Nanofotonické plachty mohou pohánět lodě relativistickou rychlostí  
Že není možné vyrobit plachty pro relativistické nanosondy, které by byly poháněny paprsky pozemních laserů? Několik metrů velké, nesmírně odolné a taky nesmírně tenké a lehké? Které budou odrážet blízce infračervené záření laserů a zároveň vyzařovat infračervené záření středních délek kvůli chlazení? Chyba lávky!
Nanofotonická plachetnice. Kredit: Ilic et al. (2018), Nano Letters.
Nanofotonická plachetnice. Kredit: Ilic et al. (2018), Nano Letters.

Lidé se asi jen tak nevydají do vesmíru rychlostmi, které by se blížily rychlosti světla. O kosmických lodí to ale už tak stoprocentně neplatí, alespoň pokud jde o nanosondy. Projekt Breakthrough Starshot bezostyšně počítá s tím, že s pomocí šikovných nanotechnologií a mocných laserů vyšle nanosondy k nejbližším hvězdám. A možná budou mít i posádky, pokud se podaří přemluvit želvušky s hlísticemi.

 

Ognjen Ilic. Kredit: Caltech.
Ognjen Ilic. Kredit: Caltech.

Jestli se tento ambiciózní projekt nebo nějaký jemu podobný uskuteční, tak v ne až tak daleké budoucnosti vyrazí ke hvězdám nanosondy rychlostí kolem 60 tisíc kilometrů za sekundu, čili asi jednou pětinou rychlosti světla. Pohánět je přitom nebude klasický reaktivní pohon ale tlak záření výkonných pozemních laserů do plachet nanosond. Takto poháněné sondy by mohly doletět k nejbližším hvězdám a planetám za dobu kratší, než je průměrný lidský život.

 

Vývoj laserových nanosond pochopitelně přináší řadu nemalých obtíží. Jedním ze zásadních problémů je konstrukce světelných plachet, které budou tyto nanolodě pohánět ke hvězdám. Mezihvězdný let na ně klade značné nároky, které jsou často dost protichůdné.

 

Kdy už nanolodě napnou plachty a vyrazí ke hvězdám? Kredit: Breakthrough Starshot.
Kdy už nanolodě napnou plachty a vyrazí ke hvězdám? Kredit: Breakthrough Starshot.

Například, plachta nanosondy by měla mít ideálně šířku několik metrů. Zároveň by měla být dostatečně mechanicky odolná, aby vydržela intenzivní tlak záření, ale také by měla mít tloušťku jen zhruba 100 nanometrů a vážit maximálně pár gramů. Plachta nanosondy by rovněž měla odrážet většinu záření laserového paprsku v oblasti blízce infračerveného záření, protože právě odraz záření vytváří potřebný tlak. Současně by měla vyzařovat středně infračervené záření kvůli chlazení.

 

První úspěšná solární plachetnice, japonská sonda IKAROS. Kredit: Andrzej Mirecki / Wikimedia Commons
První úspěšná solární plachetnice, japonská sonda IKAROS. Kredit: Andrzej Mirecki / Wikimedia Commons

Není to ale beznadějné. Ognjen Ilic z Caltechu v kalifornské Pasadeně a jeho spolupracovníci ve své nové studii zjistili, že nanofotonické heterostruktury mají dostatečný potenciál na to, aby se mohly stát reálně použitelným materiálem pro plachty relativistických nanosond.

 

Dosavadní návrhy designu takových plachet byly založeny na ultratenkém hliníku, rozmanitých polymerech i uhlíkových vláknech. Nanofotonické heterostrukury ale oproti nim nabízejí řadu výhod. Mohou totiž manipulovat světlem v menších měřítcích, než jsou vlnové délky záření. Díky tomu mohou požadovaným způsobem záření odrážet i vyzařovat. Příkladem může být materiál z vrstvy křemíku, který dobře odráží a špatně chladí, a vrstvy křemene, který málo odráží, ale zase obstojně chladí vyzařováním.

