Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic?  
Idea sluneční plachetnice se objevuje již na počátku kosmického věku, avšak její konkrétní realizace je stále na úplném začátku. Podívejme se, jak daleko jsme od budoucnosti, ve které kapitáni pod plachtovím dobývají vesmírný prostor.

 

Paul Myron Anthony Linebarger, americký spisovatel píšící pod jménem Cordwainer Smith. Kredit: Kelly Whyte, Wikipedia
Paul Myron Anthony Linebarger, americký spisovatel píšící pod jménem Cordwainer Smith. Kredit: Kelly Whyte, Wikipedia
"Before the great ships whispered between the stars by means of planoforming, people had to fly from star to star with immense sails - huge films assembled in space on long, rigid, coldproof rigging. A small spaceboat provided room for a sailor to handle the sails, check the course and watch the passengers who were sealed, like knots in immense threads, in their little adiabatic pods which trailed behind the ship. The passengers knew nothing, except for going to sleep on Earth and waking up on a strange new world forty, fifty or two hundred years later.This was a primitive to way to do it. But it worked.On such a ship Helen America had followed Mr. Gray-no-more. On such ships the Scanners retained their ancient authority over space. Two hundred planets and more were settled in this fashion, including Old North Australia, destined to be the treasure house of them all."Cordwainer Smith "Think Blue, Count Two"

 

Zatím jediná fungující sluneční plachetnice byla japonská sonda Ikaros, která po startu ze Země doletěla až k Venuši a proletěla okolo ní (zdroj JAXA).
Zatím jediná fungující sluneční plachetnice byla japonská sonda Ikaros, která po startu ze Země doletěla až k Venuši a proletěla okolo ní (zdroj JAXA).

Vesmírná či sluneční plachetnice se vyskytuje například v knize Pierra Boulleho Planeta opic. Ještě dříve se objevila v povídce Cordwinera Smitha „The Lady Who Sailed The Soul“ z roku 1960 nebo v povídce známějšího autora Arthura C Clarka „The Wind from the Sun“ z roku 1963 o závodu slunečních plachetnic na zemské orbitě. U těchto lodí se využívá tlaku záření, které je vyzařováno Sluncem a dopadá na „plachtu“ vesmírného plavidla. V daném případě se dominantně jde o světelné záření, které vyvíjí v normální situaci zhruba o dva až tři řády větší tlak než sluneční vítr složený z nabitých částic. Plachta musí mít velmi velkou plochu, protože výsledný tlak záření je velmi malý. Výhodou je, že působí neustále. Problém nastane, pokud se chceme dostat do vzdálených oblastí Sluneční soustavy a ještě větší je, pokud zamíříme k jiným hvězdám. Za dráhou Jupitera je intenzita a tlak světla ze Slunce už pro plachtění slabý. Na způsoby, jak tuto situaci řešit se podrobněji podíváme za chvíli.

 

Kromě slunečního světla lze k vytvoření tlaku na plachtu využít velice intenzivní a extrémně úzce směrovaný laserový paprsek. Pokud dosáhneme co nejnižší divergence svazku, tlak záření se vzdáleností neslábne a navíc lze dosáhnout i mnohém vyšší plošné intenzity světla a tím i tlaku. Takový systém by tak mohl umožnit cestu ke hvězdám.

 

Základní vlastnosti slunečních plachetnic

Hybnost, kterou nesou jednotlivé fotony, je zanedbatelně malá. Při odrazu do úhlu 180˚ (zpětný rozptyl) se předá hybnost, která je dvojnásobkem hybnosti fotonu, pokud se foton pohltí, předaná hybnost se rovná pouze jedné hybnosti fotonu. I když dojde ke zmíněnému úplnému odrazu a přenese se na plachtu dvojnásobek hybnosti fotonu, je potřeba zachytit fotonů extrémní počet. Nejdůležitější části plachetnice je tak samotná plachta. Aby sluneční plachta i pří relativně nízké plošné hustotě fotonů a zmíněné extrémně malé hybnosti každého z nich, dosáhla znatelné tlakové síly, musí být velmi velká. Zároveň, aby co nejvíce fotonů předalo dvojnásobek své hybnosti, musí mít téměř dokonalou odrazivost. Pro dosažení co nejvyššího udělovaného zrychlení musí být plachta extrémně lehká. Typické hmotnosti na jednotku plochy by měly být mnohem menší, než je 0,005 kg/m2 (5 g/m2). To je hodnota pro reálné fólie z Mylaru o tloušťce 2 mikrometry, tedy příklad v současnosti dosažitelných hraničních hodnot.

