Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 35 – vyšlo 29. srpna, ročník 3 (2005) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

35/2005

Sluneční plachtění

Jiří Hofman

V roce 1865 Jules Verne ve svém románu Ze Země na Měsíc při popisu projektilu, který měl být vystřelen až na Měsíc, napsal: „…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?“ Verne tak prokázal svůj obdivuhodný přehled nad nejnovějšími poznatky vědy. James Clerk Maxwell totiž nedlouho před tím objevil tlak elektromagnetického zářeníTlak elektromagnetického záření – tlak, který vyvolává dopadající elektromagnetické záření. 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. Tlak slunečního záření je roven jedné třetině hustoty energie tohoto záření.. Tento tlak je ve většině případů jen velmi slabý. Když máme ale zdroj, který výkonně září po dlouhou dobu, můžeme postavit zařízení, které tento tlak využije podobně jako námořní plachetnice využívají vítr. Takovým zdrojem je bezesporu naše SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium..

Slunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. Sluneční záření – elektromagnetické záření širokého spektra, od dlouhovlnného rádiového záření až po rentgenové, které vyzařuje Slunce. U Země tok energie slunečního záření činí přibližně 1,4 kW/m2. Tlak elektromagnetického záření – tlak, který vyvolává dopadající elektromagnetické záření. 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. Tlak slunečního záření je roven jedné třetině hustoty energie tohoto záření. Sluneční plachetnice – kosmická loď, která ke svému pohonu využívá tlaku elektromagnetického záření Slunce případně tlaku laserového svazku. Po řadě nezdarů bylo první takové plavidlo (plachetnice IKAROS) otestováno japonskou kosmickou agenturou JAXA v polovině roku 2010.

Historie slunečního plachtění

Ačkoli prvními úvahami o slunečním plachtění se zabýval už Konstantin Ciolkovskij, sluneční plachetnice se dostaly do podvědomí mnoha lidí až se známou povídkou A. C. Clarka z roku 1964 „The Lady Who Sailed The Soul“, která popisovala závod slunečních jachtařů od Země k Měsíci. V té době už ale existovaly první vědecké studie pohonu na sluneční záření a jak američtí, tak sovětští raketoví inženýři o této možnosti věděli. Nicméně priority výzkumů na obou stranách železné opony byly tehdy trošku jiné.

V době nejstudenější fáze studené války, kdy prezident Ronald Reagan častoval Sovětský Svaz nálepkou „Říše zla“, se v Moskvě sešli zástupci americké soukromé Planetární společnosti Carl Sagan a Louis Friedman s ruským plazmovým fyzikem a šéfem Ústavu kosmického výzkumu Roaldem Sagdějevem, aby si domluvili spolupráci mezi vědci obou táborů založenou spíše na osobních než státních vztazích. Tady jim Sagdějev představil pozdější klíčovou postavu slunečního plachtění, Vjačeslava Linkina. Friedman s Linkinem začali postupně úzce spolupracovat na několika projektech, včetně vozítka Marsochodu. Na přelomu tisíciletí se obě strany pustily do nového projektu, na který si „velká věda“ stále ještě nenašla čas – Sluneční plachetnice.

Základní princip vzdalování od Slunce a přibližování ke Slunci.
Oba pohyby se konají po spirále s vhodně natočenou plachtou.

První pokus

Tým pod vedením Planetární společnosti sestavil první vesmírné plavidlo Cosmos 1, které mělo za úkol pouze otestovat roztažení páru jemných plachet, které by udržely svůj tvar pomocí nafukovacího rámu. Plavidlo mělo odstartovat v dubnu 2001, ale bylo během předstartovních příprav poškozeno. Start se tedy musel odložit. 20. července v půl páté ráno moskevského času konečně z atomové ponorky Borisoglebsk plující pod hladinou Barentsova moře odstartovala balistická raketa R-29RL, (známá také pod označeními RSM-50 a SS-N-18 nebo kódem Volna) navržená Makejevovou raketovou konstrukční kanceláří, aby vynesla svůj náklad do výšky 400 km. Po splnění úkolu mělo plavidlo znovu vstoupit do atmosféry a s pomocí nafukovatelného tepelného štítu přistát na Kamčatce. Plachty měly při průletu atmosférou shořet.

