Poletí do vesmíru sluneční plachetnice?

Půl století již používáme rakety. Je na čase vyzkoušet něco jiného! Půl století již používáme rakety. Je na čase vyzkoušet něco jiného!

Pro kosmické lety je energie, skryté v pohonných látkách zapotřebí velmi mnoho. Přesto nyní technici intenzívně vyvíjejí „raketu“, která žádné takové zásoby nepotřebuje. Neodporuje to ale fyzikálním zákonům? Lze urychlovat kosmická tělesa bez pohonných látek? A právě toto řešení nyní nabízí tzv. sluneční plachetnice, poháněná tlakem slunečního záření.

Dej lodi plachty….   napsal počátkem 17. století slavný zákonodárce planet Johann Kepler v otevřeném dopise z Prahy neméně slavnému Galileo Galileimu v nadšené odpovědi na jeho informace o nových objevech dalekohledem. Bylo to poprvé v historii, kdy se objevilo přesvědčení o tom, že jednou budou uskutečněny meziplanetární lety pomocí technických prostředků. Tehdejší námořní lodě byly poháněny výhradně plachtami… Ovšem Keplerovi patří ještě další prvenství. Všiml si totiž, že chvosty komet míří obvykle od Slunce a správně usoudil, že to zřejmě způsobuje tlak slunečního světla.

Kde se bere ta síla?
Badatelské úsilí o poznání fyzikální podstaty světla završil až skotský matematik a fyzik Maxwell v polovině 19. století, který odhalil, že světlo je druhem selektromagnetických vln a že libovolný typ záření působí na ozařované těleso určitým tlakem.
Můžeme jen znovu tiše obdivovat, jak skvělý přehled o vědeckých objevech měl Jules Verne, protože už v roce 1865 ve svém románu Ze Země na Měsíc napsal o projektilu, který měl být vystřelen na Měsíc: „…nikdy nepřekročí rychlost 29 700 mil za hodinu… Není zřejmé, že tato rychlost bude jednou překonána ještě vyššími rychlostmi, které dosáhneme spíš pomocí světla nebo elektřiny než mechaniky?
Tlak je ve většině případů jen velmi slabý. V případě, že se záření na povrchu tělesa pohlcuje, změna hybnosti tělesa po dopadu jednoho fotonu je rovna hybnosti tohoto fotonu. Pokud se foton odrazí, je změna hybnosti dvojnásobná. Slunce, stálý zdroj elektromagnetického záření a naše nejbližší hvězda, je od nás vzdáleno 150 milionů kilometrů. Tlak slunečního záření je roven jedné třetině hustoty energie tohoto záření.
Ve fyzice podal první experimentální důkaz o velikosti působení tlaku světla na pevná tělesa ruský fyzik P. N. Lebeděv měřením z roku 1899. A zřejmě právě tyto pokusy inspirovaly jeho krajany Fridricha Canděra a jednoho z otců kosmonautiky Konstantina E. Ciolkovského k námětu na využití tohoto slunečního záření pro meziplanetární lety (1924). O pozornosti, kterou myšlence věnovali, svědčí i jejich poznámka, že kosmickou loď bude nutno dopravit nejdříve do volného prostoru a teprve pak letět pod vlivem slunečního záření.

První „plachty“
Autorem termínu ”sluneční plachetnice” je americký inženýr R. L. Garwin, který jej poprvé použil ve své studii, publikované v březnu 1958. O dva roky později ho nacházíme i v povídce Cordwainera Smitha „The Lady who Sailed the Soul“ a roku 1963 nechává Pierre Boulle na počátku románu ”Planeta opic” křižovat sluneční plachetnice sluneční soustavou. Nicméně název i samu ideu zpopularizovala povídka A. C. Clarka ”The Wind from the Sun” (1964), původně nazvaná Sunjammer, v níž se posádky vydávají na dramatický závod slunečních plachetnic mezi Zemí a Měsícem. 
V kosmonautice jsme se o působení tlaku slunečního záření přesvědčili poprvé u družice Echo, vypuštěné v srpnu 1960 na dráhu ve výšce 1600 km. Byl to balon o průměru 30 m, jehož povrch odrážel 98% dopadajícího světla. Obvykle se každá družice třením o řídkou atmosféru přibrzďuje a její výška se zvolna snižuje. Avšak dráha Echa se měnila jinak. Za půl roku se nacházela ve výšce 966 až 2157 km a za dalších půl roku byla kruhová ve výšce 1550 km! Způsobil to tlak slunečního záření…
Nyní již víme, že ve výškách nad 800 km má tento tlak na družice větší vliv než odpor atmosféry. Až od této výšky lze tedy slunečního záření využít pro pohon kosmických těles.   

Když zafouká Slunce…
Sluneční plachetnice jsou kosmické sondy vybavené velkou plochou (tj. „plachtou“), schopnou dopadající fotony slunečního záření co nejúčinněji odrážet do zvoleného směru. Díky tlaku slunečního záření na tuto plochu se kosmické těleso urychluje ve směru normály k rovině plachty, jednoduše řečeno podobně, jako vítr pohání klasické plachetnice…
Tlak slunečního záření souvisí s vyzařovaným výkonem Slunce. Ve vzdálenosti Země od Slunce má dopadající světelná energie hodnotu tzv. sluneční konstanty, tj. 1328 W/m2 a z toho vyplývá tlak slunečního záření. na 1 m2: 4,43 x 10-6 Pa. Protože k přenosu energie dochází nejprve při dopadu a poté při odrazu světla, je skutečná síla, kterou fotony působí na m2 dvojnásobná, tj. přibližně 105 Pa.
Velikost tlaku slunečního záření ovšem rychle klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce, s čímž je nutné počítat při určování dráhy sluneční plachetnice a při jejím manévrování. Je zřejmé, že největší účinnost mají obrovské plachty s maximální odrazivostí a tuhou konstrukcí (to proto, aby se neměnil úhel odrazu podél jejich plochy).
Ač by se podle analogie s pozemskou plachetnicí mohlo zdát, že pohyb zajišťuje sluneční vítr, není to pravda. Sluneční vítr je tvořen elektrony a protony, vyvrhovanými velkou rychlostí ze Slunce a jeho účinek je 10 000x menší, než účinek fotonů.

Jak na to?
Přes jednoduchost koncepce sluneční plachetnice zůstávají ještě nedořešeny tři základní problémy. První se týká samotné plachty. Měla by být mimořádně lehká a přitom dostatečně pevná, protože plocha folie musí dosahovat úctyhodných rozměrů – nejlépe přes čtvereční kilometr. Druhým problémem je, jakým mechanismem rozvinout a napnout krátce po vypuštění do té doby složenou plachtu.
Třetí problém je spojen s metodou, jak nejvhodněji a nejúčinněji s plachetnicí manévrovat tak, aby se pohybovala ve zvoleném směru. Nevypadá to nijak složitě, vždyť zrychlení i směr letu lze regulovat nakláněním plachty a díky fyzice letů na oběžné dráze je možné letět i směrem ke Slunci, stačí jen zpomalit. Avšak v praxi je třeba vzít v úvahu, že tlak slunečního záření působí stále a jeho hodnota se mění jak se vzdáleností od Slunce, tak se změnou úhlu dopadu paprsků světla na plachtu. Při letu od Slunce musíme plachtu natáčet pod takovým úhlem, aby síla byla maximální právě ve směru požadovaného letu a působila proti gravitační síle Slunce.
Ovšem s plachetnicí lze letět i ke Slunci. Například při přeletu od Země k Venuši bude třeba nejprve natáčet plachtu tak, aby síla tlaku záření částečně kompenzovala rychlost plachetnice, blízkou oběžné rychlosti Země vůči Slunci. Tím se sníží rychlost vůči Slunci a plachetnice se začne pohybovat směrem k Venuši.

Rychleší než s klasickým pohonem
Studie efektivnosti sluneční plachetnice jako dopravního prostředku mezi planetami prokazují, že je zapotřebí dosáhnout zrychlení většího než 1 mm/s2.  Při zrychlení nad 1 mm/s2 však efektivnost sluneční plachetnice rychle roste a při dosažení hodnoty zrychlení 5,9 mm/s2 by se plachetnice teoreticky pohybovala již po přímkové dráze.
I když je tedy síla pohánějící sluneční plachetnici velmi malá, může působit trvale a v delším časovém období a tak v konečném důsledku může urychlit sondu dokonce i lépe než klasický reaktivní pohon.
Trvalý tlak slunečního záření by mohl sondu urychlil na rychlosti asi pět krát vyšší než je možné pomocí konvenčních raket! Pokud by tedy taková sonda odstartovala v roce 2010, tak by nejvzdálenější kosmickou sondu Voyager 1, která míří do mezihvězdného prostoru, předhonila již za 8 let, tedy v roce 2018, tedy v době, kdy by Voyager putoval už 41 let.
První experimentální plachetnice Cosmos 1, jejíž start se loni nezdařil, měla dosáhnout zrychlení 0,5 mm/s². Při takto dosažené konečné rychlosti by dorazila k Plutu za pět let! Pro porovnání, mise New Horizons má s využitím chemického motoru a gravitace Jupiteru stejného cíle dosáhnout až za devět let.

Čím foukat do superlehkých plachet?
Sluneční plachetnice jsou vhodné především pro meziplanetární lety a pro vysoké dráhy nad Zemí, a to spíš s lehčím nákladem. Výborně by mohly posloužit jako tahače nákladu k Měsíci, určitě se hodí pro lety k sousedním planetám, Marsu a Venuši. Avšak jakmile se dostaneme za oběžnou dráhu Jupiteru, sluneční záření je už pro plachtění slabé.
Přesto se nemusíme vzdávat. Na plachty, nacházející se dál od Slunce budeme moci zaměřit vysoce výkonné lasery a pohánět tak plachetnici zářením, které se vzdáleností prakticky neslábne. Uvažuje se i o mikrovlnných zdrojích záření, maserech. S takovým pohonem, který navrhl před koncem 20. století fyzik Robert Forward bychom se mohli vydat nejen na okraje sluneční soustavy, ale i do mezihvězdného prostoru. Někteří odborníci předpokládají, že se takové bezpilotní expedice dočkáme již za několik desetiletí.
Materiály, které máme zatím k dispozici nejsou ještě pro sluneční plachty zcela ideální. Při dvou japonských raketových pokusech byla použita hliníková fólie o tlouštce 7,5 mikrometrů. Lepší je materiál známý jako Mylar o tlouštce 5 mikrometrů s hmotností 7 gramů na čtvereční metr nebo Kapton, pohliníkovaná umělohmotná fólie o tlouštce 2 až 3 mikrometry. V roce 2000 byl vyvinut nový typ fólie na bázi uhlíku, která je sice 200x silnější, avšak tak porézní, že je mimořádně lehká (3 gramy na metr čtvereční). A na obzoru jsou materiály snad ještě desektrát lehčí…

Kdy to bylo poprvé?
Tlaku slunečního záření bylo ve vesmíru poprvé využito již roku 1965, a to pro stabilizaci sondy Mariner 4. Ta měla na koncích panelů slunečních baterií natáčecí pohliníkované lopatky, odrážející sluneční světlo a moment, způsobený tlakem slunečního záření, sondu orientoval.
Podobně se na některých družicích (např. indických Insat) užívá plachta ke kompenzaci tlaku slunečního záření na asymetrický panel se slunečními fotočlánky.
V 70. letech se úvahy kolem realizace slunečních plachetnic pohybovaly na úrovni předběžných projektů. NASA uvažovala o jejím vyslání k Halleyově kometě, avšak roku 1977 tuto koncepci opustila.

Česká minimální sluneční plachetnice
Na samém počátku 80. let jsme se problematikou slunečních plachetnic začalia zabývat ve studentskéá skupiněa, kterou jsem vedl v současný ředitel Hvězdárny a planetáriau hl. m. Prahy Ing. Marcel Grün, externí spolupracovník 21. STOLETÍ. Roku 1982 na kongresu astronautické federace v Paříži jsme s úspěchem presentovali návrh tzv. ”minimální sluneční plachetnice” s několika původními technickými náměty. Např. plachty měly být napnuty na nosných tyčích z uhlíkového kompozitu, které by po rozložení ve vesmíru ultrafialovým zářením zpolymerovaly a tak konstrukci zpevnily. Podobný mechanismus nyní zkouší NASA pro ztužení plachty samotné. Naše plachty z pohliníkované mylarové fólie o hustotě 6 g/m2 a ploše 500 m2 vedly při celkové hmotnosti plachetnice k poměru 17 m2/kg. Celková síla, působící na plachetnici v okolí Země, byla 2,2 mN. Ovšem na realizaci tohoto projektu se v tehdejší době nenalezly prostředky ani možnosti.

Neúspěšný pokus
Již čtvrt století se slunečními plachetnicemi zabývají především amatérské skupiny. Nejdál pokročila The Planetary Society, která se již loni v létě pokusila plachetnici poprvé nechat vynést na oběžnou dráhu. Nekonstruovali ji však amatéři, nýbrž profesionálové z ruské firmy Lavočkin.
Škoda, že pro závadu ruské rakety k jejímu vyzkoušení nemohlo dojít. Avšak jakmile tato společnost shromáždí finanční prostředky, pokus hodlá zopakovat.
Rovněž kosmické agentury USA a Japonska hodlají do tří let vyslat své sluneční plachetnice do vesmíru…

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

Související články

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...
Záhady první planety

Záhady první planety

20. října 2018 v jednu hodinu a čtyřicet pět minut světového...

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.