V každém případě se v blízkostí Země, tedy ve vzdálenosti 1 AU od Slunce, získá maximálně pouze tlak 9,126 μN/m2 (tedy zhruba 9 N/km2). Připomínám, že astronomická jednotka je přibližně 150 milionů km. Hodnota tlaku klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce Rychle se tak snižuje při vzdalování od něj a stoupá při přibližování k němu. Závislost na úhlu, pod kterým světlo na plachtu dopadá, je dána kvadrátem kosinu tohoto úhlu. Důležitý parametr, který určuje možnosti plachetnice a velikost jejího zrychlení, je poměr její celkové hmotnosti k ploše plachty. Zrychlení dostaneme, jestliže tlak záření (ve vzdálenosti 1 AU je zmíněných 9,126 μN/m2) vydělíme tímto parametrem.

Solární plachta sondy Nanosail-D (zdroj NASA).
Solární plachta sondy Nanosail-D (zdroj NASA).

Odraz není dokonalý a část záření se i absorbuje, plachta i konstrukce se tak zahřívají. Chlazení se zajišťuje tepelným vyzařováním hlavně ze strany obrácené od zdroje světla. Plachta by měla mít nejen na této straně povrch takový, aby toto chlazení umožňovala a zaručila udržení konstantní snesitelné teploty plachty. To může být extrémně náročné hlavně při průletech velmi blízko Slunce, které jsou nutné pro dosažení co nejvyšší konečné rychlosti. Jeho povrchová teplota je okolo 5800 K. Jako nejbližší možná vzdálenost od středu Slunce, která se dá využít a do které se při průletu dostávají i některé komety, je uvažována 0,01 AU. To jsou dva poloměry Slunce. Poloměr Slunce je 700 000 km a taková je v tomto případě i vzdálenost sondy od jeho povrchu. Na plachtu v této situaci dopadá ze směru od Slunce na jednotkovou plochu výkon 107 W/m2 (10 MW/m2). Je tak nutné, aby měla co nejvyšší odrazivost a co nejméně z tohoto výkonu pohlcovala. Pokud by se plachta chovala jako absolutně černé těleso a veškerou energii ze Slunce pohlcovala a pak vyzařovala, byla by její teplota velmi vysoká 3100 K. Pro odrazivosti 90, 95 a 99 % budou teploty postupně 1750, 1500 a 1000 K. Odrazivost 99 % i vyšší je v současných možnostech a teplota se pak dostává pro specifické materiály na tolerovatelnou hodnotu.

 

Materiál plachty musí být velmi tenký a lehký, zároveň však musí být velmi odolný proti velkým změnám teplot, radiaci, dopadům prachových částic i mikrometeoritů a všem dalším drsným vlivům vesmírného prostoru.

Podívejme se na možné materiály. V současné době se nejčastěji uvažuje o Mylaru a Kaptonu. Mylar je obchodní název pro tenké fólie z polyethylentereftalátu (zkratka PET) s hustotou 1400 kg/m3. Kapton je polyimid vyvinutý v šedesátých letech firmou Dupond (chemicky 4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide), jehož hustota je také zhruba 1400 kg/m3. Mylar je daleko méně odolný proti radiaci. Oba materiály však musí mít pro zlepšení odolnosti a odrazivosti speciální povrchovou vrstvu a také pokovení. Plošná hustota je tak na danou tloušťku vyšší, než by vyšla při výpočtu s využitím jejich hustoty. Kapton, který se už pro přípravu plachet použil, měl tloušťku 5 mikrometrů a plošnou hustotu zhruba 26 g/m2. V současnosti se vyrábí Kapton i s tloušťkou 2 mikrometry a plošnou hustotou 10 g/m2. Současnými technologiemi je dosažitelná i tloušťka 0,9 mikrometrů. U Mylaru se vyrábí už zmiňované tloušťky 2 mikrometry, ale tloušťka 0,9 mikrometrů je také dosažitelná. Extrémně tenké folie, které jsou o řád až dva řády lehčí než uváděné, bude potřeba vyrábět ve vakuu. Budou totiž značně křehké. Zároveň budou muset po ztuhnutí vydržet napětí a tlaky, které budou při průletech v blízkosti Slunce extrémní. Testy velmi tenkých pokovených fólií vznikající napařováním ve vakuu už probíhaly. Pokud obsahují bór, lze vytvořit velmi tenké plachty, které mohou fungovat i při teplotách 1000 až 2000 K. Zatím se však získaly pouze malé kousky a k průmyslové výrobě ve velkém, která je podmínkou pro jejich využití u sluneční plachetnice, je ještě náročná cesta. V budoucnosti se uvažuje o grafenu a různých typech nanomateriálů vyrobených velice sofistikovanými metodami. Snížení tloušťky i plošné hustoty při zachování potřebné pevnosti a odolnosti o více než řád je obrovskou výzvou.