 

První vesmírnou plachtu, kterou pohánělo sluneční záření, otestovala japonská agentura JAXA v roce 2010. Solární plachetnice IKAROS dolétla za 6 měsíců k orbitě Venuše, přičemž změna její rychlosti za tuto dobu, způsobená tlakem slunečního záření, byla 100 metrů za sekundu. Konstruktéři teď pracují na plachtách, které by poháněly sondu rychlostí několik kilometrů za sekundu, čímž by konkurovaly sondám s reaktivním pohonem. Na druhou stranu, solární pohon je sice zadarmo, není ale příliš výkonný. Zato soustava výkonných laserů by mohla odpálit nanosondy až ke hvězdám.

Video:  What is Breakthrough Starshot?


Literatura
Phys.org 6. 9. 2018, Nano Letters online 31. 7. 2018.

Datum: 07.09.2018
Tisk článku

Alfa Centauri - Kratochvil Jiří
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 180 Kč
cena: 160 Kč
Alfa Centauri
Kratochvil Jiří
Související články:

Milner s Hawkingem chtějí doletět k Alfa Centauri za 20 let     Autor: Stanislav Mihulka (13.04.2016)
Pohánějí rychlé rádiové záblesky vesmírné plachetnice cizích civilizací?     Autor: Stanislav Mihulka (12.03.2017)
Už známe první kandidáty pro mezihvězdný let: Háďátka a želvušky     Autor: Stanislav Mihulka (08.11.2017)



Diskuze:

Fakt díky za odkaz.

Jiří Pospíšil,2018-09-08 17:30:04

V něm je to správně. Jde o přírustek rychlosti, získaný plachtou za půl roku. No ulevilo se mi. Náš autor by měl být pozornější.

Odpovědět

Jiří Pospíšil,2018-09-08 17:08:50

Rychlost 100 m/s je rychlost desetkát překonávající sprintery. Sonda řítící se vesmírem k Venuši rychostí 360 km/hod. mi přijde nějaká divná. Musel jsem se znovu podívat, jestli to nebylo o 100 m/s. Ale nebylo. Je tam jasně napsáno, že "Solární plachetnice IKAROS dolétla za 6 měsíců k orbitě Venuše, přičemž ji sluneční záření urychlovalo až na 100 metrů za sekundu." Fakt "až na".
V duchu mi to nedá, že by bylo se sluneční soustavou něco úplně jinak, než nás učili ve škole. Že by šlo provádět meziplanetární lety tak úspornou rychlostí a že by Venuše byla tak blízko? Když uvážíme, že dráha letu sondy je eliptická, tak to bude vysloveně kousek. Ta sonda by uletěla něco přes 1500000 km a to jí stačí k tomu, aby se šikmo příblížila Venuši. Tuhle vzdálenost jsem už skoro autem najezdil a to nejsem řidič povoláním.

Odpovědět


Re:

Pavel Hudecek,2018-09-09 13:27:34

Na zde zmíněné stránce:
https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/i/ikaros
mimo jiné píšou: "ΔV of 100 m/s was achieved within half a year." Delta V je změna rychlosti, tedy rychlost se za půl roku změnila o 100 m/s.

Dále v tom samozřejmě figuruje oběžná rychlost země (30 km/s) a oběžná rychlost sondy okolo ní. Takže máme sondu obíhající na (nejspíš hodně excentrické) orbitě okolo Země, kam ji vynesla nosná raketa. Sonda zrychluje, až Zemi uletí. Při správné orientaci té primární orbity proti oběžnému směru Země, dostane sonda proti zemi nižší solární oběžnou rychlost a tak se nachází na vrcholu elipsy, která má naopak nejnižší bod v místech, kde bude tou dobou Venuše. Cestou zas trochu upraví vektor rychlosti, aby ji mohla Venuše zachytit.

