Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 43 – vyšlo 26. listopadu, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

43/2010

IKAROS – Japonci už plachtí

Jiří Hofman

Když jsme naposledy psali o slunečním plachtění (AB 35/2005), vypadalo to, že se na tomto, velkými kosmickými agenturami opomíjeném poli kvůli opakovaným neúspěchům při vypouštění plachetnic, hned tak něco nepovede. Japonská kosmická agenturaJAXA – Japan Aerospace eXploration Agency, japonská kosmická agentura, která vznikla v roce 2003 sloučením tří institucí: ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), NAL (the National Aerospace Laboratory of Japan)a NASDA (National Space Development Agency of Japan). Ke svým letům agentura využívá kosmodrom USC (Uchinoura Space Center). V současnosti používá JAXA nosnou raketu H-IIA. JAXA využívá Tanegašimské kosmické středisko (na ostrově Tanegašima, 115 km jižně od ostrova Kjúšú). (anglicky Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) zatím víceméně v tichosti připravovala svůj plachetnicový program. Příprava vyvrcholila 21. května 2010, kdy z Tanegašimského kosmického střediskaTanegašimské kosmické středisko – kosmické středisko japonské kosmické agentury JAXA. Leží na ostrově Tanegašima, 115 km jižně od ostrova Kjúšú. vzlétla raketa H-IIA, která kromě sondy AkacukiAkacuki – japonská sonda pro výzkum Venuše známá také jako Venus Climate Orbiter nebo Planet-C. Odstartovala pomocí nosné rakety H-IIA dne 21. května 2010 z Tanegašimského kosmického střediska. (známé též jako Venus Climate Orbiter, VCO) vyslala na cestu k VenušiVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku. i experimentální plachetnici IKAROS (akronym pro Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun, volně přeloženo Meziplanetární drakolet urychlovaný slunečním zářením).

Vedoucí projektu IKAROS Osamu Mori s maketou sondy. Zdroj: Discover.

JAXA – Japan Aerospace eXploration Agency, japonská kosmická agentura, která vznikla v roce 2003 sloučením tří institucí: ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), NAL (the National Aerospace Laboratory of Japan)a NASDA (National Space Development Agency of Japan). Ke svým letům agentura využívá kosmodrom USC (Uchinoura Space Center). V současnosti používá JAXA nosnou raketu H-IIA. JAXA využívá Tanegašimské kosmické středisko (na ostrově Tanegašima, 115 km jižně od ostrova Kjúšú). 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. Akacuki – japonská sonda pro výzkum Venuše známá také jako Venus Climate Orbiter nebo Planet-C. Odstartovala pomocí nosné rakety H-IIA dne 21. května 2010 z Tanegašimského kosmického střediska.

V kosmické agentuře JAXAJAXA – Japan Aerospace eXploration Agency, japonská kosmická agentura, která vznikla v roce 2003 sloučením tří institucí: ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), NAL (the National Aerospace Laboratory of Japan)a NASDA (National Space Development Agency of Japan). Ke svým letům agentura využívá kosmodrom USC (Uchinoura Space Center). V současnosti používá JAXA nosnou raketu H-IIA. JAXA využívá Tanegašimské kosmické středisko (na ostrově Tanegašima, 115 km jižně od ostrova Kjúšú). si určili za laťku minimálního úspěchu rozvinutí plachty. Po uvolnění čtyř půlkilogramových závaží, která celou plachtu měla vytáhnout ven, následovalo roztočení celé sondy pomocí motoru až na 25 otáček za minutu. Jakmile závaží díky odstředivým silám dosáhla svých konečných poloh, sonda se vrátila zpět k původním otáčkám (pětkrát za minutu). Následně byla uvolněna samotná plachta, která se opět díky odstředivým silám plně rozvinula. Plachta byla úspěšně rozvinuta 9. června. Tou dobou už sonda byla sedm milionů kilometrů od ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru..

Za zcela úspěšnou začali odborníci v kosmické agentuře JAXA misi považovat, když se potvrdilo, že sonda může díky plachtě zrychlovat a přitom je možno ji i řídit. Zrychlení bylo po důkladném měření potvrzeno 9. července. Na sondu díky plachtě působilo sluneční záření silou 1,12 mN. O necelé dva týdny později pak bylo oznámeno, že dne 13. července bylo úspěšně otestováno i řízení plachetnice. „Drakolet“ IKAROS se tak stal prvním zařízením, které v meziplanetárním prostoru zdárně předvedlo sluneční plachtění.