 

Sluneční plachetnice Nanosail-D v představách malíře (zdroj NASA).
Sluneční plachetnice Nanosail-D v představách malíře (zdroj NASA).

Je potřeba vytvořit velmi velkou a hladkou plochu, která bude co nejtenčí. Celá konstrukce, která umožňuje vypnutí plachty a drží její tvar, musí mít také co nejmenší hmotnost a musí být co nejjednodušší. Plachta musí být napnutá, což zajišťují vypínací síly způsobené upevněním na konstrukci ráhen na okraji jednotlivých segmentů plachty nebo lze využít odstředivé síly vznikající při vhodné rotaci. Tyto dva odlišné přístupy se dají kombinovat dohromady.

První přístup může být realizován čtvercovou plachtou složenou ze čtyř trojúhelníkových dílů, které jsou odděleny čtveřicí vysouvatelných ráhen. Tah plachty působí na ráhna v příčném směru značnou silou, a proto se do konstrukce přidávají další nosníky a lana. Hlavním problémem tohoto řešení je zabalení a rozvinutí plachty. Ráhna potřebují navíc větší prostor a mají svou hmotnost. Kromě obdélníkové plachty, lze realizovat trojúhelníkovou plachtu se třemi ráhny nebo mnohoúhelník s odpovídajícím počtem ráhen.

Druhou možností je využití rotace. V takovém případě lze použít plachtoví sestavené s několika dlouhých tenkých pásů (stuh), která se označuje jako heliogyro, nebo plného rotujícího disku. Pomocí rotace se pak plachta roztáhne a odstředivé síly, které rotace vytváří, ji pak udržují napnutou.

Podívejme se nyní, jak se s plachetnicí plachtí. Vzhledem k tomu, že tlaková síla je vytvářena dopadajícími a odraženými fotony, je její směr ve směru normály k plachtě. Vhodným natočením plachty tak lze orbitální rychlost plachetnice zvyšovat nebo snižovat. Je tak možné se se po spirále dostávat blíže ke Slunci nebo do vzdálených oblastí Sluneční soustavy a do meziplanetárního prostoru. Další zajímavou možností je stav, kdy síla vytvářená tlakem slunečního světla na plachtu vyrovná gravitační sílu (je tak stejná jako odstředivá síla). V tomto případě poletí plachetnice rovně s příslušnou velikostí tangenciální rychlosti v počáteční vzdálenosti od Slunce (perihéliu). Výhodou je, že síla působící na plachtu klesá stejně jako gravitační síla s kvadrátem vzdálenosti. Vyrovnání sil se tak zachovává a plachetnice opustí Sluneční soustavu rychlostí, která se rovná velikostí její původní tangenciální rychlosti.

Pro dosažení vhodné orientace existují dvě hlavní metody. U první se LCD prvky, které mohou měnit svou odrazivost. Jsou rozmístěny po obvodu plachty a podle potřeby odrazivost mění a tím se mění i tlak na příslušné části plachty. Druhou možností je systém klapek (v principu malých plachet) v rozích plachty.

Urychlení na velmi vysoké rychlosti je tak možné při blízkém průletu periheliem. Průlet ve vzdálenosti 0,2 AU od Slunce umožňuje dosáhnout tlaku na plachtu v periheliu 228 μN/m2 (25krát větší než u Země) a ve vzdálenosti dva poloměry Slunce od jeho středu, zmíněná 0,01 AU, by to dokonce bylo 91 260 μN/m2 (o čtyři řády větší než u Země). Odpovídající orbitální rychlost je v těchto vzdálenostech 67 km/s a 300 km/s (orbitální rychlost Země je 30 km/s) a odpovídající tangenciální rychlosti pro průlet periheliem takto vzdáleným od Slunce jsou ještě větší.