Bohužel palubní počítač Volné selhal a nevydal příkaz pro oddělení plavidla od třetího stupně rakety. Jelikož plavidlo zůstalo uzavřené v raketě, test rozvinutí plachet nemohl být vykonán. Třetí stupeň spolu s plavidlem pokračoval v balistickém letu a dopadl na Kamčatku. Ačkoli tedy samotný start byl úspěšný, suborbitální test se nepovedl. To ale nezabránilo oběma stranám, aby se domluvily na tentokráte již plně orbitálním testu sluneční plachetnice.

Raketa Volna, která měla plachetnici dopravit do vesmíru.

Druhý pokus

Nezdařený první test se neopakoval, ale přešlo se rovnou k pokusu o let kompletní řiditelné lodi, která byla nazvána opět Cosmos 1. Celá loď vážila okolo pouhých 100 kg a jejích osm trojúhelníkových plachet po rozevření zabíralo plochu 600 m². Plachty byly vyrobené z pětimikronové pohliníkované fólie Mylar. Celý vějíř plachet pak měl v průměru zhruba 30 m.

Řízení plachetnice mělo být možné díky vhodnému natáčení plachet. V okamžiku, kdy se loď na své pouti okolo Země vzdalovala od Slunce, plachty se natočily tak, aby zabíraly v průmětu co největší plochu. Naopak, v okamžiku, kdy by plachty loď brzdily, byly natočeny tak, aby na ně dopadalo minumum slunečního záření. Řídící algoritmy byly naprogramovány do palubního počítače, kterému povely předávalo pozemní centrum mise.

Hlavním cílem projektu nebylo nic víc, než jen vyzkoušet manévrování a ovládání sluneční plachetnice v praxi. Celá mise měla trvat přibližně jeden měsíc. Během této doby se mělo nejprve ověřit rozvinutí plachet a řízení plachetnice. Dalším krokem byl pokus o vzdálení se od Země. Projekt měl i dva sekundární vědecké experimenty. V případě, že by šlo všechno podle plánu, měla být vyzkoušena možnost mikrovlnného plachtění, kdy plachty by byly ozářeny pozemským radarem. Dosažené zrychlení mělo být měřeno velmi jemným akcelerometrem. Druhým cílem mělo být měření toku iontů okolo lodi.

Plachetnice měla vysílat telemetrická data (údaje o poloze a rychlosti) a data z měření na dvou frekvencích: 401,5275 MHz (UHF pásmo) a 2250 MHz (S pásmo). Vysílání družice bylo připraveno zachytit pět stálých stanic – Tarusa a Medvědí jezero u Moskvy, Fairbanks na Aljašce, Berkeley v Kalifornii a česká Panská Ves – a pro počátek letu ještě dvě další – Majuro na Marshallových ostrovech a Patropavlovsk na Kamčatce. Kromě nich měly plachetnici opticky sledovat observatoře AMOS na Havaji a Clay Center v Massachusetts. První telemetrická data měla zachytit stanice v Panské Vsi. Aktualní poloha na oběžné dráze měla být poskytována serveru Heavens Above tak, aby si lidé na celé Zemi mohli počkat, až bude loď plachtit nad jejich hlavami.

Loď měla být opět vynesena raketou Volna z Barentsova moře. Tentokrát ale až na oběžnou dráhu 800 km nad Zemí. Dráha měla být téměř polární se sklonem asi 80°. Start se původně naplánoval na leden 2003, ale nakonec byl posunut až na 21. června 2005, čtvrthodinu před půlnocí moskevského času.

