NASA připravuje revoluční motor, který posune kosmonautiku o velký kus dopředu. Obrovské kosmické sondě JIMO dá sílu jaderný reaktor. Start je naplánován na rok 2015.
Současný chemický pohon raket a kosmických lodí celkem postačuje k cestám do blízkého okolí Země, na mise do odlehlejších koutů sluneční soustavy se ale moc nehodí. Může sice poskytnout velký výkon, ale jen na krátkou dobu, ale i na to musí nést obrovské množství paliva a okysličovadla.
Jedním z možných řešení je iontový motor, kde nabité částice pracovního média urychluje elektrické pole. Takový pohon může dávat stálý tah po velmi dlouhou dobu a umožňuje také manévrování, jaké dosud nebyly možné. V současnosti se zkouší na několika sondách, kde jsou zdrojem elektrické energie fotovoltaické panely.
Při cestách dál od Slunce ale nebudou stačit. A tak se zrodil návrh mise JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter – Oběžnice ledových měsíců Jupitera), kdy sondě dá sílu jaderný reaktor. Na dnešní poměry obrovská kosmická sonda s atomovým pohonem má dlouhodobě operovat v okolí velkých měsíců Jupitera.
Problémem je pohon
Dnešní vesmírné sondy se pohybují neměnnou rychlostí po drahách, na nichž se spotřebuje co nejméně energie. Co příliš nevadí u robota, stává se téměř nepřekonatelnou překážkou při pilotované výpravě, kdy je navíc ještě potřeba počítat se zpáteční cestou. Klade to mimořádné nároky na zásoby, na systémy udržující životní podmínky, na hmotnost a rozměry lodě a v neposlední řadě i na zdraví a psychiku astronautů.
Kdyby však mohla kosmická loď letět přímo a navíc polovinu cesty zrychlovat a druhou polovinu brzdit, zkrátila by se doba letu k Marsu na týdny a k velkým planetám na měsíce. Navíc by zrychlení a zpomalení vytvářelo na palubě po většinu letu umělou gravitaci.
Má to jen jeden háček, spotřeba klasického paliva by byla tak obrovská, že takové plavidlo v praxi nejde sestrojit. Pro pilotované výpravy k planetám proto nebude možné používat chemické raketové motory, ale tzv. fyzikální. Mezi nejnadějnější koncepce patří jaderný pohon.
Předčasně ukončený projekt
To, že kosmické lodě pro vzdálené výpravy musí pohánět síla atomu, věděli spisovatelé sci-fi už dávno. Jenže v praxi se konstrukci rakety na jaderný pohon postavila do cesty celá řada nečekaných překážek.
Již v 60. letech pracovali Američané na nukleárním motoru NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Miniaturizovaný a značně odlehčený reaktor v tyčovém uspořádání zahříval vodík, přičemž se předpokládalo, že motor bude pracovat pouze v kosmickém vakuu, tedy na posledních stupních raket či v meziplanetárních plavidlech. Práce na projektu sice ukázaly, že cesta je správná, ale během dramatických škrtů, které postihly americkou astronautiku v 70. letech vzal za své i tento projekt.
Američané se však snahy o vývoj nukleárního pohonu nevzdali. Již koncem osmdesátých let zahájil Pentagon tajné projektové práce na novém motoru Timberwind. Vývoj probíhal v laboratořích US Air Forces ve městě Albuquerque v Novém Mexiku, kde jsou americké laboratoře jaderného výzkumu. Objednávka zřejmě vznikla především na základě programu „hvězdných válek“ presidenta Ronalda Regana. S koncem studené války však zájem i o tento projekt poněkud ochladl.
Jaderný kosmický pohon vyvíjeli i Rusové, přičemž jejich koncepce se značně podobala projektu NERVA – a měla i podobný osud.
Prométheus bude hledat život
Projekt NERVA počítal s přímým ohřevem pracovní látky v jaderném reaktoru. Později však začala převládat koncepce kombinující reaktor jako zdroj elektrické energie s iontovým motorem, kde je elektricky nabitá pracovní látka (plazma) urychlována v elektrostatickém nebo elektromagnetickém poli.
Malé motory tohoto typu se už s úspěchem používají na satelitech i několika meziplanetárních sondách. Ve výkonu je ale omezuje skutečnost, že jako zdroj energie slouží solární fotovoltaické panely. Teprve jaderný reaktor jim umožní dosáhnout výkonu potřebného pro skutečně velké výpravy. První takovou lodí by měla být obří sonda JIMO, která by měla být čtyřikrát až pětkrát větší než současné sondy. Jde o první stroj projektu Prometheus, zaměřeného na využití jaderné energie při kosmických výpravách.
JIMO ale není jen technologický experiment. Má i vzrušující cíl v podobě hledání života ve vesmíru. „Sonda Galileo přinesla důkazy toho, že Jupiterovy velké ledové měsíce obsahují tři základní ingredience nezbytné pro existenci života: vodu, energii a potřebné chemické prvky,“ můžeme se dočíst na oficiálních webových stránkách Jet Propulsion Laboratory, jednoho z pracovišť NASA. „Informace z Galilea také nasvědčují, že na měsíci Europa byla tekutá voda v kontaktu s povrchem v geologicky téměř současné době a stále ještě může být relativně nehluboko. Výzkumy Kalista a Ganymedu pak mohou dát srovnání potřebné pro pochopení vývoje těchto ledových světů.“ Některé údaje z Galilea ale naznačují, že vrstva tekuté vody (a tedy i život) by mohla být i na těchto tělesech.
Přednost dostal jaderný pohon
Výzkumy sondy Galileo omezoval nedostatek energie. To platí i pro další současné sondy k vnějším planetám, kde již nelze spoléhat na sluneční panely. Například malá plutoniová baterie sondy Cassini, zkoumající nyní Saturn a jeho měsíce, má celkový výkon pouhých 900 wattů, což by nestačilo ani na pohon průměrného vysavače.
Naproti tomu již jen samotný přelet mezi ledovými měsíci v gravitačním poli gigantického Jupitera je energeticky nesmírně náročný. A to ještě musí zbýt dost síly pro vědecké a palubní přístroje. NASA sice původně připravovala misi Europa Orbiter, podrobnější studie ale ukázala, že klasickými prostředky by šlo k tak vzdálenému cíli dopravit jen velmi malý vědecký náklad. Přednost proto dostala koncepce jaderné lodi JIMO. NASA již dokonce uzavřela kontrakt s firmou Boeing na studii jaderného kosmického pohonu pro tuto sondu.
Srdce lodi, jaderný pohon, dostalo na starost oddělení námořních reaktorů. Předurčují jej k tomu zkušenosti s pohonem jaderných ponorek a letadlových lodí. Naproti tomu NASA si bere na starost vývoj ovládacího softwaru, prověření souladu mezi pohonem a vědeckým nákladem v podmínkách vesmíru a vypuštění ze Země. Na konci cesty by měl být revoluční motor, který posune kosmonautiku o velký kus dopředu.
Vesmírná odysea 2015
Sonda JIMO má s projektem NERVA společný vlastně jen zdroj energie v podobě reaktoru. Jinak se ale podobá spíše kosmické lodi Discovery, jak ji popsal Arthur C. Clarke ve svém slavném románu (a filmu) 2001: Vesmírná odysea.
Reaktor má produkovat teplo, které se bude přeměňovat na elektrickou energii. Výkon postačí nejen pro silný iontový motor, ale i pro mohutné vědecké přístroje a přenos dat s vysokou kapacitou. Odpadnou tak prakticky všechny problémy, kterými trpěla mise Galileo: krátké doby průletů kolem měsíců, omezené schopnosti vědeckého nákladu a potíže s přenosem dat.
Jako nejpravděpodobnější rok startu se udává 2015, u tak rozsáhlého projektu ale nelze vyloučit mnohaletý skluz. Pak by měl silný raketový nosič poháněný klasickým chemickým motorem vynést těžkou sondu na oběžnou dráhu kolem Země, kde se zažehne jaderný pohon. Díky jeho neustálé činnosti dostane dráha podobu stále širší spirály, až se nakonec plavidlo odpoutá od Země a zamíří k Jupiteru. Tam by mělo dorazit po šesti až osmi letech.
Prvním navštíveným měsícem bude Kalisto, u nějž se sonda zdrží asi 8 měsíců. Stejně dlouho pak pobude také u Ganymeda. Nakonec zaparkuje u Evropy, kde jsou naděje na objevení života největší.
Co chystá JIMO?
Jaderný pohon umožní nejen vysokou manévrovací schopnost, ale i plnění podstatně náročnějších výzkumných úkolů. U předešlých sond totiž měly vědecké přístroje k dispozici výkon, který je srovnatelný se spotřebou stolní lampičky, zatímco nukleární reaktor JIMO nabídne přinejmenším desítky kilowatů. A s tím už se dá něco dělat. Na palubě jaderných sond bude například možné umístit nejen radar pronikající ledem, ale později i lasery a elektromagnetická děla pro ostřelování povrchu zkoumaných těles. Citlivé analyzátory pak provedou rozbor uvolněných plynů a prachu.
Od sondy JIMO se, kromě celé řady dalších měření, očekává především zjištění tloušťky ledové vrstvy měsíců, hloubky tekutého oceánu a nalezení míst, kde je povrchová krusta nejtenčí. Mimo jiné tak vytipuje místa přistání pro roboty, které se později pokusí do vody proniknout a hledat tam život. Není však vyloučeno, že přistávací modul bude už přímo na palubě JIMO.
Projekt JIMO bude muset ještě projít očistcem rozpočtových škrtů a protestů proti jadernému zdroji. NASA proto v současnosti financuje i rozsáhlé studie, které mají upozornit na možná rizika a předejít jim. Pokud se ale mise opravdu uskuteční, posune vědu o pořádný kus kupředu.
Sonda JIMO (Jupiter Icy Moons)
délka: asi 20 až 30 metrů
hmotnost: asi 20 tun
celková hmotnost vědeckých přístrojů: okolo 1500 kg
elektrický výkon reaktoru: asi 100 kW
celkový příkon vědeckých přístrojů: 40 kW
předpokládaný start: po roce 2012
celková délka mise: nejméně 12 let
Jupiterovy ledové měsíce
jméno průměr střední hustota doba jednoho oběhu
Europa 3138 km 3,01 g/cm3 3,55 pozemského dne
Ganymed 5262 km 1,9 g/ cm3 7,16 dne
Kalisto 4800 km 1,8 g/ cm3 16,69 dne
Jak pracuje iontový motor?
1. do nabíjecí komory je vstřikována pracovní látka (např. vodík, xenon atd.)
2. zde pomocí elektrické energie z jaderného nebo solárního zdroje dojde k odštěpení elektronů (například prostřednictvím vysokofrekvenčního elektromagnetického záření), z atomů se stávají ionty
3. ionty jsou pomocí elektrostatického pole urychleny na 40 až 60 km/s
4. když opouštějí trysku, jsou elektricky neutralizovány přidáním elektronů, aby nedocházelo k elektrickému nabíjení kosmické sondy