Obecně platí, že plachetnici lze řídit pomocí natáčení plachty vůči SlunciSlunce – 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.. Sonda tak může zrychlovat i zpomalovat (základy plachtění jsou vysvětleny v AB 35/2005). Natáčení plachet ale obvykle vyžaduje nějaký pohon. Tak tomu je i na sondě IKAROS. Kromě toho ale IKAROS zkouší i úplně netradiční řešení natáčení své plachty. U obvodu je totiž plachta pokryta dvěma řadami panelů s tekutými krystaly, jejichž zapínám a vypínáním lze ovlivnit, jakým způsobem odrážejí světlo. Zapnutý panel odráží záření podobně jako zrcadlo, takže je jeho účinnost nejvyšší. Naopak vypnutý panel odráží světlo rozptýleně, což účinnost plachty v tomto místě snižuje. Postupným zapínáním a vypínáním těchto panelů lze dosáhnout natáčení plachty, i když celá sonda rotuje v ose kolmé na osu zamýšleného natáčení.

Schéma plachetnice: 1 - těžítko, 2. LCD, 3. plachta, 4. sluneční panel, 5. lanka,
6. vlastní sonda, 7. detektor prachu. Zdroj: Wikimedia, upraveno.

Princip natáčení plachty pomocí LCD v ose natáčení. Zdroj: JAXA.

Princip natáčení plachty pomocí LCD v ose otáčení sondy. Zdroj: JAXA.

Protože součástí plachty jsou také tenké sluneční články o tloušťce pouhých 25 µm, lze natáčet plachtu a řídit tak celou plachetnici pouze za pomoci slunečního záření. Není k tomu tedy potřeba žádný další zdroj energie.

Plachta samotná je vyrobena z 7,5 µm tenké polyimidovéPolyimidy – polymery z imidových monomerů. Jsou teplotně a chemicky vysoce stabilní s výbornými mechanickými vlastnostmi. Mají charakteristickou žlutou až oranžovou barvu. fólie. Úhlopříčka celé plachty měří asi 20 m. Kromě zmíněných panelů s tekutými krystalyTekuté krystaly – hmota na přechodu mezi kapalným a pevným skupenstvím. Ačkoli je tekutá, její molekuly jsou orientovány jako v krystalu, což se projevuje doménami různě otáčejícími a propouštějícími rovinu polarizovaného světla. Některé takové krystaly lze natáčet pomocí elektrického pole, čehož se využívá hlavně v zobrazovacích jednotkách, například displejích. a slunečními článkyFotovoltaický článek – polovodičová součástka schopná přeměňovat za pomoci tzv. fotovoltaického jevu světelnou energii na elektrickou. Z fotovoltaických článků se například konstruují panely slunečních baterií na kosmických družicích a sondách. jsou na ní umístěny také piezoelektrickéPiezoelektrický jev – vznik napětí při deformaci určitých druhů krystalů. Piezoelektrický jev se využívá ke konstrukci různých snímačů vibrací. V domácnosti ho známe z piezoelektrického zapalovače plynu, ve kterém deformace krystalu způsobí přeskočení elektrické jiskry. čítače prachových částic.

Na sondě samotné je umístěn detektor GAP (anglicky GAmma-ray burst Polarized light detector) polarizovaného světlaPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. gama zábleskůGRB – Gamma Ray Bursts, záblesky gama. Náhlá vzplanutí různé povahy v oboru gama. Dnes je jasné, že bude existovat více mechanizmů vzplanutí gama, která jsou pozorována jak v kosmologických vzdálenostech, tak přímo v naší Galaxii. K zábleskům gama dochází přibližně jednou denně a mají trvání od několika milisekund po několik stovek sekund. Může jít o vznik černé díry, splynutí dvou neutronových hvězd, procesy v aktivních jádrech galaxií nebo o další, dosud neznámé mechanizmy.. Případná polarizace světla gama záblesků ještě nikdy předtím nebyla pozorována. Detektor svůj první záblesk zaznamenal již 7. července. Bohužel ale přišel ze směru, ve kterém nebylo možno provést jeho analýzu. Počítá se s tím, že zjistit, zda světlo gama záblesku je polarizované, půjde jen v pětině případů.

