systému však představuje obrovskou výzvu. Napájení těchto laserů může zajistit dostatečně rozlehlé pole fotovoltaických panelů. Pravděpodobně výhodnější bude systém ve vesmíru, například na Měsíci, protože v případě pozemských laserů je třeba počítat s vlivem zemské atmosféry na laserový svazek. Vzdálenost, do které je skvrna vytvořená laserem menší než plachta, závisí na divergenci svazku a optických vlastnostech a velikosti systému laserů. Při správné kombinaci parametrů by to mohlo být až do vzdálenosti desítek astronomických jednotek.

Velice podrobný rozbor zaměřený na urychlení extrémně malých sond na relativistické rychlosti (hodnoty v desítkách procent rychlosti světla) a jejich vyslání k nejbližším hvězdám publikoval Philip Lubin z University Santa Barbara. Ten také s kolegy vypracoval řadu studií budoucího systému laserů pod označením DE-STAR (Directed Energy Systém for Targeting of Asteroids and ExploRation). Příslušné lasery a jejich soustavy jsou atraktivní pro vojenské účely a studuje je i DARPA. Laserová pole by se měla postupně v několika fázích vybudovat na základě modulární filosofie založené na existujících laserech a optice. Měla by umožnit pomocí plachty velikosti v řádu jednotek metru urychlit ultramalou sondu na relativistické rychlosti. První stupeň DE-STAR-1 bude laserová plocha čtvercového rozměru s hranou 10 m, DE-STAR-2 pak 100 m a dále. Konečný úplný systém DE-STAR-4 s výkonem mezi 50 – 70 GW by dokázal urychlit sondu o hmotnosti v řádu gramů s plachtou o rozměru metru na rychlost 26 % rychlosti světla během deseti minut. Sonda by za 30 minut dosáhla Marsu, předběhla Voyager I během tří dnů, vzdálenosti 1000 AU by dosáhla za 12 dní a ke hvězdě Alfa Centauri by doletěla za 15 let. Ovšem sonda musí přežít zrychlení 20 000 g. Stejné zařízení by sondu o hmotnosti 100 kg urychlilo na rychlost rovnou 2 % rychlosti světla a loď o hmotnosti 10 000 kg na více než 1000 km/s.

Na snímku Hubblova teleskopu je Proxima Centauri, která je kromě Slunce k nám nejbližší hvězda (zdroj NASA).

Na snímku Hubblova teleskopu je Proxima Centauri, která je kromě Slunce k nám nejbližší hvězda (zdroj NASA).

Výhodou programu je, že lze s testy začít u velmi malých výkonů systému v řádu jednotek kilowatt a urychlování od mikrogramových těles k těm větším na rychlosti, které jsou od 10 km/s u lehkých těles po 100 m/s u větších. Systém se pak může rozšiřovat až k popsaným možnostem urychlování na relativistické rychlosti. Hlavní je, že praktické testy je možné zahájit už nyní. Cesta k mikrosondám, které by putovaly ke hvězdám, jsou obrovskou výzvou pro miniaturizaci. Je třeba řešit napájení elektřinou, komunikaci či možnosti změny směru. Napájení by mělo být řešeno malým radioizotopovým generátorem s výkonem v řádu zlomku wattu. Vzhledem k současnému nedostatku plutonia 238 i předpokládané potřebě delší doby životnosti zařízení se předpokládá využití americia 241, i když to znamená větší hmotnost. Podrobněji o současném stavu v oblasti radioizotopových zdrojů zde a zde.

Projekt Breakthrough Starshot (Průlomový výstřel ke hvězdám), který by měl realizovat mikrosondy na tomto principu, představili nedávno ruský miliardář Jurij Milner a fyzik Stephen Hawking. V dozorčí radě projektu je i zakladatel Facebooku Mark Zuckerberg. Věří, že se jim všechny problémy s extrémní miniaturizací a vyřešením synchronizované práce obrovských polí laserů podaří v dohledné době postupně vyřešit. Přehled těch hlavních lze nalézt zde. Popisovaný projekt počítá s umístěním laserů na zemském povrchu a jednou s klíčových výzev je korekce na vliv atmosféry. Je sice možné, že jsou naděje zmíněných osobností liché, ale znalosti získané při této cestě se využijí i při uplatnění jiných metod vesmírné dopravy i v řadě dalších oblastí. Pokud se však alespoň částečně splní, byla by to perfektní zkratka, která by nám umožnila pomocí sice velice malých a jednoduchých sond, ale vypouštěných ve značném množství stovek i tisíců, prozkoumat vzdálené oblasti Sluneční soustavy i mezihvězdný prostor a snad i nejbližší hvězdy. Možnost doby letu alespoň miniaturní sondy k nejbližší hvězdě okolo patnácti až dvaceti let je opravdu velmi lákavá.

