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.
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 vé) 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.
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 –
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 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 |
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.
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 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
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!
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.
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: |
|
Anglické stránky o mezihvězdném a meziplanetárním létání: |
|
Pohony a jejich Isp: |
|
Nukleární pulsní pohony: |
Štěpení |
http://www.bisbos.com/rocketscience/orion/orion_project.html |
Daedalus |
VISTA |
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 |