Raketa opustila zdárně ponorku, ale po necelých 83 sekundách práce motoru prvního stupně selhalo turbočerpadlo. Podle vyšetřovací komise (složené ze zástupců Makejevovy kanceláře, Lavočkinova sdružení a Ruské kosmické agentury) se nikdy první stupeň neoddělil od zbytku rakety a palubní počítač let po 160 sekundách ukončil. Komise ale vůbec nebrala v potaz telemetrická měření. Podle jejich závěrů plachetnice nikdy žádná data vyslat nemohla. Tým z Ústavu kosmického výzkumu a Planetární společnosti později analyzoval data přijatá v době po startu a zjistil, že ačkoli nadějné signály zachycené v Panské Vsi a Majuro nemohly pocházet z lodi, signály z Kamčatky ano. Planetární společnost si proto stěžuje na nedostatek komunikace a koordinace s Makejevovou kanceláří a Lavočkinovým sdružením.

Ani druhý neúspěch však Planetární společnost neodradil a již se plánuje třetí mise sluneční plachetnice. Nejsou ještě známy její detaily, ale my v Česku se můžeme těšit na to, že Panská Ves bude pravděpodobně spolupracovat i na tomto projektu.

Rozvinutá plachta.

Balení plachty.

Plachty sbalené na cestu.

Fyzika slunečního plachtění

Celý princip slunečního plachtění je založen na jednoduchém principu akce a reakce. Sluneční fotony dopadající na fólii se odrážejí a předávají tak plachetnici energii a  hybnost. Odrážející se fotony díky zákonu zachování hybnosti předají dvojnásobek svého původního momentu hybnosti. Největší výhodou plachetnice tak je, že nepotřebuje žádné palivo.

Je nutno zdůraznit, že sluneční plachetnici nepohání sluneční vítrSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.! Ten tvoří částice, kterých je na účinný pohon plachetnice příiš málo. I když část zrychlení lze připsat i slunečnímu větru, jeho podíl je více jak stonásobně menší než podíl slunečního světelného záření.

Protože počáteční dráha plachetnice okolo Země je přibližně kruhová, loď létá po spirále. Podle natočení jejích plachet může buď zrychlovat, nebo naopak i zpomalovat. Proto může být plachetnice použita i pro mise, které se mají vrátit zpátky na Zemi.

I když je zrychlení plachetnice velmi malé, trvá velmi dlouhou dobu a tak je možné dosáhnout velmi vysokých rychlostí. Plachetnice Cosmos 1 měla dosahovat zrychlení 0,000 5 m/s². Za jeden den by se tak její rychlost zvýšila o 160 km/h, za sto dní by dosáhla rychlosti 16 000 km/h a za tři roky 170 000 km/h. Při této 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. Tato rychlost je ale stále jen 0,16 ‰ rychlosti světlaRychlost světla – jedna z fundamentálních přírodních konstant popisující rychlost šíření elektromagnetické interakce. Vzhledem k tomu, že metr je dnes definován právě pomocí rychlosti světla, je její hodnota dána od roku 1983 přesně, a to c = 299 792 458 m/s..

Bohužel, jakmile se jednou s plachetnicí dostanete za oběžnou dráhu Jupiteru, sluneční záření je už pro plachtění slabé. Na plachty dále od Slunce můžeme ale zaměřit vysoce výkonné lasery a pohánět tak plachetnici zářením, které se vzdáleností prakticky neslábne. V budoucnosti by nám takovýto laserovýLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. pohon mohl umožnit cestu k jiným hvězdám. Někteří vědci si myslí, že toto bude možné už za několik desetiletí.

Umělecká vize kosmické plachetnice.

Klip týdne: Sluneční plachetnice

Na klipu je animace startu sluneční plachetnice Cosmos 1 z ponorky, detail rozvinutí plachet a plachtění sluneční plachetnice navržené Planetární společností (USA). Neúspěšný start byl realizován v Rusku pomocí rakety Volna startující z jaderné ponorky v červnu 2005. Celá loď vážila okolo pouhých 100 kg a jejích osm trojúhelníkových plachet by po rozevření zabíralo plochu 600 m². Plachty byly vyrobené z pětimikronové pohliníkované fólie Mylar. Celý vějíř plachet pak měl v průměru zhruba 30 m. (avi, 2 MB)

Odkazy