Je však otázka, zda by plachetnice dokázala tak blízký průlet přežít. Předpokládejme, že bychom měli plachetnici, která by měla čtvercovou plachtu o hraně 100 m a celou její hmotnost i s přístroji by se podařilo stáhnout na 100 kg. Její poměr hmotnosti a plochy je 0,02 kg/m2. Zrychlení, které by vznikalo u Země, by bylo 0,456 mm/s2, ve vzdálenosti 0,2 AU by to bylo 11,4 mm/s2 a v pekelné výhni ve vzdálenosti poloměru Slunce od jeho povrchu už pak 4,56 m/s2. Pokud však bude takové urychlování trvat měsíc, získáme u Země 1,18 km/s. Ve vzdálenosti 0,2 AU pak už 29,5 km/s, ale reálně tak intenzivní urychlování nebude trvat tak dlouho. Při průletu v těsné blízkosti Slunce pak bude nejintenzivnější urychlováni pouze v řádu hodiny. Pokud předpokládáme den, bude to 390 km/s. Ovšem to mohou být nadsazené hodnoty, protože odrazivost nebude stoprocentní a plachta nebude přesně kolmo vůči dopadajícímu záření. Při průletu periheliem velmi blízko Slunce bude navíc plachta v této vzdálenosti omezenou dobu. Na druhé straně je možné využít při průletu periheliem tangenciální rychlosti v něm. Vše pak závisí na konkrétní navržené dráze a parametrech plachty.

V úvahách, které jdou zatím za hranici současných možností, se uvažují extrémně tenké plachty z materiálů až o dva řády tenčí než zmíněný Mylar. Plachty se pak uvažují s rozměry v řádu jednotek až desítek kilometrů čtverečných. V tomto případě se dostáváme k poměru hmotnosti a rozměru plachty až o dva řády menší a úměrně se o dva řády zvyšují vypočtená zrychlení. Pro případ vzdálenosti perihelia 0,2 AU sice nedosahujeme ani příjemného jednonásobku gravitačního zrychlení na povrchu Země, ale pro uvažovaných 0,01 AU už jde o hodnoty zrychlení přesahující hodnotu pozemského gravitačního zrychlení o jeden až dva řády. A to už může být vražedné nejen pro člověka, ale i aparaturu. Je tak jasné a podrobnější výpočty s přesnou dráhou a časem průletu to potvrzují, že i v těch případech, kdy se budeme snažit o dosažení co nevyšších konečných rychlostí průletem v blízkosti Slunce, zůstáváme u maximálních hodnot rychlostí okolo jednoho procenta rychlosti světla.

Snímek sluneční plachty projektu Ikaros japonské sondy k Venuši (zdroj JAXA).
Snímek sluneční plachty projektu Ikaros japonské sondy k Venuši (zdroj JAXA).

V každém případě se dá průletem periheliem velmi blízko Slunce dramaticky zvýšit tangenciální rychlost a sondu urychlit. Při cestách ke vnitřním planetám Sluneční soustavy časové nároky na takový průlet způsobují, že nedojde ke zkrácení letu k nim, ale pro cesty do vnějších oblastí Sluneční soustavy se může doba letu i dramaticky zkrátit. V řadě prací se tak hledaly a počítaly nejvhodnější dráhy. I ty potvrzují to, co ukazují předchozí příklady. Pokud chceme dosáhnout vysokých rychlostí, je třeba uskutečnit průlet v blízkosti Slunce a i v ideálním případě se dosáhne rychlostí v oblasti jednotek procent rychlosti světla. Na konkrétní příklady se podíváme později.

 

Dosavadní historie slunečních plachetnic

Jak už bylo zmíněno, je koncept sluneční plachetnice relativně starý. Už dávno před rokem 1930 popsal tuto ideu Konstantin Ciolkovskij. Myšlenky se pak chytili nejen zmiňovaní spisovatelé sci-fi. V roce 1958 pak Richard L. Garwin publikoval rigorózní fyzikální popis základních principů plachetnice a plachtění ve svém článku „Solar Sailing – A practical Method of Propulsion Within Solar System“. Garwin byl obrovský nadšenec a optimista. A i díky jeho nadšení se koncem padesátých a začátkem šedesátých let objevila řada studií zkoumajících praktické problémy spojené s plachtění ve Sluneční soustavě. Ukázalo se, že v řadě parametrů mohou tyto systémy konkurovat klasickým pohonům a ve specifických případech je mohou i předčit. Tyto rané studie se zaměřovaly na principiální otázky spojené s využíváním plachetnice pro pohyb sond ve Sluneční soustavě a jejich ovládáním, daleko méně se dotkly praktických otázek jejich konstrukce.

S jistou nadsázkou lze jako první test plachty považovat pasivní telekomunikační satelit Echo-1, což byl balón o průměru 30 m z Mylaru potaženého hliníkem. Balón sice nebyl určen pro plachtění, ale kvůli jeho velkému objemu, nízké hmotnosti a vysoké odrazivosti na něj tlak slunečního světla působil a ovlivňoval jeho dráhu. Jak už bylo zmíněno, je také Mylar a jeho modifikace docela vhodný materiál pro konstrukci plachty.

Od počátku sedmdesátých let bylo možné pomocí raketoplánu vynášet pravidelně na oběžnou dráhu i poměrně velké náklady a začínají se studovat možnosti technické realizace konkrétních projektů. V té době zadala NASA výzkumníkům v Ohiu (Battelle Laboratories) vypracování nízkonákladové studie možnosti sluneční plachetnice. V návaznosti na tuto práci Jerome Wright objevil trajektorii, která by umožnila pomocí sluneční plachetnice setkání sondy s Halleyovou kometou v polovině osmdesátých let. Předpokládaná doba letu vycházela velice krátká, jenom čtyři roky, a start by bylo možné uskutečnit až v roce 1981. Na základě toho Bruce Murray inicioval v roce 1976 studie možnosti konstrukce plachetnice. Počáteční návrh předpokládal čtvercovou plachtu o hraně 800 m stabilizovanou ve třech osách. To se však ukázalo jako příliš náročné a přešlo se tak v květnu 1977 k návrhu na konfiguraci stabilizovanou rotací (heliogyro). V tomto případě se uvažovalo o dvanácti 7,5 km dlouhých pásů tenké folie, které by se daleko lépe roztahovaly odvíjením z cívky, než by to bylo možné u jednolité čtvercové plachty. Studie ukázala na možnosti realizace a také otypovala vhodné materiály pro samotnou plachtu. K realizaci i vzhledem k technické náročnosti a krátkému času, start k setkání s kometou nebylo pochopitelně možné odložit, nedošlo. Svoji roli hrálo i omezení financí pro americkou NASA, které vedlo k tomu, že Američané ke kometě žádnou sondu nakonec nevyslali. K Halleyově kometě tak letěly klasické sondy jiných států, evropská Giotto, dvě ruské Vegy a dvě japonské sondy Sakigake a Suisei.

Ani v osmdesátých a devadesátých letech se k žádnému konkrétnímu projektu vesmírné plachetnice, který by se k realizaci alespoň přiblížil, nepřikročilo. Pokrok však nastal díky realizaci pár projektů roztáhnutí velkých velmi tenkých zrcadel nebo antén. Zajímavým zařízením bylo zrcadlo Znamja, které bylo vypuštěno z ruské zásobovací lodi Progress v únoru 1993. Bylo určeno pro studium možnosti osvětlovat sibiřská města pomocí zrcadel z vesmíru. I zde je potřeba extrémně velká, tenká a vysoce odrazivá plocha. Test byl sledován ze stanice Mir. Poprvé se ověřila možnost roztahování zrcadla o průměru 20 m pomocí rotace. Další pokus se stejným zrcadlem se uskutečnil v roce 1999. Při něm se však rozvinutí nepodařilo, zrcadlo se zapletlo do antény a poškodilo.

