Budoucnost mezihvězdných letů a možné expanze lidstva do vesmíru je založena především na vývoji nového pohonu pro vesmírné lodě. Ten je nezbytný nejen pro zkrácení doby, nutné k překonání obrovských vzdáleností, ale i pro snížení váhy a objemu paliva, nutného pro daleké výzkumné mise.
Vývojem raketových pohonů se lidstvo zabývá už celá staletí. Teprve konec minulého a začátek ^m 21. století však přinesl praktický pokrok v uplatnění nových pohonů pro kosmické lodě a přiblížil vzdálené hvězdy člověku. V nejbližší budoucnosti, v rozmezí 20 až 50 let, má největší význam určitě jaderný pohon raket a hned za ním následuje iontový motor, který už se dočkal prvních použití, například v sondě SMART-1. Ve vzdálenější budoucnosti, řádově stovek let, a v případě touhy dosáhnout k jiným galaxiím bude muset lidstvo sáhnout k motorům pracujícím s využitím antihmoty, motorům gravitačním či solárním. To už je ovšem otázka objevů dalších možností pohonů a jejich praktického uplatnění. Podívejme se nyní zblízka na jednotlivé druhy pohonů vesmírných lodí, tak jak jsou vyvíjeny ve vědeckých laboratořích i na výzkumných pracovištích. Ve Spojených státech má nyní nejvyšší prioritu projekt NASA Prometheus, kterýsi klade za cíl vyvinout novou generaci vesmírných plavidel, schopných cestovat i za hranice naší sluneční soustavy. Hlavním úkolem výzkumu je odstranit omezující faktory, spočívající v nedostatku energie, schopné plavidlo dopravit za hranice sluneční soustavy, a zajistit mu schopnost manévrování a bezpečného návratu.
Ideální je jaderný pohon
Na počátku šedesátých let objevila americká rozvědka intenzivní výstavbu tajné laboratoře v Kazachstánu, na místě natolik
izolovaném, že se tam nedostal žádný pozorovatel.
Vzhledem k velkému množství jaderného materiálu, sváženého na místo, mohutným stavbám a koncentraci vědců dospěly tajné služby USA k závěru, že se jedná o tajnou jadernou laboratoř vyvíjející zřejmě emitory intenzivního záření, jakýchsi atomových pušek, které mají sestřelovat americké rakety. Po pádu železné opony se zjevila pravda a ta byla ještě zajímavější, než dělo na sestřelování raket. Sovětský svaz se pokoušel sestrojit atomový raketový motor a dopravit s jeho pomocí lidi na Měsíc. Konstruktéři Bondarčuk a Gluško vyvíjeli atomový motor o tahu řádově 40 až 50 tun, určený pro sovětskou měsíční raketu N1. Koroljov, šéf sovětského vesmírného programu, zvažoval tři možné varianty. Raketu se dvěma konvenčními a jedním jaderným stupněm, s jedním konvenčním a dvěma jadernými stupni a konečně dvoustupňovou raketu s prvním konvenčním a druhým jaderným stupněm. Jako nejslibnější byla vybrána poslední varianta v provedení bez lidské posádky s motorem o tahu 18 tun a hmotností 4,8 tun nebo s lidskou posádkou, pak by motor o tahu 40 tun vážil kvůli ochranným štítům 25 tun. Od letu na Měsíc nakonec Sovětský svaz upustil, USA byly přece jen příliš napřed, ale myšlenka atomových motorů žila dále. Tentokrát byl cílem letu Mars. Situace se radikálně změnila v sedmdesátých letech, kdy myšlenku pilotovaného letu k Marsu opustily Spojené státy. Protože projekty použitelných atomových motorů sovětské marsovské rakety nedospěly do stadia zkoušek, byl celý program ukončen. Přesto práce na vývoji těchto motorů pokračovaly až do roku 1989, kdy Kurčatovův institut představil studii atomového termálního motoru o výkonu 1200 MW, který by fungoval 5 hodin a kromě vlastního tahu by vyrobil 50-200 kW elektrické energie. Hmotnost reaktoru by měla být 50-70 tun.
Náklady klesají na polovinu
Raketový atomový pohon zkonstruovali i Američané během projektů NERVA a Rover, které byly ukončeny v roce 1972. O jaderném pohonu kosmických lodí se mluví i dnes, ovšem současné studie počítají s jiným druhem využití energie. Původní atomové raketové motory vycházejí z nejjednoduššího principu, kterým je ohřátí pohonného média. Stejně jako proudové motory, které ovšem ohřívají vzduch nasátý z atmosféry a vypouštějí jej tryskami, jen s tím rozdílem, že raketa letící ve vzduchoprázdnu musí ono médium nést s sebou. Nebyl by jím vzduch, ale LH2, tedy tekutý vodík. V době ukončení projektů byly vyzkoušeny desítky funkčních motorů, ověřena technická proveditelnost řešení i použitých materiálů. Největší dosažený výkon reaktoru byl 4500 MW, nejvyšší teplota 3000 °C, doba chodu motoru 90 minut, vypočtený výkon raketového motoru třikrát převyšoval kerosinové motory Saturnu V a dvakrát v té době ještě nevyvinuté vodíkové motory raketoplánu. Použitým palivem byla pevná kapsle grafitu obsahující uran 235. Další možností je použití plynného paliva, což by znamenalo, že by se uran musel převést do stavu plazmy. Takový motor by mohl mít mnohem delší specifický impuls (zatímco motory s pevným jádrem mají specifický impuls ve stovkách vteřin, tento by mohl dosahovat až 5000 vteřin), což je důležité, pokud má pohánět vesmírnou loď mířící k Marsu. Současné studie uvažují také iontové motory, kde by atomový reaktor vyráběl elektřinu a tah motorů by vznikal díky proudu uvolněných iontů. Vesmírné lodě poháněné atomovými motory mají pro konstruktéry neodolatelné kouzlo – atomový motor má větší výkon nežli současné chemické motory (dvoj- až trojnásobný), palivo má menší hmotnost, takže loď může nést více užitečného nákladu, letí rychleji, doletí dál a může ve vesmíru strávit delší dobu bez doplňování paliva. Již v roce 1985 bylo vypočteno, že použití atomových motorů sníží cenu takové mise na polovinu.
Ze Země na Mars
Vzhledem k rozdílným drahám a rychlostem oběhu Země a Marsu kolem Slunce byly uvažovány dvě možné mise k Marsu. Ta první předpokládala pomalejší let a dlouhou dobu, kterou budou muset astronauti na Marsu strávit (zhruba 500 dnů), než se obě planety dostanou dostatečně blízko k sobě, aby se mohli vrátit. Druhá naopak rychlý let a krátkou dobu pobytu, zhruba 30-90 dnů. Celkem by cesta trvala asi 430 dnů. Atomové motory nabízejí třetí možnost. Krátkou cestu na Mars, dobu pobytu asi 30-60 dnů a krátký let zpět. Celkem by mise trvala maximálně 9 měsíců. Krátká doba pobytu ve vesmíru zároveň sníží nebezpečí plynoucí z vesmírného záření, kterému bude posádka během letu vystavena. Ale mohla by být ještě kratší. V roce 2001 představil Yigal Ronen, profesor Univerzity Ben Guriona v Negevu (Izrael), projekt atomového motoru, který jako štěpný materiál používá americium Am 242m. Tento velice nestabilní prvek by musel být vyráběn přímo v reaktoru ostřelováním izotopu Am 241 neutrony, ovšem výsledkem bude teplota až 250 000 stupňů, a to při použití částeček americia jen necelý mikron, tedy miliontinu milimetru, silných. Pro udržení tahu by stačilo 375 gramů americia denně, pro cestu na Mars by jej bylo spotřebováno jen několik kilogramů. Dosažená rychlost by mohla být až 80 km/s, tedy 288 000 km/h (pro srovnání: návratová rychlost raketoplánů je zhruba desetkrát menší). Zdá se, že atomový pohon bude bránou, kterou lidstvo konečně vstoupí do vesmíru. Atomové motory, tzv. Bimodal Nuclear Ther-mal Rocket, nejenže mohou pohánět kosmické lodě, ale zároveň budou sloužit jako zdroj elektrické energie a nahradí drahé a choulostivé sluneční články. Slunce totiž není zrovna spolehlivým zdrojem