Odpovědět

Pro T.Bílka

Patrik Tušer,2018-09-08 07:26:39

Pane Bílku To jste si popletl. V textu článku není slovo zrychlení. Zrychlení jste zavedl až v diskusi Vy. Té rychlosti 100m/s sonda Ikaros dosáhla za půl roku. Pokud se Vám to zdá hodně, zde je pramen is dalším podrobnostmi: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/i/ikaros

Odpovědět


Re: Pro T.Bílka

Patrik Tušer,2018-09-08 07:46:04

Až teď jsem zjistil, že to panu Bílkovi již přede mnou vysvětlil pan Davidx Brazina, který ho upozornil, že zrychlení má jiné jednotky a ne metry za sekundu.

Odpovědět

Zrychlení

T. Bílek,2018-09-07 13:27:18

Zrychlení 100m/s pomocí slunečního větru u sondy Ikaros? Můžete dát nějaký odkaz, který to potvrzuje?

Odpovědět


Re: Zrychlení

Davidx Brazina,2018-09-07 14:30:25

Však to není zase tak moc. :)

Odpovědět


Re: Re: Zrychlení

T. Bílek,2018-09-07 14:51:45

Měl jsem Osla za seriózní zdroj informací. Buď je to tedy (velmi) špatně a v tom případě mi udivuje, že jsem jediný, kdo se na tím podivuje a nebo neumím počítat...

Odpovědět


Re: Re: Re: Zrychlení

Davidx Brazina,2018-09-07 14:59:44

100m/s hlavně je rychlost a ne zrychlení. Tam jsou jednotky přece jine. ke i kdyby to bylo zrychlení těch 100m/s^2 tak je to jen desetkrát více než na zemi. V čem je problém?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Zrychlení

T. Bílek,2018-09-07 17:11:37

Problém je v tom, že v textu se mluví o zrychlení - ještě je to umocněné slovem zrychlovaO.. Tj, pokud se měl text převést na vzorec, tak je to m/s2. Ano, uvedl jsem špatně jednotku ve svém příspěvku.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Zrychlení

Davidx Brazina,2018-09-07 17:39:46

A v čem byl tedy ten hlavní problém?

Odpovědět


Re: Re: Re: Zrychlení

Pavel Hudecek,2018-09-07 14:59:55

Jediný určitě nejste, jen jste první kdo o tom píše do diskuse. Vzhledem k tomu, že v jednotkách není čas na druhou, je otázka, co se těmi čísly vlastně myslí.

Odpovědět


Re: Re: Re: Zrychlení

Vojta Ondříček,2018-09-07 15:18:55

Nejste jediný, ale asi nemá smysl upozorňovat do nekonečna na nesmysly.

Ten údaj 100m/s se mi nepodařilo nikam k textu článku zařadit. Tlak slunečního větru je celkem slabý a vzhledem ke hmotnosti plachty a hmotnosti vehiklu samotného se zrychlení slunečním větrem odehrává v celkem nepatrných rozměrech.

Ve Wiki k tomu píší:
... testete Japan 2010 IKAROS erfolgreich: Während sechs Monaten betrug die durch Lichtdruck bewirkte Geschwindigkeitsänderung 100 m/s.

Podstatné: během šesti měsíců způsobil tlak světla sondě IKAROS změnu rychlosti o 100m/s

A šest měsíců (pozemské jednotky času) dává na 16 milionů sekund, takže tu máme zrychlení zhruba 6µm/s^2 (jesli jsem se nesplet).

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Zrychlení

T. Bílek,2018-09-07 17:12:45

Díky !

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Zrychlení

Davidx Brazina,2018-09-07 17:42:12

6 mikro? Au, tak je fakt že když to bude trvat hodně dlouho .

Odpovědět

komunikace

David Oplatek,2018-09-07 12:01:32

Jak by byla řešena komunikace, kdyby se povedlo sondu poslat až k cizí hvězdě? Máme problémy pořádně komunikovat s Voyagerem a tady se bavíme o několika světelných letech a miniaturních velikostech (= tedy rádiových výkonech).