Podobný experiment se uskutečnil v květnu 1996 během letu vesmírného raketoplánu STS-77. Roztahovací anténa pro příjem radiového signálu o průměru 14 m měla být tvořena tenkou fólií. Kvůli vzduchu zachycenému v zabalené fólii neproběhlo roztahování podle plánu a tvar odrazné plochy nebyl dostatečně přesný. Ačkoliv se nepodařilo realizovat všechny cíle projektu, ukázaly se výhody a možností roztažení velkých konstrukcí ve vesmíru

Sluneční plachta projektu Cosmos-1 (zdroj John Ballentine, Wiki)
Sluneční plachta projektu Cosmos-1 (zdroj John Ballentine, Wiki)

Na začátku tisíciletí nastal posun v zaměření jak NASA, tak i ESA. Obě organizace vyhlásily programy zaměřené na malé a flexibilní meziplanetární sondy. Ty měly být levné, ale s velkým vědeckým přínosem. Malá hmotnost sond, která byla umožněna pokrokem v miniaturizaci nejen elektroniky, znamenala možnost využití daleko menších slunečních plachet. Jestliže tedy sonda k Halleyově kometě předpokládala pro hmotnost sondy 850 kg plachtu s rozměry 800×800 m2, budoucí sondy s hmotností 10 kg nebo dokonce 1 kg už vyžadovaly plachty řádově menší. Tím se dramaticky snížila technologická i finanční náročnost reálných projektů sluneční plachetnice. To je i důvod, proč právě v tomto období konečně došlo k realizaci konkrétních projektů.

 

První pokus o reálnou sluneční plachetnici byl projekt Cosmos 1 americké neziskové společnosti Planetary Soviety. Ta studovala problémy okolo sluneční plachetnice už od osmdesátých let, ale nad projektem Cosmos 1 začala pracovat ve spolupráci s Ruskem na přelomu tisíciletí. Plachetnice měla být vynesena balistickou střelou typu Volny startující z ponorky. Na oběžné dráze měla být rozbalena plachta složená z osmi listů vyrobených z pohliníkované fólie Mylar o tloušťce 5 mikrometrů. Celková jejich plocha byla 600 m2. Celková hmotnost sondy byla 100 kg. Zrychlení dosahované pomocí plachty mělo být pouze 0,00005 m/s². V ideálním případě by se za jeden den její rychlost zvýšila o 16 km/h, za sto dní by dosáhla rychlosti 1 600 km/h a za tři roky už 17 000 km/h (4,7 km/s).


První pokus měl testovat pouze rozbalení dvou listů plachty. Při tomto startu bohužel selhal počítač a náklad se neoddělil od třetího stupně rakety Volna. Další start rakety Volna se uskutečnil 21. června 2005. Tentokrát nesl plnou verzi plachetnice. Raketa však selhala a plachetnice se na oběžnou dráhu nedostala.

Snímek plachetnice Ikaros získaný z kamery vymrštěné z ní (zdroj JAXA).
Snímek plachetnice Ikaros získaný z kamery vymrštěné z ní (zdroj JAXA).

První úspěšné vypuštění sluneční plachetnice tak proběhlo až 21. května 2010 pomocí japonské rakety H-2 společně se sondou Akatsuki letící k Venuši. Jednalo se projekt IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) realizovaný Japonskou vesmírnou agenturou. Sonda Akatsuki měla zaparkovat na oběžné dráze okolo Venuše. To se jí nepodařilo při prvním průletu 6. prosince 2010. Poté pět let obíhala okolo Slunce, až se ji s využitím motorů zajišťujících orientaci sondy podařilo konečně 7. prosince 2015 na dráhu okolo Venuše umístit. Sonda tak konečně začala svůj vědecký program průzkumu této planety.

 

Zařízení Ikaros se oddělilo 22. května 2010 po dosažení únikové dráhy směrem k Venuši. Kolem ní mělo v každém případě jen proletět. Jeho hlavním úkolem bylo právě testování fungování sluneční plachetnice. To bylo zahájeno 24. května 2010. Jako další vědecký program se realizovalo studium charakteristik meziplanetárního prostoru, jako jsou záblesky gama a jejich polarizace, sluneční vítr a kosmický prach. Kvůli tomu byly na plachtě umístěny i senzory prachových částic. Plachta byl omotána kolem těla sondy. Samotné napnutí proběhlo úspěšně v blízkosti Země dne 10. června 2010, a to ve dvou fázích. Nejprve se uvolnily rohy čtvercové plachty s rozměrem 14 m pro stranu, 20 m po diagonále a ploše 196 m2. K tomu se použila nová metoda využívající rotaci, která sondu stabilizovala, a odstředivou sílu, která při ní vzniká. Plachta vyrobena z polyimidu o tloušťce 7,5 mikronů se pomalu roztahovala při rotaci 25 obrátek za minutu, při které působila odstředivá síla na čtyři závaží s dostatečnou hmotností 0,5 kg, které ji tak natahovaly. Hmotnost samotného polyimidu byla pouze 10 g/m2, celá plachta vážila bez zmíněných čtyř zátěží, dodatečných slunečních panelů a spojovacích lan pouhé 2 kg. Úspěšné napnutí plachty bylo potvrzeno obrázky z kamery. Celková hmotnost sondy pak byla 315 kg.