Závěr
I když je idea sluneční plachetnice zvažována už od počátku dějin kosmonautiky, s její realizací jsme pořád na úplném počátku. Problémy zůstávají s rozevíráním plachty a prozatímní testy mají jen omezenou úspěšnost. Zatím jediným reálným letem sluneční plachetnice byl japonský Ikaros, který proletěl kolem Venuše. Současnými technologiemi je dostupné vyslání sluneční plachetnice z hmotností několika stovek kilogramů, která by využila blízkého průletu kolem Slunce a dostala se k nejvzdálenějším planetám, do Kuiperova pásu a prozkoumala heliopauzu.

Velice atraktivní by mohlo být v tomto případě kombinování sluneční plachetnice s iontovým motorem, kterému by energii dodával radioizotopový zdroj. To by umožnilo sondě manévrování ve vzdálených oblastech Sluneční soustavy a například návštěvu u více těles Kuiperova pásu. Kombinace s jinými druhy pohonu je nutná i v případě, že potřebujeme zpomalit, například v případě přistání na nějakém tělese. Obecně může být kombinace různých druhů pohonu velmi výhodná, je však vždy potřeba vážit, zda je nárůst složitosti sondy vyvážen výhodami jejich kombinace.

Za hranicí možností je zatím vyslání byť i velice malé sondy s hmotností v řádu gramů za hranice Sluneční soustavy a k nejbližším hvězdám. Zajímavá je v tomto případě myšlenka urychlování pomocí relativně malé plachty a ozařování velmi výkonnou soustavou velkého počtu laserů. Tento projekt sice potřebuje několik technologickým průlomů, ale je možné u něj postupovat i po malých krocích. Je zde vysoká šance, že se tak poměrně levně a jednoduše získají informace o našem nejbližším mezihvězdném prostředí. Ty jsou klíčové pro libovolné plánování budoucích větších mezihvězdných misí.

Bez kombinace různých pohonů se neobejde větší mezihvězdná mise. Ještě větší důležitost to má v případě, že budeme předpokládat zbrzdění sondy u cílové hvězdy. Zde se dá také částečně využít sluneční plachta i gravitační pole cílové soustavy, ale bez dalších motorů se to neobejde. Sluneční plachta však může významně přispět k úsporám paliva.

Než se sluneční plachtění stane běžným nástrojem zkoumání vesmírného prostoru, je třeba vyřešit obrovské množství technických problémů, kterých jsme se jen zběžně dotkli nebo je zde ani nezmínili. Přesto si však myslím, že vesmírné plachetnice mají obrovský potenciál. Vše záleží hlavně na tom, jestli se lidstvo pro vesmírné výboje rozhodne. I to rozhodne, jestli se do seznamu možných povolání dostane i kapitán sluneční plachetnice.

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? (2. díl), 2.5 out of 5 based on 39 ratings
Pin It
(Visited 1 764 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (39 votes cast)
(Visited 1 764 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)


18 komentářů ke článku “Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic? (2. díl)”

  1. Rudolf Šíma napsal:

    Skvělá práce. Díky.

  2. Ričrd napsal:

    Dejme tomu, že už letí sonda, o hmotnosti několika gramů, 26% rychlosti světla, někam do pryč. Nedovedu si představit užitečnost té sondy. Kolik vědeckých přístrojů a zařízení ke komunikací se Zemí se vejde do několika gramů? Jak bude provádět měření, když proletí kolem cíle mise 26% rychlosti světla?

    • Lopez napsal:

      – První otázka se zodpoví sama, dokud se miniaturizace nepovede tak se nikam neletí.
      – Když to otočíme, pokud by takovou sondu poslal někdo k nám, tak naší sluneční soustavou proletí za 53 hodin, za tu dobu už se ledacos zjistit a změřit dá. Jistě, byly by to jen základní data, pro nás banální, ale pro někoho, kdo si je vědom toho, že se sem fyzicky nikdy nepodívá to budou data neocenitelná.
      – Ve srovnání s náklady na vývoj a na stavbu sítě výkonných laserů už je cena jedné sondy zanedbatelná, tudíž v tomto stádiu by už nebyl problém poslat k jednomu objektu desítky sond nebo rozeslat tisíce sond po okolí. Výsledný souhrnný obraz z tisíců měření u okolních hvězd by byl ještě cennější než jednotlivé měření.
      – Poznámka bokem, k Alfa Centauri by sonda doletěla za 15 let ale na výsledky průzkumu bych čekali dalších 4,5 let.
      – Opravdovou otázkou tak je, co se dá měřit z objektu, který se pohybuje rychlostí 280 miliónů km/h.

      • HnD napsal:

        Obávám se, že nacpat do několika gramů vysílač, co vyšle něco smysluplného na takovou dálku je spíše nemožné.
        Měřit nějaké veličiny při takto velkých rychlostech jistě půjde, spíše bych se obával toho, že po cestě dojde k nějaké srážce, která bude pro takto urychlenou sondu fatální.

        • ventyl napsal:

          myslim, ze tak ako mnoho ludi s rovnakym posolstvom („je to nemozne“) pred vami, sa proste nevyhnutne mylite 🙂

          co sa tyka miniaturizacie, tak ta leti tak zavratnym tempom, ze sondy dosahujuce rozumnych velkosti, schopnosti a radiacnej odolnosti mozu byt hudbou podstatne blizsej buducnosti, nez by optimisti predpokladali.

          ak sa to vezme tak, ze sonda v podstate nie je schopna manevrovat, takze sa moze z ovladacieho SW kompletne vypustit attitude control, dostaneme pomerne primitivne zariadenie, ktore data zozbiera a odosle. vysoko pravdepodobne sa bude pouzivat laserova komunikacia, takze odpadaju aj problemy so spravnym casovanim vysielania tak, aby sa 2 signaly vzajomne nerusili pri prijme cez DSN.

          cely koncept by mohol dat vzniknut niecomu ako interstellar microcontroller. ani ta radiacna odolnost by sa nemusela brat az tak vazne, ak by sa taketo sondy pustali na stovky.

          keby take zariadenie malo spravne nacasovane laserove impulzy, ktore by este aj na velku vzdialenost mali dostatocnu intenzitu (co pri zariadeni so spotrebou radovo jednotky az desiatky watt a pri intenzite laseroveho dela 10^9W / m^2 nemoze byt az tak velky problem), dokonca by si po velku cast letu nemuselo niest ziaden zdroj energie (hmotnost–). laserove impulzy by ho dokazali aj napajat (parazitne napajanie snimacov sa vyuziva uz dnes pri niektorych typoch digitalnych zbernic – snimac potom nema plusovy vodic, ale napaja sa zo signalneho drotu).

        • kolemjdoucí napsal:

          ventyl

          …teorie je to hezká jen bude třeba počkat na novou fyziku, neboť bez ní je to v této podobě reálně nerealizovatelné (prostor není prázdný z hlediska hmoty, ani energií, takže rozptyl a rušení není zanedbatelné).
          Pokud bychom se chtěli alespoň trochu přiblížit realizovatelnosti, bude třeba vybudovat na cestě energetické a retranslační stanice (samozřejmě pokud nebude k dispozici lepší způsob pohonu, technologie pro změnu vlastností prostoru, či jiná dosud neobjevená technologie).

          PS: kapitána slunečních plachetnic pro práci na palubě nevidím jako perspektivní zaměstnání (samozřejmě pokud by pracoval na drobnějších projektech ze Země, je to již perspektivnější)

  3. marian napsal:

    Vynikajúci článok. Len drobnosť – ten popisok k fotografii „Návrat sondy Nanosail-D do atmosféry…“ nie je správny. Na fotografii je totiž dlhou expozíciou zachytený len bežný prelet družice Nanosail, nie jej vstup do atmosféry.

  4. Andrej napsal:

    Opat dakujem za skvely clanok, vyborne nadvazujuci na predchadzajuci diel.

    Niekolko drobnosti:

    … docílil poměr mezi hmotností a plochou 2•10-5 kg/m2(0,02 g/m2). – usiel horny index pre 10^-5.

    … gravitační zrychlení na povrchu Země, které je 9,81 m/m2) – jednotka ma byt asi m/s2.

    (ppm je díl na jede milion) – jeden.

    kterých jsme se jen zběžně dotkly – nie som sice Cech, ale zda sa mi, ze dotkly by bolo len v zenskom rode.

  5. Lopez napsal:

    Děkuji za skvělý souhrnný článek.

    Osobně vkládám veškeré nadějě do oněch malých satelitů o velikostech cubesatů. Dokud se tyto nerozšíří a neosvědčí, tak se nikdo do složitějších misí pouštět nebude.

    Naopak satelit velikosti bochníku chleba, vynesený na orbitu jako vedlejší náklad a pohybující se po sluneční soustavě jen díky energii slunce by si mohla dovolit kdejaká univerzita. A klidně by se mohly vyrábět ve větších seriích.

    • Lopez napsal:

      A ještě dovětek k sondě LightSail 2, v červnu oznámili, že budou součásti prvního komerčního letu Falcon Heavy. To po událostech z minulého týdne na březen 2017 bohužel nevypadá.

  6. Spytihněv napsal:

    Velmi zajímavé představení zatím spíše futuristické možnosti mezihvězdného cestování za přijatelnou dobu. Případná realizace je sice ještě velmi daleko, ale už za pár let by v projektu Breakthrough Starshot mohlo dojít k prvním testům technologií i mimo LEO. U takovýchto spíše spekulativních projektů je důležité, aby se opravdu alespoň něco málo dělo a my, jako veřejnost, jsme měli možnost neustále něco sledovat.

    Pokud jde o vědecký přínos rychlého průletu cizí hvězdnou soustavou, proč nutně vyžadovat něco velkého? Copak nestačí informace, že se věc podařila, případně jen opravdu základní údaje o tom, co sonda potká? Podívejme se na první Sputnik. Po vědecké stránce dost k ničemu. Ale byl to průlom. Samozřejmě pokud se podaří vyřešit otázku miniaturizace přístrojů a přenosu informací na Zemi, tak čím víc tím líp, ale jako podmínku bych to hned neviděl. Navíc vývoj sám o sobě může odstartovat různé nové projekty, které se využijí na skromnější cíle v rámci naší soustavy.

  7. HnD napsal:

    Úžasný článek, jen bych pro úplnost a trošku provokativně doplnil, že kapitáni nebudou potřeba nikdy.
    Až pokročí doba natolik, že bude možné postavit a uřídit plachetnici s posádkou (lidé a systémy pro udržení života jsou strašně těžcí), tak místo kapitánů a posádky dávno vše obstará počítač a servisní roboti.

    Při čtení jsem si vzpomněl na vydařenou povídku od Jacka Vance – Solární plachetnice 25. Rozhodně doporučuji všem fanouškům kosmonautiky.

  8. Jaroslav Alois napsal:

    Aby vysilač u nejbližší hvězdy dokázal na Zem poslat nějaká data musel by mít obrovský výkon v řádu MV, což nedokáže ani sonda vážící v tunách, natož v kilogramech.

    • hansnasa napsal:

      Pak by to chtělo nějaký kvantový vysílač,který by neměl tak vysoké energetické nároky a jakákoli vzdálenost pro něj není překážkou.

  9. Martin Krupicka napsal:

    Pokud plachty pro laserem poháněné plachetnice mají odrazivost vyladěnou na jednu vlnovou délku, jak se vyrovnají s Dopplerovým efektem?

    A co se týče možnosti komunikace, tak má sonda k dispozici nějaký ten gigawat výkonu v podobě odraženého světla. Tj.s trochou snahy by mohla data modulovat pomocí drobných změn odrazivosti. Protože předpokládám, že se bude snažit udržovat plachtu kolmou na dopadající laserový svazek.

    • Dan napsal:

      Dopplerův jev by se dal eliminovat, pokud se použijí lasery na volných elektronech, které se dají ladit v docela širokém spektru.

Zanechte komentář