Cesty ke hvězdám

Cesty ke hvězdám

Tomáš Petrásek, 2007

 

 

Za jaksi samozřejmé považujeme, že jednou, až osídlíme Mars a Měsíc a prolétáme celou sluneční soustavu, nebo snad ještě dříve, pustíme se dál – k miliónům hvězd, které představují výzvu pro stovky generací vědců i snílků. Ovšem není to jen tak, jak se zdá.

 

Základní jednotkou rychlosti v kosmu, a současně limitem pro jakoukoli představitelnou technologii, je rychlost světla (c). Ta činí asi 300 000 km/s.

Vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok, nazýváme světelným rokem.

K nejbližší hvězdě je to 4,3 světelné roky, což je 7000x dále než na Pluto, 300 000x dále než ke Slunci a stomiliónkrát dál než na Měsíc!

Rychlost dnešních lodí je přinejlepším 0,01%c. VASIMR, jaderný pohon vyvíjený pro let k Marsu, dosáhne nejvýše asi 0,1 - 0,3%c.

I nejlepší současné motory by pro mezihvězdný let potřebovaly 43 000 let, VASIMR pak 4 300 let , což je doba skutečně nesmyslná. I pro sondy nebo jiné časově tolik nelimitované lodi potřebujeme rychlost alespoň desetinásobnou.

 

Parametry kosmických motorů

Laici si obvykle myslí, že raketa stoupá díky tomu, že se vypouštěné plyny „opírají“ o zem, popř. o vzduch (tedy že raketa stojí, popř. balancuje na vlastním plameni, jak se často říká), a pak se diví, že funguje i v širém kosmu, kde se není o co opřít. Tato představa je ale nesprávná.

 

Raketa se pohybuje čistě díky zákonu zachování hybnosti neboli akce a reakce. Vystřelíme-li z pušky kulku směrem vpřed, dá se puška do pohybu směrem opačným, a to tím pomaleji, čím je vzhledem ke kulce těžší. Jak každý střelec dosvědčí, zpětný ráz pušky nezávisí na tom, zda kulka zasáhne nějaký cíl nebo ne – není tudíž potřeba, aby se do něčeho „opřela“.

Pokud bychom coby myšlenkový experiment instalovali na vozík nebo člun kulomet, mohli bychom jej použít namísto motoru (i když by to asi nebyl zrovna ten nejefektivnější pohon). Stejně, tzv. reaktivním pohonem, se uvádí do pohybu raketa, jen namísto kulek vypouští z trysek žhavé plyny, popř. plazma či jinou látku. A samozřejmě platí, čím více paliva vychrlíme a čím vyšší rychlostí, tím více je (v opačném směru) urychlena sama raketa.

 

Je jasné, že různé kosmické lodi jsou „různě rychlé“. Jenže pohyb v kosmu je pro pozemšťana dosti neintuitivní – na Zemi jsme omezeni třením, v případě letu gravitací, takže aby se vozidlo či letadlo pohybovalo, musí jeho motor běžet víceméně trvale. Má také smysl mluvit o dojezdu či doletu daného stroje a o jeho maximální rychlosti, tedy v tom smyslu, že např. maximální rychlost daného auta je tolik a tolik kilometrů v hodině.

V kosmu je ale vakuum. Pokud uvedeme objekt do pohybu, bude se díky setrvačnosti pohybovat stále ve stejném směru a stejnou rychlostí, dokud ho „něco“ nezastaví – hovořit o „doletu“ rakety je tedy ošidné – dolet je v podstatě neomezený, jen doba letu může být nepohodlně dlouhá.

 

Uvažujeme-li o výkonu kosmické lodi, nemluvíme o rychlosti, ale o „změně rychlosti“ nebo o „zásobě rychlosti“ kterou značíme ΔV (čteno delta ) nebo prostě delta-v. Celková delta-v lodi by byla dosažena, kdyby tato v dokonale prázdném prostoru spálila veškeré svoje palivo.

 

Důležitým, ba zásadním kritériem výkonnosti rakety je specifický impuls (Isp). Používá se buďto jednotka N·s/kg, přičemž daný specifický impuls odpovídá efektivní rychlosti, kterou spaliny opouštějí kosmickou loď, anebo častěji je jednotkou sekunda. Platí, že Isp v sekundách je desetkrát (přesnějí g-krát) menší než tatáž veličina měřená v N·s/kg (záměna jednotek je častým zdrojem nedorozumění). Tak například raketoplán, disponující chemickým raketovým motorem, má specifický impuls 450 sekund, nebo 4500 N·s/kg, a efektivní rychlost spalin je tedy 4500 m/s. Běžný iontový pohon má Isp kolem 3000 s. Co ale tato čísla znamenají? Je to v podstatě „efektivita“ využití paliva, laicky řečeno kolik raketa žere. Máme-li k dispozici určité dané množství paliva, čím vyšší je Isp, tím vyšší bude výsledná delta-v, nebo naopak, pro dosažení stejného delta-v nám při vyšším Isp postačí méně paliva.

Jak bylo řečeno, Isp je přímo úměrný rychlosti odlétajících spalin. Víme-li, že s teplotou roste rychlost pohybu molekul, nepřekvapí, že Isp můžeme zvýšit zvyšováním teploty vypouštěného paliva.

Specifický impuls nám sice říká, jak velké rychlosti náš stroj s určitým palivem dosáhne, ale neříká, jak dlouho mu to potrvá! To nám říká druhá klíčová veličina, tah, tedy konkrétní síla, kterou raketa působí. Například iontové motory mají většinou úžasný specifický impuls (třeba 3 000 s), ale nepatrný tah. Působí silou, která by na Zemi nezvedla ani list papíru, ale zase vydrží i s minimem paliva pracovat velmi dlouho, takže nakonec dosáhnou působivé změny rychlosti – podle hesla, že trpělivost přináší růže. Pro mise s posádkou je to nepraktické, neb manévrování je potom dlouhodobá záležitost, co je nám tedy platné, že stroj vystačí s minimem paliva? Pro satelity a sondy je to ale ideální.