Odpovědět


Re: komunikace

Davidx Brazina,2018-09-07 14:31:13

Těžce :)

Odpovědět


Re: komunikace

Pavel Hudecek,2018-09-07 14:57:51

Tady asi přichází v úvahu spolupráce většího počtu sond a směrové vysílání na principu aktivního anténního pole, jako to mají nejmodernější radary. Stovky sond rozprostřené na ploše o velikosti v řádu km až desítek km už mohou dosáhnout slušné směrovosti a tím dohnat nedostatek výkonu.

Jinak je to obecně dost náročná věc. Před několika lety jsem zkoušel počítat, na jakou vzdálenost se dají detekovat běžné signály ze Země a moc to nebylo. Druhá mocnina vzdálenosti je sviňa:-) Navíc jsem si všimnul, že období snadno detekovatelných signálů postupně končí. Dnes se vysílá menšími výkony a moderní přenosové protokoly stále více připomínají šum. Zajímavé je, že tyto signály lze dobře chytat i pod úrovní šumu, ale jen za předpokladu, že je přijímač určen přesně pro daný typ signálu a při detekci používá správný kód. Proto je dnes tak snadné mít velký počet vysílačů v jednom pásmu, viz třeba mobily, wifi a pod. GPS mají také společnou frekvenci, satelity na ní vysílají kontinuálně, ale přijímač je rozliší podle kódů. Ale právě proto trvá tak dlouho, než se chytí. Konvenčně udělaný přijímač nemá šanci stejně malou anténkou GPS zaznamenat.

Odpovědět


Re: Re: komunikace

Davidx Brazina,2018-09-07 17:43:51

Ale pořád neřeší vzdálenost. Jedině že by to zpracovávali proudové, pak by zpoždění hrálo roli ne moc velkou.

Odpovědět


Re: Re: Re: komunikace

David Oplatek,2018-09-09 07:08:34

Taky je treba uvazovat posun frekvence, coz podle me diskvalifikuje alespon castecne frekvencni a fazovou modulaci. Rychlost komunikace bude asi zavratne pomala, mnozstvi odeslanych dat tak omezene. Inzenyri by se nemuseli stydet mozna ani za Morseovku...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: komunikace

Pavel Hudecek,2018-09-09 12:48:24

Posun frekvence moc nevadí, jelikož je dobře definovatelný. Rozhodně nepochybuji o tom, že komunikace bude pomalá, aby to bylo hodně úzkopásmové, ale nepřekvapilo by mě použití nějaké moderní modulace, jako QAM, APSK, BPSK a pod.

FM se na toto skutečně nehodí, ale je to hlavně proto, že má široké pásmo a nedá se lovit z šumu. FM se prakticky nehodí/nepoužívá k ničemu jinému, než je analogový přenos zvuku, když je předpoklad, že signál bude dost silný. Pro ni platí tzv. pravidlo 3 dB, jehož hranice jsou +6 (signál dokonale čistý) a -6 (signál zcela zmizí).

Naopak u modulací odvozených z AM je přechod zcela plynulý, tedy signál není nikdy absolutně čistý, ani nikdy absolutně nezmizí. A lovit ze šumu lze také i modulace odvozené od fázové. Třeba GPS má BPSK.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: komunikace

David Oplatek,2018-09-09 15:09:25

Šum možná výsledný signál zdeformuje natolik, že nebudou stačit ani samoopravné mechanismy, ať už budou jakékoli. Ale je to jen můj ničím nepodložený názor. Docela by mě zajímalo, zda se někdo těmito problémy profesionálně věnoval.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: komunikace

Martin Grajcar,2018-09-09 20:35:39

Budou, to je matematicky dokazano. Prenaset se da pri libovolne velkem sumu, jen klesa rychlost. Teoreticky je to davno zpracovano a prenos od sond na okraji Slunecni soustavy je malou praktickou ukazkou.

