Když lidé zapřáhnou ionty…

Oproti energeticky náročným chemickým raketovým motorům, které se používají v současnosti, svítá naděje od perspektivního iontového pohonu. Dokonce se byly již v některých sondách použity! Oproti energeticky náročným chemickým raketovým motorům, které se používají v současnosti, svítá naděje od perspektivního iontového pohonu. Dokonce se byly již v některých sondách použity!

Klasické chemické raketové motory nejsou energeticky zrovna tou nejvýhodnější variantou. Vyvíjejí sice velkou tahovou sílu, ale jen krátce. Pouze díky nim však dovedeme nakopnout celou tu váhu rychlostí osm a více km/s, potřebnou k trvalému odlepení od Země. Zbytek letu se pak už kosmické těleso pohybuje setrvačností.
Pro jakékoliv dodatečné změny dráhy jsou však klasické pohony neefektivní, protože k tomu ssebou musíme vláčet příliš mnoho pohonných látek. Proto vědci neustále hledají alternativní řešení, byť fungující jen ve vakuu.

Nenasytní žrouti
Jde především o systémy, poskytující sice velmi malý tah, ale po dlouhou dobu. Celkový impuls tak může být výrazně vyšší. Do této skupiny patří velká část fyzikálních pohonů, u nichž je kinetická energie částic deroucích se z motoru získávána přeměnou energie stlačeného plynu nebo energie elektrické.
U elektrotermálních motorů je stlačený plyn v pracovní komoře ohříván elektrickou energií na vysokou teplotu. Dá se to dělat elektricky žhaveným odporovým vláknem, vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem uvnitř cívky nebo elektrickým obloukem. Takové motory mají vysoký specifický impuls a tah až několik kN, jsou to však nenasytní žrouti elektrické energie a proto se dosud v praxi neužívají.

Co urychluje ionty?
Motory plazmové neboli magnetohydrodynamické pracují s nabitými částicemi (ionty) pracovní látky, které jsou urychlovány elektromagnetickým polem, jež působí jak na kladné, tak i záporné částice, tedy na ionty i elektrony. Mají sice vysoký specifický impuls, ale nízký tah. Byly již dokonce experimentálně zkoušeny, avšak bez valného úspěchu.
Elektrostatické alias iontové motory jsou poháněny raktivní silou nabitých částic (iontů) pracovní látky, urychlených elektrostatickým polem. Jako pracovní látku lze užít mj. par snadno ionizovaných kovů jako cesia nebo rtuti, nebo některých plynů, například dusíku, argonu, xenonu. Tyto motory mohou pracovat pouze ve vakuu a jejich tahová síla není nijak velká, avšak mohou fungovat mimořádně dlouho. 

Hodně muziky za málo peněz
Příkladem může být iontový pohon, který se již uplatnil přímo ve vesmíru a zdá se být mimořádně perspektivní. Poskytuje vysoký specifický impuls (nad 30 000 Ns/kg) při nízké spotřebě pohonné látky, tedy hodně muziky za málo peněz. Už delší dobu se využívají pro prostorovou orientaci a stabilizaci družic. V posledních letech se však už starají i o pohon sond při zkracování přeletových dob v meziplanetárním prostoru. K tomu totiž malé, ale dlouho trvající  urychlení stačí.
Například na kosmické sondě Deep Space 1 byl roku 1998 xenonový iontový motor s příkonem kvalitnějšího domácího vysavače (2,3 kW), tahem 92 mN a výtokovou rychlostí 28 km/s. Jeho specifický impuls je přitom desetkrát vyšší než u chemického motoru.
K produkci elektronů se užívá duté katody. Elektrony se srážejí s atomy xenomu a ionizují je. Ionty jsou pak urychlovány napětím 1280 V a tlačí se ven tryskou o průměru 0,3 m. Oddělený svazek elektronů je za tryskou vstřikován do proudu iontů a za motorem vytváří neutrální proud plazmy. Motor pracoval celkem 670 dní! V současnosti je vyvíjena další varianta NEXT, která má při příkonu 6 kW tah 237 mN a výstupní rychlost iontů dosahuje 40 km/s.

I rekordman má své limity
Na sondě Hayabusa, která odstartovala na jaře 2003 k planetce Itokawa je svazek čtyř iontových xenonových motorů o celkovém tahu max. 30 mN a příkonu nejvýše 1,5 kW.
Evropská sonda SMART z podzimu 2003 je rovněž vybavena iontovým raketovým motorem pro pohon na přeletové dráze. Její motor PPS-1350 pracuje s xenonem, jeho specifický impuls dosahuje 16000 Ns/kg a tahová síla 68 mN působila po dobu více než 5000 hodin. Spotřeboval přitom asi 80 kg pohonné látky. Nabízí se zde srovnání s posledním stupněm nosné rakety Fregat. Ten sice poskytuje 14x větší celkový impuls, avšak spotřebuje na to 70x víc pohonných látek.
Zatím nejvýkonnějším iontovým motorem je však ruský SPT-180 s příkonem 10 kW a tahem 565 mN. I v tomto případě však odborníci narážejí na limitující faktory. Kromě zásob pracovní látky je to zejména zdroj co nejvyššího příkonu elektrické energie.

Slibné sny
V roce 2000 začal v Johnsonově kosmickém středisku NASA v Houstonu vývoj nové raketové technologie, založené na magnetohydrodynamickém urychlování plazmatu. Motor nazvaný VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) se v principu skládá ze tří spojených magnetických komor. Do první komory je vstřikována plynná pohonná látka (vodík), která je zde ionizována. V centrální komoře je vzniklé vodíkové plazma dále radiofrekvenčně zahříváno (princip mikrovlnky). Poté přechází do poslední komory, kterou si lze představit jako magnetickou trysku, převádějící tepelnou energii plazmatu na kinetickou výtokovou energii.
Magnetické pole chrání konstrukci komor před kontaktem se zahřátým plazmatem, což je zkušenost ověřená v tokamacích. Geometrie magnetického pole zajišťuje, že se plazma ještě více urychluje, ochlazuje se vstřikováním neionizovaného vodíku a pak se jako neutrální plyn od magnetického pole oddělí se značnou kinetickou energií.
Vhodným nastavováním geometrie magnetického pole lze dosáhnout proměnného poměru tahu k množství paliva a tím optimalizovat výkon motoru v různých fázích letu. 
Při vývoji tohoto magnetohydrodynamického motoru bude využito moderních technologií, jako jsou supravodivé elektromagnety, systémy pro generaci plazmatu a jeho elektromagnetického zahřívání… Návrh vzbudil značnou pozornost mezi odborníky, avšak jeho technická realizace bude vyžadovat ještě řadu let a není vyloučeno, že k ní nikdy nedojde.

MOTORY NA STLAČENÝ VZDUCH
Motory na stlačený plyn, zvané obvykle jen plynové trysky, se užívají v systémech pro orientaci a stabilizaci družic. Jsou jednoduché, spolehlivé, dobře ovladatelné, avšak s malým specifickým impulsem.
Jako pracovního plynu se nejčastěji používá stlačeného plynného dusíku, méně často hélia a zcela výjimečně vzduchu. Tahová síla plynových trysek se pohybuje v rozmezí od 100 nN do 10 N.

Rubriky:  Vesmír
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Americká kosmonautka se chystá na rekord: Chce být nejdéle pobývající ženou ve vesmíru

Americká kosmonautka se chystá na...

Před několika dny NASA oznámila, že se kosmonautka Christina Hammock...
NASA hlásí: v atmosféře Měsíce je vodní pára

NASA hlásí: v atmosféře Měsíce je...

Nejen planety, ale i mnohé měsíce mají svou atmosféru. Svým plynným obalem...
Když dojde ke střetu dvou hvězd

Když dojde ke střetu dvou hvězd

Pomocí vesmírného teleskopu Chandra se týmu astronomů podařilo zaznamenat...
Kolik je v oceánech plastů? Nová technologie bude provádět monitoring z vesmíru

Kolik je v oceánech plastů? Nová...

O znečištění světových moří se píše a hovoří už desítky let. Dlouho se...
12. duben 1961: Den, kdy člověk poprvé opustil svou planetu

12. duben 1961: Den, kdy člověk...

12. dubna 1961 vyšla na titulní straně Rudého Práva nenápadná zpráva...
Experiment na ISS prokázal přizpůsobivost myší

Experiment na ISS prokázal...

Na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) proběhl výzkum, který měl...
Rusové vyvíjejí pračku do vesmíru

Rusové vyvíjejí pračku do vesmíru

Ve vesmíru se nezřídka řeší problémy srovnatelné s těmi na Zemi. Výjimkou v tomto...
Minidružice přestaly po několika měsících komunikovat

Minidružice přestaly po několika...

Na sklonku roku 2018 vyslala společnost SpaceX na oběžnou dráhu několik...
Historicky první snímek černé díry

Historicky první snímek černé díry

Vědci z mezinárodního projektu Event Horizon Telescope (Teleskop...
Tajemný oblak na hranici gravitačního vlivu Slunce

Tajemný oblak na hranici...

„Za mlhou hustou tak, že by se dala krájet a dost možná ještě dál, se...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Vylodění na Filipínách: Smůla frajera v pilotkách

Vylodění na Filipínách: Smůla...

Jen co si Japonci podmaní Indočínu a svůj vliv pomalu šíří po celém...
Hubbleův teleskop slaví narozeniny!

Hubbleův teleskop slaví narozeniny!

Je to již 29 let, co se začala psát nová éra lidského poznávání...
Rok 1937: Stovky dětí pohřbeny v troskách školy!

Rok 1937: Stovky dětí pohřbeny v...

08V osadě New London v americkém Texasu vybuchl 18. března ve škole kotel, při...
Přehledně: I kanalizace má svůj vývoj

Přehledně: I kanalizace má svůj...

Čisté ulice bez zápachu výkalů nepovažujeme už ani tak za luxus, jako za...
Dyrehavsbakken: Lunapark s nejstarší horskou dráhou ze dřeva

Dyrehavsbakken: Lunapark s...

Uprostřed nejhezčího z dánských lesů nečíhá perníková chaloupka, ale něco lepšího...
Katastrofa Hindenburgu: Vzducholoď roztrhána explosí!

Katastrofa Hindenburgu: Vzducholoď...

Katastrofa Hindenburgu zničila důvěru veřejnosti ve vzducholodě a...
Jediný Slovák na Titaniku: Syny zachránil, sám skončil ve vlnách

Jediný Slovák na Titaniku: Syny...

Pořádná Itálie, takové je manželství Slováka Michela Navrátila ze Seredi. Není...
10 největších hradních komplexů světa

10 největších hradních komplexů...

Majestátní pevnosti byly budovány i po dobu mnoha staletí, tvoří často ohromné...
Zúčtování s nevěrnicemi: Pomstili Medicejové rodinnou čest?

Zúčtování s nevěrnicemi: Pomstili...

Se staženým hrdlem opouští Isabela Medicejská v červenci 1576 Florencii....
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.