 

Schéma plachty použité u sondy Ikaros. 1) Směr k závažím umožňujícím napnutí plachty 2) Zařízení s tekutými krystaly (LCD), 3) Membrána plachty 4) Solární panely 5) Lana 6) Hlavní těleso sondy 7) Přístroje. (Zdroj Wikipedie).
Schéma plachty použité u sondy Ikaros. 1) Směr k závažím umožňujícím napnutí plachty 2) Zařízení s tekutými krystaly (LCD), 3) Membrána plachty 4) Solární panely 5) Lana 6) Hlavní těleso sondy 7) Přístroje. (Zdroj Wikipedie).

Velmi tenké sluneční články v daném případě sloužily spíše k testům. V budoucnu by měly posloužit k napájení iontových motorů, které by se využily jako dodatečný zdroj pohonu. Plachta sloužila k pohonu i k určování a udržování orientace. Na okrajích plachty byly tekuté krystaly (LCD panely), které mohou měnit odrazivost svého povrchu vůči slunečním paprskům. Buď mohou mít vysokou odrazivost, která zvýší tlak na plachtu, nebo mohou odrazivost snížit. Pak dochází k pohlcení a difuznímu rozptylu slunečního světla a tlak na plachtu se snižuje. To umožňuje měnit v různých místech na okraji plachty tlak a tím měnit směr pohybu. Letová kontrola musí sledovat rotaci plachty, vzdálenost od Slunce a úhel, pod kterým sluneční paprsky dopadají, aby zajistila správný kurs sondy.

Plachta se otevřela mezi 3. až 10. červnem 2010. Dne 14. června vymrštil pružinový mechanismus malou kameru, která plachtu vyfotografovala. O pět dní později byla vymrštěna druhá kamera, i ona pořídila pěkné snímky plachty. Začátkem července se podařilo zaznamenat tlak na plachtu a 23. července se podařilo s její pomocí zajistit orientaci celého zařízení. Tah plachty měl být okolo 1,12 mN. Dařilo se pak měnit směr a orientaci pouze plachtou a zmíněnými sestavami z kapalných krystalů bez použití orientačních motorů. První intenzivní test efektivity ovládání plachty byl proveden ve dnech 13. a 14. července 2010. Ověřila se metoda umožňující dosáhnout a udržovat správnou orientaci plachty i sondy, která se dá využít k udržování orientace bez nutnosti požívat orientační motorky.

Kolem Venuše plachetnice proletěla 8. prosince 2010 a v prosinci byly splněny všechny zadané úkoly. Mise však pokračovala, aby se ještě lépe ověřilo fungování plachty. Plachtění trvalo do roku 2012, pak se však vlivem degradace některých systémů plachty zhoršovala kontrola orientace, což ztěžovalo i komunikaci se sondou. Projekt byl ukončen 28. března 2013 s tím, že se předpokládalo průběžné obnovování spojení pro další testy. Sonda pak střídavě upadala do hibernace, když při zhoršené kvalitě slunečních baterií a kvůli vzdálenosti od Slunce, která byla 130 milionů kilometrů a více, upadala střídavě do stavu hibernace a probouzela se z něj. Kontakt se sondou se obnovil mezi 20. červnem a 12. září 2013. Do té doby se podařilo zvýšit rychlost sondy pomocí plachty o 400 m/s. K dalšímu obnovení spojení došlo 22. května 2014. V té době byla sonda na dráze okolo Slunce s periodou okolo deset měsíců, přičemž sedm měsíců byla kvůli nedostatku energie v hibernaci. Počtvrté se zařízení z hibernace probudila 23. dubna 2015. Další probuzení už nebylo ohlášeno.

 

Sonda Akatsuki, která byla vypuštěna k Venuši společně se sluneční plachetnicí Ikaros (zdroj JAXA).
Sonda Akatsuki, která byla vypuštěna k Venuši společně se sluneční plachetnicí Ikaros (zdroj JAXA).