Detektor polarizovaného světla gama záblesků má průměr 17 cm, na výšku
taktéž 17 cm a váží 3,7 kg. Vlevo zdroj napájení. Zdroj: JAXA.

Na sondu samotnou byly také umístěny dva válečky o průměru a výšce přibližně 6 cm, které byly v potřebných chvílích katapultovány pružinou mimo samotnou sondu. Obsahovaly miniaturní kamery (DCAM1 a DCAM2), které zdokumentovaly rozvinutí a funkce plachty. Nasnímané obrázky byly předávány bezdrátově zpět sondě, která je odesílala na Zemi. Válečky se k sondě nevrátily a staly se tak miniaturními oběžnicemi 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.. I v tomto případě jde o unikát. Nikdy předtím nebyla žádná sonda z vnějšku podobně snímkována.

Záběr z kamery DCAM2 při testu panelů s tekutými krystaly. Na snímku je vidět, jak je na každé čtvrtině plachty vždy polovina panelů vypnuta (světlejší) a polovina zapnuta (tmavší). Zdroj: JAXA.

Se slunečními plachetnicemiSluneční 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. má JAXA velké plány. Koncem druhého desetiletí chce za pomoci plachty o průměru až 50 m zkoumat JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. a TrojanyTrojané – obecný název pro tělesa nacházející se v Lagrangeových bodech L4 a L5 soustavy Slunce-planeta. V těchto bodech tělesa samostatně obíhají Slunce a vyrovnává se zde odstředivá síla vzniklá oběhem s přitažlivými silami planety a Slunce. Lagrangeovy body L4 a L5 se nacházejí na dráze planety kolem Slunce, a to 60° před planetou a 60° za planetou. Lagrangeův bod (L4 nebo L5), planeta a Slunce tvoří rovnostranný trojúhelník. Trojané jsou v rezonančním pohybu 1:1 s oběžným pohybem planety. Tělesa v libračním bodě L4 soustavy Jupiter – Slunce se někdy označují jako „Řekové“ a tělesa v bodě L5 jako „Trojané“.. Na této misi by ale chtěla plachetnici doplnit iontovým motoremIontový motor – reaktivní motor, ve kterém se urychlují ionty elektrickým polem na vysoké rychlosti. Iontový motor má malou spotřebu vylétávající látky, poskytuje malý tah po velmi dlouhou dobu. Hodí se tedy pro dlouhodobé lety. poháněným energií ze slunečních článkůFotovoltaický článek – polovodičová součástka schopná přeměňovat za pomoci tzv. fotovoltaického jevu světelnou energii na elektrickou. Z fotovoltaických článků se například konstruují panely slunečních baterií na kosmických družicích a sondách. umístěných na plachtě.

Klip týdne: Sluneční plachetnice IKAROS

Sluneční plachetnice Ikaros. Po několika neúspěšných pokusech v různých zemích se v polovině roku 2010 historicky poprvé podařilo otestovat sluneční plachetnici. Plachetnici IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) připravili ke startu odborníci z japonské kosmické agentury JAXA. Plachetnice startovala na palubě nosné rakety H-IIA dne 21. května 2010. Celý experiment má několik prvenství. Poprvé se podařilo úspěšně rozvinout plachtu o průměru cca 20 metrů, poprvé se podařilo tuto plachtu vyfotografovat za pomoci minikamer vystřelených z plachetnice v malých válečcích do prostoru vedle plachetnice a poprvé se úspěšně podařilo zvládnout manévrování s plachetnicí, například natáčení plachty za pomoci LCD odražečů, které odráží sluneční záření jinak, když jsou zapnuté a jinak, když jsou vypnuté. Cílem plachetnice nebylo jen otestovat nový typ pohonu, ale i vědecká práce. Uprostřed plachetnice je detektor polarizace gama záření, který se pokusí zjistit, zda alespoň některé z gama záblesků přicházejících z hlubin vesmíru jsou polarizované. Klip je oficiálním dokumentem japonské agentury JAXA o této unikátní sluneční plachetnici. Zdroj: YouTube/JAXA, 2010. (avi/divx, 80 MB)

Odkazy