energie. Sonda Pathfinder, vybavená slunečními články, fungovala na Marsu tři měsíce, zatímco Viking, který čerpal energii z jaderného rozpadu, pracoval šest let. Vysoký výkon atomových motorů rapidně zkrátí dobu letu a tím sníží nebezpečí ozáření posádky, motory navíc neprodukují prakticky žádnou zbytkovou radioaktivitu a jsou oproti klasickým motorům relativně lehké – jeden atomový reaktor obsahuje jen 35 kg uranu. Ochranné štíty sice přidávají kosmické lodi »mrtvou« hmotnost, ale to platí jen v případě, že loď nese lidskou posádku. Kosmická plavidla s roboty či automaty na palubě, jakých je mnohem více nežli oněch pilotovaných, tento štít mít nebudou. A právě nepilotovaná, atomovými motory poháněná loď by měla již v roce 2011 dopravit sondu k Jupiteru. Projekt Prometeus, jak jej NASA nazvala, má jen na příští rok schválený rozpočet 279 milionů dolarů a pro příštích pět let více než 3 miliardy. Uvažuje se o výše zmíněném iontovém motoru s tahem jen 100 kilowatt. Je to zdánlivě málo, ale motor bude fungovat dlouho a i tak je jeho výkon 1500x větší než tah motoru sondy Galileo. A je to dost na to, aby sonda prozkoumala měsíce Ganyme-de, Europa a Calisto, které jsou pro nás zajímavé především tím, že je na nich dost vody a energie, aby tam mohl vzniknout život.
Dalibor Matušinský
ZÁVODY VE VESMÍRU
První americká kosmická sonda k jinému vesmírnému lesu pod názvem Pioneer byla vyslána k Měsíci v 17.8.1958. Pokus však skončil neúspěchem – havárií nosné rakety. První sondou, která úspěšně proletěla kolem Měsíce, se tak stala sovětská Luna 1, a to 2. ledna 1959. Od té chvíle vypukly zuřivé závody mezi tehdejším SSSR a USA. Jedna sonda stíhala druhou a jejich nejčastějšími cíli byl Mars a Měsíc. V posledních letech se tempo ve vysílání sond k jiným nebeským tělesům poněkud zpomalilo a hledají se spíše levnější a výkonnější pohony. Tak za posledních pět let bylo vysláno jen 14 kosmických sond, z toho sedm k Marsu a pět k Měsíci. Zatím poslední je právě evropská sonda SMART-1 siontovým pohonem. Ostatní putovaly ke kometám a asteroidům.
ZNOVUZROZENÍ PROJEKTU NERVA
Funkční exempláře pokusného jaderného motoru NERVA, ve kterém byla pohonná látka intenzivně zahřívána a tlakována jaderným reaktorem, byly vyvinuty v USA už v šedesátých letech minulého století. Pak nastal dlouholetý útlum a ke »znovuobjevení« projektu došlo až v minulém roce. V termálním jaderném motoru typu NERVA jednoduchého typu se maximální pracovní teplota pohybuje kolem 3000 °C, aby nedošlo k roztavení motoru. Tyto jaderné motory můžou díky až stonásobnému urychlení vyletujících částic plynu udělit vesmírné lodi takovou rychlost, která zkrátí cestu k blízkým vesmírným tělesům z celých roků na pouhé měsíce. Tak například cesta ke vzdálenému Plutu by mohla trvat nejvýše šest let. U pokročilejších typů těchto reaktorů se počítá například s konverzí jaderné energie na elektřinu a dokonce i s přímým využitím vylétajících jader nebo částic v tryskách při jadrné reakci.
TAJNÝ PROJEKT N1
Donedávna přísně tajný projekt sovětské měsíční rakety dlouhé 123 metrů s jaderným motorem nepřežil tři neúspěšné pokusy o start. Zbylé rakety byly rozmontovány a z jejich dílů byly postaveny kupříkladu dětské prolézačky na sídlišti v Bajkonuru. Zajímavostí je, že jednu raketu se konstruktérům podařilo ukrýt za falešnou stěnou v montážní hale, kde ji sovětská vrchnost objevila až po několika letech (poté byla okamžitě zničena). Práce na atomovém pohonu letadel neunikly pozornosti tisku ani fantazii spisovatelů a novinářů. Když v roce 1947 vypukla mánie létajících talířů, byly senzačními listy označeny za sovětské špionážní letouny poháněné jaderným reaktorem.
Perspektivy iontového pohonu
Vývojem iontového pohonu jako alternativy k chemickému pohonu se zabývá například kalifornská firma Hughes Space and Communications Company, a to již od počátku 60. let.
Nejprve inženýři zkoušeli ionizované cesium nebo páry rtuti, ale ukázalo se, že tyto látky poškozovaly raketové trysky. Jako optimální se ukázal xenon, bezbarvý netečný plyn, který je asi 4,5krát těžší než vzduch. Xenonu využívají dnes i další konstruktéři iontových pohonů. Při spuštění motoru začne katoda uvnitř ionizační komory lemované magnety, podobně jako v televizní obrazovce, emitovat elektrony. Ty bombardují atomy xenonu, z nichž se uvolňují elektrony a vzniká tak tok iontů. Směs pak proudí do zadní části komory, kde jsou dvě kovové urychlovací mřížky, nabité kladným a záporným nábojem (U+, U-) s mřížkovým napětím až 1280 voltů. Tok iontů xenonu tak získá obrovskou rychlost, zhruba 100 000 kilometrů v hodině. Vně komory je neutralizér, který po využití tahu vstřikuje do směsi elektrony a ty pak směs neutralizují. Při plném výkonu motor vyvine tah až 170 milinewtonů.
Radikální snížení váhy paliva
Hlavní výhoda iontového pohonu spočívá v jeho efektivnosti. Je totiž desetkrát účinnější než »chemické rakety«, takže množství pohonné hmoty je možné snížit až o 90 procent. U komerčních komunikačních družic to znamená, že je možné snížit náklady na jejich vypuštění, zvýšit váhu zařízení na jejich palubě a zároveň zvýšit jejich životnost. A právě tento pohonný systém – ve zkratce XIPS (pro xenon ion propulsion system) -je použit na komunikační družici Astra 2A. Kromě systému na družici Astra vyvinula firma Hughes ještě další dva systémy XIPS: jeden s motorem o průměru 13 centimetrů a druhý o průměru 25 centimetrů. Podobný systém s názvem NSTAR (zkratka pro NASA Solar Electric Power Technology Aplication Readiness) je použit na vesmírné sondě Deep Space 1, kterou vynesla do vesmíru z Kennedyho kosmického střediska na mysu Caneveral v roce 1998 raketa Delta-2. Sonda vážila 490 kg a byla dlouhá 2,5 metru. Systém NSTAR, jehož výrobu zadal v roce 1995 firmě Hughes Electron Dynamics Division Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA), sestává z iontového motoru o průměru 30 centimetrů, procesoru řídícího pohon, digitální kontroly a několika jednotek interface.
Vstup do nové éry vesmírných letů
V rámci zkoušek systému byl motor spuštěn 16 dnů po startu, ale po provozu trvajícím 4,5 minuty se zastavil. Na řídící povely ze Země nereagoval, ale později se jej podařilo přece jen znovu nastartovat. Pracoval celou noc na příkon 500 wattů, ráno pak řídicí středisko zvýšilo příkon elektrické energie na 885 a později na 1300 wattů. Nový systém tak umožňuje pružně měnit příkon motoru a tím i tah motoru, což je zvláště důležité vzhledem k tomu, jak se sonda vzdaluje od Slunce (klesá množství sluneční energie, která se prostřednictvím solárních baterií mění na elektrickou energii). Sonda DS 1 během svého letu zmapovala asteroid 1992-KD a pořídila unikátní snímky Borellyho komet. Projekt Deep Space 1 stál 152 milionů dolarů a je označován za zahájení programu New Millenium (Nové tisíciletí), jehož cílem je vyvinout technologie ke stavbě vesmírných lodí nové generace. Lety s lidskou posádkou staví před konstruktéry další obtížný úkol – chránit člověka před smrtonosným zářením
S iontovým motorem na Měsíc
Kosmická agentura ESA (European Space Agency) vyhlásila program malých flexibilních a málo nákladných kosmických misí SMART (Small Missions for Advanced Research in Technology), které mají přispět k vývoji perspektivních konstrukcí a metod použitelných v kosmickém výzkumu. První expedicí v tomto programu byla vyhlášena mise SMART-1. Prvotním cílem je vyzkoušení iontového motoru jako hlavního pohonu kosmické sondy. Tento konstrukční prvek se má stát významnou součástí budoucích planetárních misí. První z nich má být projekt družice Merkuru – sonda nazvaná BepiColombo. K ověření funkce motoru a jeho působení na okolní prostředí je stanice vybavena řadou sledovacích senzorů.
Rusové nezůstali pozadu
Iontový motor na sondě SMART-1 je první experimentální užití takového principu u hlavního motoru na evropském kosmickém objektu. Jako hlavní pohonná jednotka byl motor použit zatím pouze jedenkrát, a sice na americké technologické sondě Deep Space 1 (DS-1), vypuštěné v roce 1998. Iontové motory jsou velkou nadějí pro budoucí kosmické mise do vzdálených oblastí sluneční soustavy. Pomocí nich mohou být výpravy lacinější a především doba letu ke vzdáleným cílům může být podstatně zkrácena. Technologie iontového motoru byla důkladně vyvinuta v Sovětském svazu v sedmdesátých letech 20. století. Od roku 1972 vypustil SSSR na oběžnou dráhu kolem Země řadu družic, které kromě klasických chemických motorků jako prostředku orientace a korekce dráhy používaly rovněž elektrických raketových motorů. Experimentálně byly ovšem zkoušeny již mnohem dříve, mj. při letu stanice Zond 2 k Marsu v roce 1964. Začátkem 90. let bylo dosaženo dohody mezi ruskými, americkými a evropskými organizacemi o dalším vývoji a komerčním využití iontových motorů a nedlouho poté se objevily i na dalších experimentálních družicích (např. telekomunikační a technologický satelit Stentor, postavený francouzskou organizací CNES). Iontové motorky jsou od roku 1997, kdy jimi byl vybaven americký PanAmSat 5, zcela běžně používány na komerčních stacionárních spojových družicích pro udržování satelitu na správné pozici nad Zemí. Iontový motor využívá elektrické energie získávané ze slunečních baterií k urychlení pracovní látky na vysokou rychlost, což vytváří reakční sílu pohánějící kosmické plavidlo. Užití elektrické energie zvyšuje výkon elektrických motorů ve srovnání s chemickými raketovými hnacími jednotkami. Elektrické raketové motory podle způsobu, jakým dochází k urychlení pracovní látky, se dělí na elektrotermální, elektrostatické a elektromagnetické.
Princip nového motoru
Mise SMART-1 používá elektrostatický iontový motor, přesněji motor pracující na principu Hallova jevu. Motor má označení PPS-1350-G a byl vyvinut a odzkoušen organizací SNECMA (Francie). Jako pracovní látka je použit xenon. PPS-1350-G je kompaktní zařízení postavené kolem prstencové keramické komůrky o průměru 100 mm obklopené magnety. Na jedné straně je umístěna katoda, která produkuje elektrony. Elektrony jsou opačně umístěnou anodou vtahovány do pracovní komory. Uvnitř komory jsou elektrony zachyceny magnetickým polem a střetávají se s plynným xenonem vstupujícím rovněž do komory. Výsledkem je vznik kladně nabitých xenonových iontů a dalších záporně nabitých elektronů. Tyto elektrony jsou dále využity k urychlení iontů proudících z komory a hnaných elektrickým polem vytvářeným katodovými elektrony. Z komory vystupuje iontový paprsek s charakteristickou modrou barvou (danou použitím xenonu), který pohání kosmické plavidlo vpřed. Specifický impuls (Isp) motoru je impuls získaný z 1 kg pohonné látky. Je tedy asi 15 000 až 100 000 Ns/kg, tedy 5 až 30krát vyšší než u chemických motorů. Tah vyvíjený motorem sondy SMART-1 je velmi malý. Odpovídá tlaku listu papíru položeného na dlaň ruky.
Pavel Přeučil
JAKÉ ÚKOLY MÁ SMART-1
Sonda SMART-1 má využít svého vědeckého vybavení k dalšímu průzkumu Měsíce. Dosavadní expedice na Měsíc, především lety programu Apollo v letech 1969 až 1972 a tři nepilotované lety Sovětského svazu, dopravily na Zemi množství vzorků kamenů a prachu k rozborům. Bohužel odběry se odehrály výhradně na přivrácené straně Měsíce a v oblasti nepříliš vzdálené od rovníku. O geologickém složení odvrácené strany a polárních oblastí máme doposud jen mlhavé představy. SMART-1 nese sadu přístrojů, které jsou vhodné k dálkovému průzkumu povrchu Měsíce. Kamery a detektory jsou konstruovány k pozorování v oblasti viditelného, infračerveného i rentgenového spektra. Jedním z hlavních úkolů sondy SMART-1 je sondáž kráterů s možným výskytem zmrzlé vody infračerveným detektorem a pátrání po stopách jak vodního ledu, tak zmrzlého oxidu uhličitého a uhelnatého. Třetím hlavním úkolem u Měsíce je zkoumání geologického složení se zaměřením na získání stop popisujících historii vzniku Měsíce. Na tuto otázku existuje několik názorů, mezi nimi i teorie vzniku Měsíce v důsledku gigantické srážky Země s obřím tělesem velikosti Marsu v raných dobách vzniku sluneční soustavy. SMART-1 může přinést nová fakta podporující nebo popírající tuto verzi.
ÚSPĚŠNÝ TEST NOVÉHO IONTOVÉHO POHONU
V závěru loňského roku se pochlubila NASA výrazným úspěchem. V rámci projektu Prometheus prošel prvními úspěšnými zkouškami zcela nový typ iontového motoru, který by se mohl stát revolučním pohonným systémem pro dosažení jiných galaxií. Nový motor, testovaný pod názvem HiPEP kw a při testech se má dosáhnout plného výkonu až 12 kw a při testech se má dosáhnout plného výkonu až 25 kw. Elektřinu pro iontový motor má při mezihvězdných letech vyvíjet miniaturní jaderný reaktor a prvním cílem rakety s novým pohonem by měly být tři Jupiterovy měsíce – Ganymedes, Callisto a Europa. Ředitel projektu Prometheus Alan Newhouse považuje úspěšný test za první krok ke skutečnému ovládnutí vesmíru člověkem.
S antihmotou ke hvězdám
Pokoření antihmoty bylo ještě donedávna jen fikcí, barvitě popisovanou ve vědeckofantastických románech. Dnes už jsou vědecké experimenty v tomto směru realitou a první částečky antihmoty byly uměle vyrobeny.
Les Johnson z vesmírné agentury NASA říká: „Jestliže dospějeme k bodu, kdy budeme schopni vyrobit kilogram antihmoty, pak jsou hvězdy naše – s takovýmto množstvím antihmoty bychom mohli vyslat automatickou sondu k nejbližšímu hvězdnému systému Alfa Centauri a získat údaje, jaké se nepodařilo zjistit za celou historii lidstva.“
Jak vzniká antihmota
Anihilace hmoty a antihmoty je nejenergičtější reakce, která existuje. Při srážce antičástice s normální částicí stejného druhu dojde okamžitě k jejich spontánní anihilaci, při které obě částice zaniknou a uvolní se nesmírné množství energie – veškerá hmota těchto dvou částic (tedy částice a antičástice) je přeměněna na energii. Antihmota je svým způsobem zrcadlovým obrazem hmoty. Každá antičástice, ať už antiproton, pozitron (tzn. antielektron) či antineutron, má stejnou hmotnost, spin a dobu života jako její »normální« sourozenec, ale opačný elektrický náboj a některé další kvantové vlastnosti. Při chemických reakcích se může z jednoho kilogramu hmoty uvolnit maximálně 107 J, při štěpných jaderných reakcích maximálně 8 x1013 J a při termonukleární fúzi maximálně 3 x 1014 J. Naproti tomu při anihilaci dojde k uvolnění veškeré energie z hmoty – tedy 9 x 1016 J z jednoho kilogramu (dáno Einsteinovou rovnicí E=mc2), což je nesrovnatelně více i v porovnání s termonukleární fúzí. Navíc k »za-pálení« a udržení řízené termonukleární fúze je potřeba nesmírně složitých a rozměrných reaktorů, kdežto anihilace probíhá sama od sebe – stačí smíchat hmotu s antihmotou a okamžitě dojde k jejich anihilaci. Vzhledem k těmto nesporným výhodám mají pohonné koncepty založené na anihilaci hmoty a antihmoty potenciál stát se nejlepším řešením pro budoucnost.
Antihmota je drahý špás
Proč tedy není anihilace využíváno všude, kde by to bylo i třeba jen trochu možné -od elektráren až po vesmírné pohonné systémy, když by to přinášelo takové výhody? Největším problémem je, že výroba antihmoty je nesmírně technologicky náročná, neefektivní, pomalá a drahá. Antihmota může být vyráběna jen v obrovských urychlovačích (jako např. v CERNu v Ženevě nebo ve FermiLabu v USA). Přitom k vyrobení antihmoty (antiprotonů) v takovém množství, aby se z nich anihilací uvolnila 1 jednotka energie, je výrobním procesem spotřebováno 109 jednotek energie. To je nesmírně neefektivní proces, který je k praktickému využívání antihmoty zcela nevhodný. Dalším problémem je rychlost výroby – v CERNu, kde jsou pro výrobu antihmoty nejlépe vybaveni, je produkováno množství antiprotonů v řádu pouhých nanogramů za rok. Přitom k pohonu vesmírných lodí by bylo potřeba nesrovnatelně větší množství – pro mise v rámci Sluneční soustavy v řádu gramů a pro misi k nejbližší hvězdě Proximě Centauri dokonce v řádu kilogramů.
Loď dlouhá téměř dva kilometry
Až jednou budou vyřešeny problémy výroby a skladování antihmoty, přijde na řadu problém jejího využití. Bohužel, jako paliva nelze použít pozitrony, jelikož produktem při jejich anihilaci s elektrony je vysokoenergetické gama záření, které je nesmírně pronikavé a k pohonu se tedy nedá využít (nedá se nijak usměrňovat a nepředává účinně svou energii pracovní látce). Naopak produktem anihilace protonů s antiprotony jsou subatomární částice zvané piony (p+, p-, p0). Ty už je možné elektromagneticky usměrňovat a tak je využít k pohonu – ať už přímo, nebo nepřímo (využít jek zahřátí pracovní látky). Bohužel zde vznikají určité ztráty, jelikož neutrální piony nelze nijak usměrňovat a navíc se prakticky okamžitě rozpadají na nevyužitelné vysokoenergetické gama záření. Zajímavé je, že nabité piony se poté, co uletí 21 metrů, také rozpadají, ale na miony (m+, m) a mionová neutrina (nm). Miony poté uletí ještě 1,85 km a rozpadnou se na už stabilní elektrony (e-) nebo pozitrony (e+), mionová neutrina (nm) a elektronová neutrina (ne). Nabité miony nebo v pozdější fázi i elektrony (respektive pozitrony) lze samozřejmě také elektromagneticky usměrňovat, takže jediné ztráty jsou zde způsobeny zcela nezachytitelnými neutriny, pro které je veškerá hmota prakticky průhledná. Z toho vyplývá, že vesmírné lodi pro mezihvězdné cesty, přímo využívající produkty anihilace, by pro potřebné efektivní využití energie musely mít magnetickou trysku nejméně 21 km dlouhou (nebo ještě lépe 1,85 km dlouhou, jenže to by přineslo více škody než užitku).
Motory s pevným jádrem
A jak tedy fungují koncepty využívající anihilaci antiprotonů (nebo antivodíku) s normální hmotou? Obecně jsou zde čtyři základní schémata. První možností je anihilační motor s pevným jádrem, který funguje obdobně jako štěpný jaderný motor s pevným jádrem. Do pevného jádra (tepelného výměníku z wolframu nebo grafitu), skrze které proudí pracovní látka (kapalný vodík), jsou vystřelovány antiprotony. Ty anihilují a vzniklá energie je jádrem pohlcována. Jádro se prudce zahřívá a od něj se zahřívá i pracovní látka, která expanduje a proudí ven klasickou tryskou. Zajímavé je, že tento koncept dosahuje nejlepší účinnosti využití energie získané anihilací – dokonce přes 80 %.
Motory s plynným jádrem
Dalším typem je anihilační motor s plynným jádrem. V něm jsou antiprotony vystřelovány přímo do pracovní látky (vodíku) ve spalovací komoře. Antiprotony anihilují s vodíkem a vzniklé nabité piony jsou pomocí přídavných magnetických polí usměrněny tak, aby svou energii pracovní látce předávaly co nejúčinněji (jsou uvedeny do spirálových drah). Zahřátá pracovní látka pak uniká ven skrze klasickou trysku. Tento koncept je méně účinný než předešlý – využito je maximálně 60 % energie získané anihilací.
Motory s plazmovým jádrem
Třetím typem je anihilační motor s plazmovým jádrem. V tomto případě je konstrukce motoru podobná jako u některých termonukleárních pohonných systémů. Do magneticky uzavřeného válce je vháněn kapalný vodík a do něj vystřelováno relativně velké množství antihmoty (antiprotonů). Vzniká tak velmi horká vodíková plazma (teplota v řádu milionů kelvinů), která je udržována stlačená ve středu magnetické nádoby pomocí silných magnetických polí (tak aby se nemohla dotknout stěn válce). Na druhém konci válce je koncové magnetické pole oslabeno a plazma jím uniká do magnetické trysky a odtamtud ven.
Motory s paprskovým jádrem
Posledním konceptem je anihilační pohon přímo využívající produktů anihilace – tzv. anihilační motor s paprskovým jádrem. Zde dochází k anihilaci antiprotonů s velmi řídkým vodíkem a silná magnetická pole usměrňují pouze samotné produkty anihilace – tedy vysokoenergetické nabité piony. Ty se pohybují obrovskými rychlostmi (velmi blízko rychlosti světla). Jedinou nevýhodou je jako v předešlých dvou případech nižší účinnost (max. 60 %) a velmi nízký tah. K dosažení vyšší účinnosti, (potřebné pro mezihvězdné lety, by bylo, jak jsem již uvedl, potřeba magnetické trysky dlouhé alespoň 21 metrů.
Michal Křenek
FANTAZIE, NEBO REALITA?
Vědeckofantastické romány se jen hemží nejrůznějšími typy pohonů vesmírných lodí, od gravitačních, využívajících jak přímého gravitačního pohonu, tak urychlování letu rakety pomocí gravitačních polí planet, kolem nichž raketa prolétá, přes warpové pohony, umožňující nadsvětelnou cestovní rychlost, až po využití červích děr. Nejslibněji vypadají v současné době možnosti pohonů solárních, které už byly prakticky u některých vesmírných sond vyzkoušeny. Solární plachetnice, jak se také nazývají, využívají obrovské, tenké a lehké plachty z reflexivního materiálu. Na ty dopadá sluneční záření a odráží se od nich, přičemž plachty jsou pod tlakem záření urychlovány. Problémem je, že tah po- skytovaný solárními plachtami je nesmírně nízký a se zvyšující se vzdáleností od Slunce dále klesá. Testují se ovšem i možnosti převodu slunečního záření, zachyceného solárními panely ve fotovoltaických článcích na elektrickou energii, jíž je využito k pohonu lodí. Další možností je i možnost využití mohutných laserů, umístěných například na oběžné dráze Země, které by usměrněným tokem paprsků přesně zaměřovaly fotovoltaické články sondy a dosahovaly tak až o 50 % lepší účinnosti při přeměně energie. Nejfantastičtěji zní teorie o využití již zmíněných červích děr. Ty si můžeme zjednodušeně představit jako tunel, který spojuje dvě místa v časoprostoru, vzdálená i miliony světelných let. Pokud bychom takovou červí díru dokázali objevit, a hlavně prakticky využít, odpadly by složité výzkumy nejrůznějších raketových pohonů, protože by šlo o cestování nadsvětelnou rychlostí, při kterém bychom se na konci oné zázračné červí díry vynořili ve stejném okamžiku, ve kterém bychom do ní vstoupili. Existuje už celá řada teorií, jak červí díry vytvořit uměle, ovšem množství negativní energie, nebo zvláštní hmoty se zápornou hmotností, potřebné k jejich vytvoření, je tak obrovské, že jej lidstvo zatím není schopno vyprodukovat.
