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

15 let od přistání na Titanu

15 let od přistání na Titanu

Psal se 14. leden 2005, když Evropská kosmická agentura zaznamenala...
Ženy do vesmíru

Ženy do vesmíru

Již v průběhu ledna 2020 chystá americký Národní úřad pro letectví a...
V Číně byl spuštěn největší „dalekohled“ světa

V Číně byl spuštěn největší...

Zkoumání dalekého vesmíru je opět trochu blíž. V neděli 12. ledna 2020...
Z Výstaviště až do vesmíru

Z Výstaviště až do vesmíru

Až do konce dubna letošního roku si mohou zájemci prohlédnout největší putovní...
Stephen Hawking: Genialita spoutaná na vozíčku

Stephen Hawking: Genialita...

Podnikatel Elon Musk, astrofyzik Martin Rees, další astrofyzik...
Nový rekord ve vesmíru má na svědomí žena

Nový rekord ve vesmíru má na...

Americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA)...
Jak ochránit planetu před asteroidy? Rusko hledá vlastní cestičky

Jak ochránit planetu před...

Roskosmos v současné době buduje středisko, které bude monitorovat potenciálně...
Exoplaneta se dočkala českého pojmenování

Exoplaneta se dočkala českého...

Skončilo veřejné hlasování o první české pojmenování exoplanety, kterou Česku...
Vesmír jako ze škatulky: ESA spustila projekt ClearSpace-1

Vesmír jako ze škatulky: ESA...

Je to sotva pár dní, co Evropská kosmická agentura (ESA) schválila financování...
Trosky indické družice nalezeny

Trosky indické družice nalezeny

Americký satelit kroužící nad Měsícem objevil trosky indické sondy...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Jak správně naložit s výhrou v loterii?

Jak správně naložit s výhrou v...

Pro většinu výherců loterie či obrovského balíku peněz je celkem typické,...
Mistr intrik: Nizozemec Hugo Grotius měnil názory podle hesla  kam vítr, tam plášť

Mistr intrik: Nizozemec Hugo Grotius...

Čtení ovládá Nizozemec Hugo Grotius ve dvou letech, doktorem práv se stává v pouhých...
Jak dokázal ruský diplomat obalamutit Číňany?

Jak dokázal ruský diplomat...

„Je to lhář Paša, “ přezdívá se v diplomatických kruzích Nikolaji Pavloviči Ignaťjevovi....
Nejtlustší děti světa: Kolik váží?

Nejtlustší děti světa: Kolik váží?

Jak jste na tom s vaší váhou? Podle průzkumů v České republice...
Děsivá smrt: Intrikánský král Karel II. Navarrský uhořel zaživa

Děsivá smrt: Intrikánský král Karel...

V královské ložnici je cítit pach spáleného masa. Uprostřed oblaku štiplavého dýmu skučí v...
Objev u ostrova Kefalonia: Ztroskotaná loď vezla náklad 6000 amfor s vínem

Objev u ostrova Kefalonia:...

Sonar nedávno ušetřil práci podmořským archeologům. Snímky mořského dna získané...
Přehodnocení dávné katastrofy: Minojská civilizace přežila výbuch sopky

Přehodnocení dávné katastrofy:...

Většina archeologů dosud předpokládala, že minojskou civilizaci, která obývala...
Ochránci císaře, sjednotitele Číny: Našlo se dalších 220 terakotových vojáků

Ochránci císaře, sjednotitele Číny:...

Nádobí, bronzové meče a luky, různé nástroje, ale především další válečníci...
Podoba prvních hominidů: Vědci vymodelovali tvář našeho nejstaršího předka

Podoba prvních hominidů: Vědci...

V jezerních sedimentech v etiopském nalezišti Woranso-Mille asi...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

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