 

Abychom letěli rychleji, nestačí jen postavit větší loď a nacpat ji palivem. Vézt více paliva je totiž ošidné, protože neuvádíme do pohybu jen kabinu, ale i samotné palivo pro další část letu. Takže vzít si dvakrát víc paliva a doufat, že poletíme dvakrát rychleji, je trochu naivní. Jak se chová raketa ve vztahu k Isp a množství paliva snad trochu osvětlí tabulky (viz níže).

Je evidentně schůdnější vynalézt dokonalejší technologie, jak zvyšovat specifický impuls a pokud možno při tom neukrátit tah.

Zde ale potřebujeme zapřáhnout přinejmenším štěpnou energii atomu, jak ji známe z jaderných elektráren a bomb, anebo ještě něco víc.

Nukleární štěpení

Jaderné reakce poskytují mnoho energie, mnohem víc než hoření vodíku. To inspirovalo autory konceptů tzv. nukleárních termálních motorů.

Základní myšlenkou je postavit motor tak, aby teplo reaktoru zahřívalo hnací látku – čím teplejší totiž hnací látka je, tím rychleji se částice pohybují, tím efektivněji nás žene dopředu a tím méně raketa „žere“. Ovšem je tu problém – nikoli s reaktorem, ten je schopen vyprodukovat jakékoli kýžené teploty, ale s jeho obalem. I bez větších technologických znalostí jistě uznáte, že roztavený motor je špatný motor. A to je právě strop, který atomové rakety omezuje nejvýrazněji, dokonce tak, že se o tomto konceptu příliš neuvažuje. Isp totiž činí nanejvýš 900 s, což není dramaticky vyšší než u běžných raket, navíc vlastní motor s reaktorem je těžký a má bezpečnostní rizika.

 

Velmi zajímavým konceptem, i když je nukleární jen nepřímo, je VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, nikoli „Vasmir“ jak neznalci často komolí!) Zde je do poměrně složitého systému vháněn vodík ionizovaný radiovými vlnami, které jej současně zahřejí na extrémní teplotu (obdoba mikrovlnné trouby). Následně je vypuzen systémem magnetických trysek. Výhodou VASIMRu je možnost regulovat Isp v rozmezí 1 000 – 30 000 s, přičemž je nepřímo úměrný tahu.

Ačkoli pohon sám není jaderný (a tedy nijak neznečišťuje okolí), potřebuje jaderný reaktor k zajištění energie. Jednou z jeho nevýhod je tedy i značná hmotnost. Uvažuje se však o jeho nasazení pro let člověka na Mars.

 

Zajímavým nápadem je, neobtěžovat se s palivem a reaktorem, ale odpálit atomovou nálož mimo loď, kde není teplota nijak limitovaná. Vakuum snese všechno. Loď to ovšem musí přežít a také musí vzniklou energii v podobě rychle letících částic nějak zachytit. Tyto problémy řeší takzvané nukleární pulsní pohony.

 

Jedním z prvních konceptů byl projekt Orion, podporovaný americkou armádou v 50. a 60. letech. Byl to plán geniálně jednoduchý – a jen těžko uvěřit, že patrně skutečně funkční. Nedaleko za lodí měly být detonovány malé nukleární bomby, jejichž tlaková vlna měla působit na kovový plát na zadní části lodi. Vzniklá síla pak plavidlo tlačila vpřed. Prudké nárazy tlakových vln měly být zmírňovány odpružením, nejspíše kombinací „airbagů“ a tlumičů.

Navzdory zdánlivé primitivnosti byl tento systém velice výkonný – dokázal by hravě odstartovat přímo z povrchu Země i s velice těžkým nákladem a exceloval by i v čistě meziplanetární přepravě.

Spotřeboval by relativně málo paliva a dosahoval by rychlostí zajímavých přinejmenším pro meziplanetární lety. Výzkum se dostal až k funkčním modelům poháněným klasickou trhavinou a k měření vlivů jaderné exploze na tlačný plát. Vše vypadalo slibně, ale jednak politické klima nebylo projektu nakloněno, jednak mezinárodní dohody zakázaly jaderné výbuchy v kosmu. Možná je škoda, že se situace nevyvíjela jinak – místo „pouhého“ Apolla jsme už v 60. a 70. letech mohli dobýt celou Sluneční soustavu. Ale na druhou stranu, vzlet takového jaderného kolosu by tehdy mohl vyvolat třetí světovou válku – a za to to vážně asi nestálo.

Start takové lodi z povrchu Země by způsobil silný radioaktivní spad, takže prakticky myslitelné jsou pouze Oriony odpalované z vesmíru, kam by je dopravila klasická raketa. Pokud by jaderné motory byly spuštěny až teprve daleko od Země, byl by vliv rozprášených radionuklidů v meziplanetárním prostoru mizivý (vesmír je sám o sobě tak promořen částicemi a zářením, že nějaká atomovka už jej vážně nevytrhne!). Jediný nepříznivý efekt by mohl souviset s elektromagnetickými pulsy při explozích, které by mohly poškozovat blízké satelity.

Je zajímavé, že čím je Orion větší, tím je efektivnější. Meziplanetární Orion by měl průměr plátu 10 – 20 m a Isp 1850 – 3150.. Pro „rychlý“ mezihvězdný let by byly výhodné skutečně obří exempláře, s průměrem 5-20 km! Takové lodi mohou údajně dosáhnout rychlosti 1 – 3% c. (Možná dokonce 3-5%, viz http://en.wikipedia.org/wiki/Orion_project) Výkon Orionu lze zvýšit užitím vodíkových bomb (kombinace štěpení a fúze), a to snad až na 8-10%c (stejný zdroj informací).

 

Specifické impulsy Orionu se tedy pohybují v širokém rozmezí a na zdánlivou primitivnost lodi jsou excelentní. Pokročilá meziplanetární loď už by to dotáhla někam ke 20 000 s, a gigantické mezihvězdné lodi (průměr stovek metrů až desítek kilometrů!) poháněné vodíkovými bombami by „udělaly“ až Isp 150 000 – 1 000 000 s!!!

 

 

POZOR! Jméno Orion bylo v době zcela nedávné americkou NASA „recyklováno“ pro zcela jiný typ kosmické lodi – chystaného nástupce raketoplánu (podobného ovšem spíše staršímu Apollu), dříve známého jako CEV – Crew Exploration Vehicle. Toto kosmické plavidlo, určené pro mise k Měsíci a eventuálně i k Marsu, bude poháněno konvenčními raketami. Proto není radno zaměňovat jej se starými nukleárními Oriony, s nimiž nemá skutečně vůbec nic společného. Aby se to nepletlo, Orionovým jmenovcem byl i přistávací modul Apolla 16. Člověk by skoro čekal, že raketoví inženýři budou mít poněkud více fantazie co do pojmenování svých dítek…

 

 

 

Kosmická loď ORION

 

Zobrazený typ patří k těm menším, průměr tlačného plátu je pouhých 10 m, celková výška 49 m.  Byla určena pro let na Mars, na oběžnou dráhu měla být vynesena raketou Saturn, aby se zamezilo škodám na životním prostředí. Byl to jeden z posledních (a nejskromnějších) návrhů těchto lodí vůbec, předtím, než byl projekt nadobro zrušen.

 

 

1.        Kabina s protiradiačním krytem, pozorovatelnou (ve špici) a řídícím sálem, sloužící zároveň jako záchranná člun.

2.      – Přístupové šachty

3.      – Prostory posádky (2 podlaží, průměr 7,2m)

4.      – Návratový modul pro vstup do atmosféry (podobný Apollu), vlevo rozložený při transportu, vpravo letová konfigurace.

5.      – Sklady materiálu

6.      – Přídatné sklady paliva

7.      – Pohonný modul – sklad paliva, oleje, chladících tekutin ap.

8.      – Tlumiče

9.       – Ejektor pulsních jednotek

10.   Airbagové tlumiče tlačného plátu

11.   – Tlačný plát (průměr 10 m)

 

 

 

 

Ještě vyšší účinnosti pulsních systémů by bylo dosaženo, kdyby byly produkty exploze zachycovány na větší plochu, než je pouhý železný plát. Při větší vzdálenosti od epicentra výbuchu může být záchytná tlačná plocha mnohem méně masivní a zároveň rozsáhlejší, takže nezažívá tak drastické tlakové vlny, ale zároveň zachytí mnohem větší podíl z celkové energie výbuchu. Tak uvažovali tvůrci konceptu Medusa. To měla být loď, před níž měla být upevněna veliká „plachta“ (trochu něco na způsob solární plachetnice). Atomové pumy se měly házet před loď, a jejich rázová vlna působila právě na tuto plachtu.

 

Výhody obojího kombinuje další typ lodi – takzvaný MagOrion (nejde o odvozeninu od slova magor, ale zkratku – MAGnetický Orion). O tom mám dosti málo informací – jen to, že k explozím mělo docházet za lodí jako u Orionu, pouze s tím rozdílem, že energie byla zachycována pomocí magnetického pole. To mělo vytvářet několik smyček supravodiče o obřích rozměrech. Výhod je několik – není třeba rozměrných a k poškození náchylných plachet, pole nic neváží a může být mnohem větší než plachta i než tlačný plát. Magnetické pole v kombinaci s pulsním pohonem využíval koncept Daedalus (viz níže).

Akcelerace pulsní lodi by se nutně děla skočně – při nárazu tlakové vlny by byla doslova vymrštěna vpřed. Orion a Medusa by musely být vybaveny obřími tlumiči, aby vůbec mohly nést lidskou posádku. MagOrion by na tom byl lépe. Magnetické pole údajně reaguje natolik pružně, že tento problém není výrazný.

Magnetické pole je také možné použít k brzdění bez ztráty paliva, protože se může opřít i o řídkou mezihvězdnou hmotu a loď zvolna zpomalit. To je docela užitečné, protože jinak musíme počítat nejen s palivem na rozjezd, ale také na zastavení!!!

Brzdění magnetickým polem má ještě jednu výhodu – kosmická loď alespoň z principu nemusí aktivovat své motory při dosažení cíle. Tím se sníží riziko technických závad (copak by asi po stovkách let vydrželo funkční, že ano) a také se otevírají širší kolonizační možnosti. Mezihvězdná loď může prolétat kolem celé řady soustav, aniž by musela brzdit. Do každé pouze vyšle výsadkový modul (tím se myslí kosmická loď se stovkami lidí na palubě…) jenž zabrzdí zcela bezpracně magnetickým padákem. Výsledek? S „malou“ spotřebou paliva (jen jeden rozjezd) se kolonizuje celá řada systémů – v ideálním případě tolik, kolik bude modulů. Jedna velká loď s mnoha moduly se tedy může ukázat lepší než množství lodí malých – rozhodně bude větší prostor lepší pro obyvatelstvo, a navíc mluvíme o Orionu – větší znamená rychlejší.

 

Medusa a MagOrion mohou údajně dosahovat až 10% c, nebo možná i více. Vzhledem k tomu, že u těchto lodí je relativně snadné postavit obrovské exempláře (a tyto by měly dokonce lepší letové vlastnosti než ty menší, což se o jiných pohonných systémech říci nedá), je možné je považovat za nejpravděpodobnější formu reálného mezihvězdného transportu, alespoň v myslitelné budoucnosti.

 

Existuje také modernější design, nazvaný Mini-MagOrion, poháněný malými náložemi na bázi curia 245Cm, opět odpalovanými elektromagneticky. Rozhodně je bezpečnější než klasický Orion a je velmi vhodný pro meziplanetární lety. Isp by činil 21 500 s.

Nukleární pulsní pohon má určitou výhodu v tom, že je alespoň v principu jednoduchý, takže jednoduchou loď typu Orion bylo možné sestavit už v časech Apolla. Ale co čert nechce, jaderné exploze v kosmu jsou mezi veřejností i politiky jaksi nepopulární. Dokonce i nevelké objemy radionuklidů na palubách sond, které by sotva mohly způsobit nějaké zamoření, budí velké protesty, takže nelze čekat, že by v dohledné době někdo postavil jadernou raketu, pro kterou by nutně potřeboval do kosmu vynést notný arzenál, nemluvě o alternativě, při níž by měla startovat přímo ze Země. Jaderného paliva by bylo potřeba opravdu hodně, a to ochránci životního prostředí sotva skousnou. Ač technologii už máme nebo brzy mít budeme, musíme počkat na změnu mezinárodních dohod a na okamžik, kdy budeme moci vyrobit a postavit celou loď, od trupu až po jaderné nálože, někde v kosmu, daleko ode všech lidí a bez nejmenšího nebezpečí.

 

Fúzní a hybridní pulsní pohodny

Skutečně rychlé mezihvězdné lodě by musely využívat ještě něco lepšího než jaderné štěpení – fůzi nebo dokonce antihmotu.

Jaderná fůze spočívá ve slučování lehkých atomů (např. deuteria, tritia, helia 3He, lithia či snad i vodíku). Problém je s tím, že zatímco jaderné štěpení dokážeme vyvolat relativně snadno, fůze je jinačí oříšek. Trvalé udržení fúze v reaktoru je mnohem obtížnější než v případě štěpení a prozatím se to daří jen experimentálně a se smíšenými výsledky.

Lze ji ovšem vyvolat v podobě krátkého pulsu, prudkým stlačením a ohřátím paliva, čehož lze docílit uvnitř štěpné nálože (princip vodíkové bomby, mohl by se uplatnit u velkých Orionů), ale také pomocí laserů (to je takzvaná ICF, inertial confinement fusion) nebo antihmoty. To znamená, že nejjednodušeji lze fúzi zapřáhnout do pulsního pohonu.

Prvním příkladem pulsního fůzního pohonu byl například Daedalus.

Šlo o projekt mezihvězdné sondy vytvořený BIS (nikoli Bezpečnostní Informační Službou, ale British Interplanetary Society!). Startovní hmotnost sondy by byla 54 000 tun (!) Sonda měla být dvoustupňová. První stupeň ji měl urychlit na 7,1% c, druhý až na 12%. Isp činil asi 1 000 000 sekund. Pohon byl zajištěn pomocí ICF (fúze D3He hnaná lasery či částicovými paprsky) a magnetické „trysky“. Zvoleným cílem byla Barnardova hvězda, kam měl dorazit za 50 let – mise by ovšem byla pouze průletová.

Problém s Daedalem byla jeho olbřímí velikost. Vyžadoval by orbitální konstrukci a těžbu paliva na Jupiteru, což jeho proveditelnost posouvá do velmi vzdálené doby. Navíc designéři spoléhali na to, že budou k dispozici dosud neexistující technologie, jako jsou fúzní reaktory.

Přesto se ale stal vzorem pro mnohé další projekty:

ICAN II – používá technologii ACMF, tedy „antihmotou katalyzované mikroštěpení“ – tedy štěpnou jadernou reakci odpálenou antiprotony. Loď by dokázala během 30 dnů doletět na Mars.

AIMStar  - antihmotou katalyzovaná mikrofůze – zde antihmota odpálí malé množství štěpné látky, které poslouží jako rozbuška pro fúzní reakci. Loď měla dosáhnout až 0,3% c, Isp = 60 000 s. Třebaže tyto hybridní principy vyžadují jen velmi malé množství antihmoty, stále přesahují současné možnosti její produkce. Přesto se zdají být do budoucna velmi slibné.

LONGSHOT – projekt vyvinutý Námořní akademií USA ve spolupráci s NASA, využívající výhradně existující technologii. Sonda o startovní váze 396 tun, zkompletovaná na mezinárodní kosmické stanici, měla nést štěpný reaktor, jehož energie by hnala lasery pro pohon na principu ICF využívající D3He palivo. Během století by se dokázala dostat na Alfu Centauri, kde by přešla na orbitu složky B a vysílala odtud data k Zemi. Byla by to sonda pomalejší než Daedalus, ale technologicky méně náročná. Isp =1 000 000 s.

VISTA  (Vehicle for Interplanetary Space TrAnsportation)- návrh rozměrné (6000 t) meziplanetární lodi využívající ICF a magnetické trysky (Isp = 27 200 s).

Tyto systémy jsou modernější a dokonalejší, ale určené primárně pro meziplanetární přepravu, stále nejsou dost rychlé pro slušný mezihvězdný transport.

 

 

Dlouhodobé udržení fůze v reaktoru vyžaduje magnetická pole, která by udržela nesmírně žhavé plazma, v němž jedině může fůze probíhat, v bezpečné vzdálenosti od stěn reakční komory. Proto motory na této bázi musejí být rozměrné a značně složité, a prozatím je nedokážeme realizovat.

Často se píše o takzvaných Bussardových ramjetech, což jsou koráby, které si své fúzní palivo (vodík) sbírají cestou. Vesmírné vakuum je totiž maličko špinavé, a tak lze občas někde nějaký ten atom ukrást, tudíž nemusíme táhnout palivo a můžeme vesele frčet až 25%c. Mezihvězdný vodík by měl být ionizován lasery a pak nahnán magnetickým polem jako naběrákem přímo do reaktoru. Pro tento ramjet uvažujeme bezpečně zvládnutou fúzní technologii schopnou fúzovat i obyčejný vodík, což je těžké. Ovšem potřebujeme i skutečně obrovskou naběračku, protože vesmír je přeci jen hlavně vakuum, a ukazuje se, že tento lapák by více než co jiného účinkoval jako brzda, podobně jako plachta MAGORIONu. Takže náš ramjet by neletěl ani na Alfu Centauri, ani jinam, ale zkrátka a jednoduše by se ani nepohnul, nebo alespoň ne slibovanou rychlostí. Vodík by také patrně nespolupracoval, podle všeho by zatvrzele odmítal nechat se nahnat do reaktoru. Energie nutná k udržení sběračky a všeho ostatního by mohla být navíc větší než výsledný zisk! Nemluvě o jiných potížích technického rázu.