Japonská kosmická agentura JAXA předpokládá, že Ikaros je předstupeň plachetnice s úhlopříčkou 50 m, kterou by v letech 2019 až 2020 chtěla vyslat k asteroidům a případně až k Jupiteru.

Na možnostech využití sluneční plachty pracovala také organizace NASA. Ta vyvinula plachtu pro programu malých sond CubeSat . Ty mají standardní rozměr svých stran 10 cm a jsou vynášeny jako přívažek klasických velkých družic. Družice se sluneční plachtou Nanosail-D zaujímala na palubě rakety rozměr tří standardních rozměrů CubeSat. V první krychli byly kamery, senzory a řídící systém, v dalších dvou pak plachta. Po rozvinutí měla plachta rozměr přes 9 m2.

 

9Příprava sondy Nanosail-D před startem (NASA/ARC, M. McIntyre).
9Příprava sondy Nanosail-D před startem (NASA/ARC, M. McIntyre).

 

První pokus vynést tuto družici jako přívažek při třetím startu rakety Falcon 1 proběhl 3. srpna 2008. Raketa však selhala a náklad spadl do Pacifiku. Úspěšný byl až Nanosail-D2, který využil záložní exemplář plachetnice a na oběžnou dráhu ve výšce 650 km se dostal pomocí rakety Minotaur IV na orbitu 20. listopadu 2010. Přes počáteční problémy s oddělením Nanosail-D2 od hlavního nákladu, kterým byla družice FASTSAT, se zařízení nakonec uvolnilo. Původně to mělo být 6 prosince 2010, nakonec bylo potvrzení o skutečném uvolnění zachyceno 19. ledna 2011. Podařilo se také rozvinout plachtu. Kromě testu rozvinutí plachty se hlavně zkoumala možnost zrychlení sestupu sond z oběžné dráhy do atmosféry po skončení jejich činnosti pomocí využití taku záření i intenzivního odporu atmosféry na plachtu. Pokud by takovou lehkou plachtu měla každá družice na nízké dráze a po konci činnosti by je využila, dramaticky by se snížilo narůstání objemu kosmického smetí na oběžné dráze. Dne 17. září 2011 pak zařízení skončilo v zemské atmosféře, jeho pokles urychlil silný výtrysk hmoty ze Slunce.

 

Návrat sondy Nanosail-D do atmosféry vyfotografovaný v Leidenu v Holandsku (zdroj Marco Langbroek, NASA)
Návrat sondy Nanosail-D do atmosféry vyfotografovaný v Leidenu v Holandsku (zdroj Marco Langbroek, NASA)

Ještě je možné zmínit plánovaný projekt větší sluneční plachty, který chtěla NASA realizovat v roce 2015. Jeho název byl Sunjammer a mělo jít o plachtu z Kaptonu, která by měla vydržet extrémní změny teplot ve vesmírném prostoru. Šířka a výška plachty měly být okolo 38 m a celkovou plochou 1200 m2 mělo jít o zatím největší sluneční plachetnici. Tloušťka měla být pouze 5 mikrometrů, což by zajistilo velmi nízkou hmotnost pouhých 32 kg. Plachta by se dala uložit v prostoru o velikosti myčky na nádobí. Tah způsobený tlakem na plachtu, kterého by se v blízkosti Země dosáhlo, měl být okolo 0,01 N. Ovládání plachty by zajistily klapky na čtyřech rozích plachty, které by byly vlastně samostatnými slunečními plachtami. Nebylo by tak potřeba mít žádné motory a tedy žádné palivo. Sunjammer neměl být jen demonstrační sondou pro testování technologie sluneční plachty, ale měl mít i vědeckou náplň spojenou se sledováním slunečního počasí. Projekt však byl zrušen. Zdůvodněním byly nedostatečné záruky schopností dodavatele dokončit projekt včas.

V roce 2015 proběhl úspěšně projekt zmíněné společnosti Planetary Society. Ten byl podobný programu NASA. Její zařízení LightSail bylo modifikací projektu NanoSail. Zase šlo o zařízení využívající tří standardních rozměrů CubeSat. Po oddělení se z ní rozvinuly čtyři trojúhelníkové plachty z velmi tenkého Mylaru (tloušťka 4,5 mikronu). