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

Do pražského kosmického inkubátoru míří první start-up ze zahraničí

Do pražského kosmického inkubátoru...

Systém pro rezervaci a management privátních letů malých a středních...
Rodina Jupiterových měsíců se rozrostla

Rodina Jupiterových měsíců se...

Měsíční rodina krále sluneční soustavy je rozsáhlejší, než dosavadní učebnice...
Připravte si foťáky. Čeká nás nejdelší úplné zatmění Měsíce

Připravte si foťáky. Čeká nás nejdelší...

Protože plánovat se musí, vyhraďte si v pátek 27. července 2018 pozdní večerní a noční...
Vyspělý 3D tisk od Lockheed Martin

Vyspělý 3D tisk od Lockheed Martin

Společnost Lockheed Martin, známý výrobce letounů, zvládl pomocí 3D tisku...
Úplné zatmění Slunce 2019 na observatoři La Silla v Chile

Úplné zatmění Slunce 2019 na...

Dne 2. července 2019 bude možné z observatoře ESO/La Silla v Chile pozorovat jeden z...
Sonda Hajabusa 2 doletěla ke svému cíli

Sonda Hajabusa 2 doletěla ke...

Japonská sonda Hajabusa 2 po tříapůlleté cestě doleděla k asteroidu...
Pomocí dalekohledu VLT vědci provedli dosud nejpřesnější test Einsteinovy obecné teorie relativity mimo naši Galaxii

Pomocí dalekohledu VLT vědci provedli...

Astronomové využili přístroj MUSE pracující ve spojení s dalekohledem ESO/VLT v...
ALMA nalezla trojici vznikajících planet u nově zrozené hvězdy

ALMA nalezla trojici vznikajících...

Dva nezávislé vědecké týmy využívající radioteleskop ALMA získaly s jeho...
Kdo pobyl nejdéle v kosmu?

Kdo pobyl nejdéle v kosmu?

Minulý týden absolvovala dvojice amerických astronautů Andrew Feustel...
Indickým vědcům se podařilo najít novou planetu

Indickým vědcům se podařilo...

Velmi zajímavého objevu dosáhli indičtí odborníci. Těm se totiž...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Skvosty planety Země: Fascinující přírodní úkazy!

Skvosty planety Země: Fascinující...

Na Zemi existují tisíce přírodních kuriozit a krás, ze kterých se tají...
Aktuálně: Kapské město chce čerpat vodu z antarktického ledovce!

Aktuálně: Kapské město chce...

Nedostatek vody se stává jedním z největších problémů jižní Afriky. Začátkem...
4 x slavné řády: Co bylo jejich cílem?

4 x slavné řády: Co bylo jejich...

Po téměř 500 let se propůjčuje k ochraně rytířských tradic, katolické víry...
V Amazonii byl objeven nový druh vosy s obřím žihadlem

V Amazonii byl objeven nový druh...

Planeta Země nás nejspíše nikdy nepřestane udivovat. Stejně jako se jí...
VIDEO: Jak by vypadal svět bez plastů?

VIDEO: Jak by vypadal svět bez...

V poslední době slýcháme velmi často informace o tom, jak...
První světová válka zuřila i na africkém jezeře!

První světová válka zuřila i na...

Desítky mužů se lopotí v africké savaně. Vedro je k zalknutí. Po vodě ani...
Může nadměrný hluk útočit až na srdce?

Může nadměrný hluk útočit až na...

Bydlení u rušné komunikace, u letiště či třeba u hlučné továrny se směnným...
3 nejslavnější toreadoři: Sklání se před nimi býci i diktátor

3 nejslavnější toreadoři: Sklání se...

Francisco Goya se opět chápe štětce. Muž, který mu sedí modelem, se ani nepohne....
Sigourney Weaverová: Její Ripleyová zůstává nejslavnější akční hrdinkou!

Sigourney Weaverová: Její Ripleyová...

Nejvýznamnější akční hrdinka v dějinách filmu, a také jedna z nejčastěji a...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

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