 

Zajímavou alternativou by mohly být peletové ramjety (možná by se hodil akronym „pramjety“). Jednalo by se o nukleární pulsní loď, jejímž pohonem by bylo štěpení nebo fúze. Od normálních Orionů, Magorionů a jiných pulsních pohonů by se lišila tím, že palivové pelety by nevezla na palubě. Namísto toho by byly nějak (například elektromagnetickým dělem či dopravními loděmi) rozmístěny do prostoru v dlouhé řadě, jakési rozjezdové dráze. Loď by měla podélný otvor, a „šplhala“ by po této řadě pelet – pokaždé, když by peleta prošla skrz loď až k zádi, byla by odpálena a popohnala by loď, zda přes tlačný plát či magnetickou trysku, to už záleží jen na úrovni použité technologie. Tak by se postupně „prožírala“ ke stále vyšší rychlosti.

Loď by tedy nemusela nést palivo a byla tak lehčí než obvykle, snad by tak mohla získat velmi výraznou rychlost. Otázkou je, zda by při významné relativní rychlosti pelety vůči lodi neklesal výkon.

Antihmota a jiné exotické způsoby pohonu

Antihmota je ještě větší prevít. Přepočteno na hmotnost, je to ten nejdokonalejší způsob získání energie ve vesmíru. Je tu ale několik háčků.

Na rozdíl od fúze je velice snadné její energii uvolnit. Ona velice ochotně reaguje s jakoukoli hmotou, přičemž uvolňuje nesmírná množství energie. Ovšem reaguje až moc ochotně, takže ji nejde jen tak zavřít do plechovky a tam ji nechat. Nesmí se dotknout ničeho, co je tvořeno hmotou, ať je to kov, vodík nebo vzduch. Je třeba ji uchovat ve vakuu a držet na místě magnetickými poli. To se lehko řekne, ale hůře udělá – zatím umíme skladovat jen nevelká množství antihmoty po velice omezenou dobu.

Problémem je i vlastní charakter vznikající energie – musíme ji efektivně využít pro pohon lodi, a třeba gama-záření je pro tento účel k ničemu.

A hlavní problém – antihmota je sice úžasným zdrojem energie, ale nejdříve je nutné ji vyrobit. Už vzhledem ke svým vlastnostem se nikde ve známém vesmíru nevyskytuje ve větším množství. Musí se tedy připravovat na urychlovačích, což je poněkud nákladné a neefektivní, a takové to také ještě dlouho zůstane.

Existují i pohony hybridní, kdy je antihmota využita jen jako rozbuška štěpné či fúzní reakce, tudíž jí není potřeba tolik. Ty jsou v současné době asi nejslibnější, nicméně stále dosti vzdálené.

 

Zajímavým nápadem jsou solární plachty, eventuálně různé obměny tohoto konceptu. V základu jde o to, že v kosmu rozvineme „plachtu“, do které se sluneční světlo opře takovou silou, že ji uvede do pohybu. Jenomže jak víme, posvítí-li na nás Slunce, neporazí nás. Z toho vyvodíme, že vzniklá síla je téměř mizivá. Tudíž musíme postavit obří plachtu a hmotnost lodi musí být co nejmenší. Síla dále slábne, jak se vzdalujeme od Slunce, takže zase až tolik nezrychlíme. Při velmi nevýhodném poměru plochy k hmotnosti je tento princip prakticky vhodný hlavně pro sondy, nikoli pro mezihvězdné lety s posádkou.

Nemusíme ale spoléhat jen na Slunce, můžeme si i „přisvítit“ laserem, umístěným třeba na Měsíci, který loď postrkuje. Jenže jsou nutné vskutku enormní energie a rozměr nezbytného laserového zařízení se vymyká všem měřítkům. Potřebná energie mnohokrát přesahuje celou dnešní spotřebu lidstva, a navíc celé toto množství musíme vyslat jediným laserem – poněkud nepříjemný problém. Nemluvě už o čočkách o rozměrech desítek kilometrů a jiných „detailech.“

Existují plány na zachycování jiných typů záření, třeba mikrovln, ale jde o velice podobné principy.

Za zmínku stojí snad jen plachty magnetické. Jde o to, že loď vytváří silné a rozsáhlé magnetické pole, na které narážejí nabité částice ze Slunce (sluneční vítr), které vyvíjejí tlak, který loď žene vpřed. Nápaditá je koncepce M2P2, kde je okolo lodi vytvořen oblak plazmatu, který vytváří magnetické pole bez kabelů, a tudíž bez zbytečné hmotnosti. Spotřeba plynu k vytvoření plazmatu není velká, což je velká výhoda oproti raketám, které vyžadují trvalý a velký přísun paliva. I zde je možné „foukat do plachet“, tentokráte s pomocí urychlovačů částic.

Nejvýkonnější plachtové a magnetické systémy, podporované silnými lasery nebo urychlovači, by mohly dosáhnout snad až 50% c nebo i více – ale rozhodně nejsou reálnější než koncepty fúzní a antihmotové, právě pro obří objemy nutné energie. Snad o nich lze uvažovat, ale jen ve velmi vzdálené budoucnosti.

 

Raketová rovnice – tabulky

 

Tabulka udávající změnu rychlosti rakety pro různý poměr paliva ku zbytku rakety.

Uvažována je velmi efektivní chemická raketa. Jak vidíme, velká rychlost rovná se enormní podíl paliva. Navíc se do váhy stroje počítá nejen vlastní náklad, ale i masa rakety – stěny, nádrže, trysky atd.

Aby se dosáhlo velmi velkého podílu paliva ku ostatní hmotě, používají se často stupňované rakety.

Isp

Relativní váha stroje a nákladu

Relativní váha paliva

Delta-v

s

%

%

m/s

 

 

 

 

450

1

99

20 330

450

2

98

17 270

450

3

97

15 480

450

4

96

14 210

450

5

95

13 225

450

6

94

12 420

450

7

93

11 739

450

8

92

11 150

450

9

91

10 630

450

10

90

10 165

450

15

85

8 375

450

20

80

7 105

450

25

75

6 120

450

30

70

5 315

450

40

60

4 045

450

50

50

3 060

450

60

40

2 255

450

70

30

1 575

450

80

20

985

 

Tabulka porovnávající dosaženou rychlost některých pohonných systémů

 při konstantním podílu palivo / zbytek lodi 15 / 85

Je jasné, že pouze nejvyšší Isp by dokázal vyvinout zajímavou rychlost pro mezihvězdný let.

Veličina

Isp

Relativní váha stroje a nákladu

Relativní váha paliva

rychlost spalin

Delta-v

Delta-v

Jednotka

s

%

%

m/s

km/s

%c

 

 

 

 

 

 

 

Chemická raketa

450

15

85

4 415

8

0,00

Nukleární termální motor

900

15

85

8 829

17

0,01

Orion 10-m

1 850

15

85

18 149

34

0,01

Orion 20-m

3 150

15

85

30 902

59

0,02

Pokročilý Orion

20 000

15

85

196 200

372

0,12

MiniMagOrion

21 500

15

85

210 915

400

0,13

VASIMR max

30 000

15

85

294 300

558

0,19

AIMStar

60 000

15

85

588 600

1 117

0,37

Gigantický mezihvězdný Orion I

150 000

15

85

1 471 500

2 792

0,93

Daedalus/Longshot/SuperOrion

1 000 000

15

85

9 810 000

18 611

6,20

 

Nadsvětelné lety

Nadsvětelné cesty? Neříkám, že to nejde, ale spoléhat na to v žádném případě nemůžeme. Zatím nemáme ani ponětí, jak něco takového provést – všechny koncepty zatím uveřejněné jsou jen ryzí teorií, jež se stávající technologií nemůže postoupit ani do stádia potvrzení či vyvrácení.

Podívejme se na to z širšího pohledu. Princip rakety je v zásadě natolik jednoduchý, že experimentovat s ním mohli už starověcí Číňané, a jako pohonný systém přišla do praxe už v polovině 20. století. Jaderná energie mohla být experimentálně studována už před 2. světovou válkou, a dnes se rýsují první možnosti jejího využití v kosmu. Fůze je prozatím ve stádiu teorie a prvních pokusů – ale stále daleko od postavení funkčního reaktoru, neřkuli motoru. Antihmotu dokážeme alespoň v mizivém množství připravit. Ale manipulovat s časoprostorem? V této oblasti nemáme ani spolehlivou teorii, a o nějakých pokusech si můžeme nechat jen zdát. Netvrdím, že to jednou, až budeme disponovat černými dírami či podobnými bestiemi, nebude možné, ale jsme od toho okamžiku technologicky ještě dál, než byli staří Číňané od letu na Měsíc.

Rozhodně nehodlám spekulovat o možných či nemožných způsobech nadsvětelného pohonu. Jejich počet je stejně velký, jako je jejich pravděpodobnost malá. Žádnému z nich nijak zvlášť nevěřím, a také je nemohu zasvěceně posuzovat. Nejsem kvantový fyzik, a toto také není Star Trek.

Existuje ovšem jednoduchý argument, proč to možné není. Kdyby bylo, a my nebyli v kosmu sami, což je nepravděpodobné, zákonitě by nějaká civilizace nadsvětelný pohon objevila a už bychom ji tu měli. Jenže nemáme. Ale pokud věříte na existenci ufonů… tak to vlastně možné být musí. Vyberte si.

A co teorie relativity? Ta sice říká že nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo, ale na druhou stranu čím rychleji letíme, tím pomaleji nám plyne čas. Letíme-li tedy 50 světelných let a zpátky vysokou rychlostí téměř rovnou c, uplyne na Zemi samozřejmě něco přes 100 let, ale na palubě interval o něco málo nebo dokonce výrazně kratší. Ovšem tento jev nabývá na praktické důležitosti až nad 50% c, a na polovinu nám dobu letu zkrátí až při téměř 90% c. Při letu 99% c bychom ovšem byli s to dorazit na Alfu Centauri za (palubních)7 měsíců. Nutno zdůraznit, že tak vysoké rychlosti jsou značně nepravděpodobné.

Teorie relativity nám totiž mimo jiné říká, že při vysoké rychlosti se sice zpomaluje čas, ale také se zmnohonásobuje hmotnost tělesa. Tím pádem bude loď stále těžší a těžší, a potřebný objem paliva brzy přeroste všechny meze. Relativistické rychlosti jsou tedy asi stejně málo reálné jako rychlosti nadsvětelné!

Po dobu letu…

Podívejme se alespoň na možnosti reálného – tj. podsvětelného – cestování. Máme zde v podstatě čtyři možnosti.

 

Nejjednodušší, ale zároveň nejobtížnější je dostat raketu k cíli během jednoho lidského života, takže ke hvězdám dorazí posádka, která ze Země startovala, jen o něco starší. To se ale prozatím neblíží možnostem předpokládaných motorů – i pro 10% c to na Alfu Centauri trvá přes čtyřicet let, což sice posádka přežije, ale k cíli dorazí v důchodovém věku, nemluvě o cestě zpět! A to hovoříme o nejbližších hvězdách! Doba letu je dlouhá a loď by musela být doopravdy obrovská, s umělou biosférou atd.

 

Zadruhé můžeme postavit loď opravdu obří, která bude domovem celých generací kosmonautů, takže k cíli dorazí až vnuci či pravnuci původní posádky. Těmto plavidlům se říká mezihvězdné archy, generační lodi nebo dokonce planetolodi. Jejich velikost musí být ještě větší než u předchozí varianty a vymyká se všem obvyklým měřítkům.

Potíže nastanou i s recyklací – jednoduše nebude možné vézt jídlo sebou, bude nutné jej pěstovat při umělém osvětlení a dokonale recyklovat. Ani to zatím neumíme dostatečně dlouho a spolehlivě. Posádka přitom musí být početná, aby nedocházelo k příbuzenskému křížení a degeneraci.

U lodí s živou posádkou, ať jsou malé nebo velké, nastává kromě problémů pohonných ještě jeden háček – a tím je lidský faktor. Varováním nám mohou být třeba situace ve věznicích nebo objevitelské zámořské plavby minulosti, což jsou sociálně velmi podobné případy – izolovaná skupina lidí vystavená psychickým tlakům. Nechvalně známý je takzvaný ponorkový efekt – skupina lidí v uzavřeném prostoru si zákonitě musí lézt na nervy, známe to už i z Miru a ISS, a to jsou jen kousek od Země a doba mise je krátká. Pro lety k Marsu je to už zásadní potíž, a pro mezihvězdné tím spíše. Jakékoli neshody jsou ve vesmíru smrtelně nebezpečné, a problém se s rostoucím časem mise zvětšuje do obludných rozměrů. Při delších letech může vyvstat problém natolik vážný, že dojde k vraždám, šikaně nebo nastolení diktatury – záleží jen na počtu lidí, jejich sklonech a době letu. Bude třeba pro lety vybírat mimořádně odolné a nekonfliktní povahy, dbát na všeobecnou shodu názorů a podobně. Bude to ale stačit, tváří v tvář generace trvajícímu letu? Jaké to vůbec bude, narodit se a zemřít na jedné kosmické lodi, aniž by člověk spatřil Zemi nebo cílovou planetu?

Může se stát, že kolonisté si na život na své lodi během generací natolik zvyknou, že i po dosažení cíle se odmítnou přestěhovat na vybranou planetu, která jim po pohodlném a známém umělém prostředí jistě bude připadat jako obrovské a nepředvídatelné peklo plné bizarních nástrah, i kdyby byla relativně pohostinná a Zemi podobná. Zůstanou tedy na lodi nebo si vybudují kosmické stanice, kde si budou moci zachovat obvyklý životní standard – a planetu, kterou jim jejich předci přepečlivě vybrali, si nechají na později nebo z ní udělají málo navštěvovanou přírodní rezervaci.

 

Třetí možnost je poslat jen zmrazené zárodky a na místě je vypěstovat. Nemůžeme ale vědět, jak by dopadl experiment s výchovou „umělých lidí“ čistě prostřednictvím strojů, bez rodičů či jiných lidských bytostí. Jak by vypadali a mysleli lidé vypěstovaní a vychovaní automaty? Není to sice moc hezká představa, ale je nejspíš jednou bude proveditelná. A co lidstvo dokáže, to také udělá...

Je také možné spojit výhody vícegenerační lodi se zmraženými embryi – jednoduše tak, že živá posádka bude malá, aby nespotřebovala mnoho zdrojů, a jejím hlavním úkolem bude po přistání vypěstovat a vychovat početnou druhou generaci z embryonální banky. Tím se zajistí genetická rozmanitost, jakou by klasická generační loď nemohla nabídnout, a výchova prostřednictvím lidí, což zase nenabízí loď mražených embryí.

 

Čtvrtá možnost je dospělou posádku zmrazit či hibernovat, takže vydrží „naložená v láku“ třeba několik staletí, a na místě ji stačí probudit k životu.

Zmražený kosmonaut vydrží neomezeně dlouho bez nároků na zdroje, ovšem není pravděpodobné, že bychom se naučili člověka zmrazit a zase oživit. Zmrznutí či vyschnutí po dlouhé věky sice vydrží někteří primitivní živočichové, ale rozdíl mezi člověkem a želvuškou je přeci jen propastný.

Hibernace je stav nečinnosti a útlumu tělesných pochodů, kdy je organismus podchlazen a spotřebovává minimum energie, ale jeho srdce stále funguje. Reálným příkladem je třeba zimní spánek ježků, medvědů a dalších zvířat. Hibernovaný a podchlazený organismus má podstatně menší nároky na stravu, kyslík, prostor a zábavu, snad by tento stav mohl i zpomalit stárnutí, ale důkazy nám zatím chybí.

Takové „lodě spáčů“ jsou mezi scifisty velmi oblíbené. Problém je, že to zatím ani vzdáleně neumíme. Hibernace čili zimní spánek živočichů nedokazuje, že by člověk dokázal to samé – zimní spáči jsou k tomu jednak zvlášť přizpůsobeni, jednak jejich spánek trvá jen několik měsíců (navíc bývá obvykle pravidelně přerušován) a nikoli staletí.

Aby bylo možno hibernovat lidi, museli by být zřejmě speciálně geneticky upraveni – ale to možná bude již brzy celkem rutinní záležitost. Takže je opodstatněné věřit, že hibernace jednou možná bude, ovšem nikoli v nejbližší době a rozhodně nebude univerzálním řešením všech problémů, které při kosmických letech vyvstávají.

Shrnutí a závěr

Ve všech případech bude loď nutně obrovská a nároky na palivo a motory značné.

Průměrný rozestup mezi hvězdami činí asi 5 světelných let. Za předpokladu, že u jakékoli hvězdy bude možné založit stanici či kolonii, nebo jen načerpat palivo, bude právě tato vzdálenost tou nejmenší, která je pro mezihvězdný let smysluplná.

Jenomže ne každá hvězda je vhodná pro zastávku, neřkuli osídlení. Potřebujeme alespoň asteroidy nebo pusté planety, na nichž bychom mohli přistát a stavět základny nebo něco těžit. Jinak máme smůlu. Musíme tedy počítat s cestou několikrát delší, např. 15 ly. Jak na tom tedy jsme? To vidíte v tabulce.

 

 

Možný pohon

Vzdálenost

Rychlost

Doba letu

 

Vzdálenost

Rychlost

Doba letu

 

ly

%c

roky

 

ly

%c

roky

Chemické palivo max

5

0,01

50 000

 

15

0,01

150 000

VASIMR/VISTA

5

0,3

1 667

 

15

0,3

5 000

Pokročilý ORION/MEDUSA

5

1

500

 

15

1

1 500

Pokročilý ORION/fúzní pohony

5

5

100

 

15

5

300

Pokročilý ORION max/fúzní pohony

5

10

50

 

15

10

150

Fúze/antihmota

5

15

33

 

15

15

100

Antihmota/Bussard/lasery

5

25

20

 

15

25

60

Lasery max

5

50

10

 

15

50

30

 

Chemické a nepříliš pokročilé jaderné systémy nás příliš nepotěší – i pro generační lodě nebo lodě spáčů, stejně jako pro sondy potřebujeme dobu letu aspoň v řádu staletí, nikoli tisíciletí.

Oriony (samozřejmě ty největší a nejdokonalejší varianty, jako super-Orion, Medusa a MagOrion) by dokázaly zvládnout mezihvězdnou vzdálenost 5 ly snad za pouhých 50 let, ale to je teoretické maximum, i za těch 500 – 100 let  bychom byli rádi.

Zdokonalené fúzní pulsní systémy (Daedalus a spol.) by letěly 100-50 let. To ale ještě nestačí pro let během jediného lidského života – vyletět ve dvaceti a dorazit v šedesáti není nic moc. Ale aspoň něco.

Bussardův ramjet s 25%c vypadá nadějně, ale jak bylo již řečeno, patrně by v reálu letěl mnohem pomaleji, popřípadě vůbec.

Laserová či jinak poháněná plachetnice letící 50%c by na zdolání vytčené trasy potřebovala jen 10 let, navíc by nám cestu zkrátily relativistické efekty na 8,7 roku palubního času. To je stále ještě dlouho – promluvte si s někým, kdo byl devět let v kriminále! A z lodi si nemůžete jen tak vylézt na čerstvý vzduch, nebo se odstěhovat, když vám ostatní lezou na nervy. Bez hibernace bude i let takovou rychlostí problematický. A to nikde neuvažuji „rozjezd“ a „brzdnou dráhu“, které by dobu letu mohly značně prodloužit! Navíc lasery (na rozdíl od Orionů) preferují velmi lehké lodi (či sondy), což se s lety s posádkou srovnává poměrně obtížně.

 

Ať tak či onak, letové časy rozhodně nebudou krátké ani pro ty nejrychlejší lodi. Nic v tom smyslu, jak by to chtěli mít autoři sci-fi. Nebudou tu žádní ostřílení kapitáni, křižující vesmír od hvězdy k hvězdě, ani výzkumníci, konající mise po celé Galaxii.

Podsvětelné cestování nám tyto možnosti prostě nenabízí. Bohatě nám však stačí pro kolonizaci vesmíru. Bude to podnik dlouhodobý a riskantní. Dlouhodobý proto, že doba letu bude nejspíš v řádu staletí, další staletí bude trvat, než se kolonisté rozmnoží a vyvinou průmysl, aby mohli vyslat nové kolonizační lodě ještě dál. A půjde o druh hazardní hry. My můžeme vytipovat vhodné hvězdy, brzy najdeme i případné vhodné planety – ale co čeká na povrchu, to dopředu nezjistíme. Loď se nebude moci otočit a vrátit. Buď úspěšně založí kolonii, nebo posádka zemře. Poněkud nejistý podnik, že? A morální problémy z toho plynoucí! Jenom si představte, kdyby taková loď narazila na planetu obydlenou civilizací, která by na své planetě či v planetární soustavě žádné cizince nejspíš (celkem pochopitelně) nechtěla. Pak by posádce nezbylo, než buďto spáchat sebevraždu, nebo se pokusit vyhubit domorodce. A jak známe lidi, udělali by to druhé. Mimochodem – je zjevně štěstí, že tento typ kolonizace dosud nezačala uplatňovat nějaká rasa v našem sousedství!

A co říci závěrem? Snad jen to, že je moc brzy balit kufry na cestu ke hvězdám. Možná za sto let, možná za dvě stě. Nebo také nikdy. Dnes nevíme. Ale rozhodně není příliš brzy o cestách ke vzdáleným světům snít. Musíme budovat nové a lepší lodě, pátrat po cizích světech, vylepšovat technologie a snad i trochu povznést sebe samotné, a čas vykročit do hlubokého kosmu možná jednou přijde. My se nejen můžeme, ale musíme ptát, zda na to máme právo a musíme na tuto otázku dostat jednoznačnou odpověď. Jedno víme už dnes. Žádný život, od bakterií přes novorozené pavoučky až po největší stromy, nemůže zůstat bez pohybu. Všechny životní formy se zoufale snaží se šířit. Létají přes oceány, plavou s proudy vod, posílají svá semena s větrem napříč mořem i kontinenty, nebo se jen úporně plazí a bojují s konkurencí o každý centimetr nové půdy. Nikdy nejde o jednoduchou cestu, nikdy se k cíli nedostanou všichni. Leč kdo se zastaví, zemře. Takový je zákon přírody. Pokud máme tu možnost, proč bychom se měli navěky bránit naší přirozenosti a nevydat se ke hvězdám, k nimž už tisíce let toužebně vzhlížíme?

 

Odkazy:

Česky o meziplanetárních a mezihvězdných pohonech:

http://mikos.d2.cz/Budoucnost.htm

http://technet.idnes.cz/grun-k-planetam-jinych-slunci-poletime-az-za-stovky-let-piv-/tec_vesmir.asp?c=A070606_002935_tec_vesmir_vse

 

Anglické stránky o mezihvězdném a meziplanetárním létání:

http://www.geocities.com/qraal/exosolar02.html

http://www.firstscience.com/site/articles/brains.asp

http://www.spaceflightnow.com/news/n0202/17family/

 

Pohony a jejich Isp:

http://www.projectrho.com/rocket/rocket3c2.html

 

Nukleární pulsní pohony:

Štěpení

http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_pulse_propulsion

http://en.wikipedia.org/wiki/Orion_project

http://www.bisbos.com/rocketscience/orion/orion_project.html

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/O/OrionProj.html

http://www.nuclearspace.com/gallery.htm

Daedalus

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/D/Daedalus.html

VISTA

http://www.llnl.gov/tid/lof/documents/pdf/318478.pdf

AIMStar a ICAN II

http://en.wikipedia.org/wiki/Antimatter_catalyzed_nuclear_pulse_propulsion

Longshot

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19890007533_1989007533.pdf