Odpovědět


Re: Re: Re: komunikace

Pavel Hudecek,2018-09-09 13:35:24

Vzdálenost se řeší vysílacím výkonem, šířkou pásma a směrovostí. Že vysílaná data přijdou za dlouho je fakt, se kterým je nutno počítat, ale jinak z něj nic zajímavého neplyne. Netuším, co máte namysli tím "zpracovávali proudové".

Odpovědět


Re: komunikace

Milan Krnic,2018-09-07 15:19:22

Bude to dlooooouhatananánský jakoby řetěz sond přes celou galaxii, vzájemně spolu kvantově komunikujících v mandarínštině. Testy běží.

Odpovědět


Re: komunikace

Martin Pecka,2018-09-07 21:51:56

A co kvantove provazani?

Odpovědět


Re: Re: komunikace

Milan Krnic,2018-09-07 22:18:33

Vždyť píšu, testy již běží. Tak jaké "co", píše se "ko"

Odpovědět

IKAROS ?

Jiří Gutman,2018-09-07 09:41:58

Že dokáží normální plachetnice plout do jisté míry proti větru vím, ale jak to dělala sonda IKAROS, aby doplula proti slunečnímu větru od Země k Venuši?

Odpovědět


Re: IKAROS ?

Branislav Magula,2018-09-07 10:12:32

Sonda sa na svojej dráhe nepohybovala proti Slnku... https://earth.esa.int/web/eoportal/satellite-missions/i/ikaros

Odpovědět


Re: Re: IKAROS ?

Jiří Pospíšil,2018-09-08 04:01:39

Ve sluneční soustavě se nelétá přímo. Ta sonda může letět k Venuši tím, že protáhne svou elipsu a je řízena tak, aby byla v periheliu stejně daleko a ve stejný čas blízko místa, kdy tudy prolétá Venuše. V otáčivé soustavě nejde namířít na Venuši a doletět tam.

Odpovědět


Re: Re: IKAROS ?

Jiří Gutman,2018-09-08 11:56:38

Díky, to je výborný odkaz.

Odpovědět


Re: IKAROS ?

Vojta Ondříček,2018-09-07 15:30:58

No, to tvrzení, že plachetnice dokáže plachtit proti větru je velmi odvážné. Faktem je spíš, že se proti větru dá křižovat, to znamená, plout s bočním větrem po trajektorii s úhlem menším 90° v ose větru.

Ve Vesmíru se dostane sonda poháněná sluneční plachtou na nižší orbitu zmenšováním její orbitální rychlosti. Toho lze docílit vhodným směrovým nastavením plachty, čímž se ovšem zmenší aktivní průřez plochy plachty a tedy i její účinek. Ta trajektorie takhle poháněného vehiklu je dost komplikovaná, neboť se takováhle sonda musí prvně dostat z dosahu gravitace Země.

Odpovědět


Re: IKAROS ?

Jiří Pospíšil,2018-09-08 04:09:44

Dokážou, protože mají kýl a bok lodi, kterým se mohou opřít o vodu a kormidlo, které nastaví tak, aby se opřená o vodu kýlem a bokem loď udržela ve směru. Po určité době otočí a tak se pomalu blíží k cíli klikatou trajektorií. Proto se to také jmenuje křižování. Kdyby loď byla kulatá, neměla kýl a kormidlo, tak by křižovat nešlo.

Odpovědět

Stačí jen mít dostatek energie a trefit se. Bude tím vyřešen i problém propalování PRCFO.

Josef Hrncirik,2018-09-07 08:46:08

Odpovědět


Re:

Milan Krnic,2018-09-07 15:25:31

Mám v ně faith společně s beliefem a trustem. Inšallah. Vidím to jako jedinou naději nějakého pokroku v této oblasti. I na Kickstarteru bych jim přispěl.

Odpovědět


Re: Re:

Josef Hrncirik,2018-09-08 13:59:59

nebo si jen dělají legraci z gójim a čerpají

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace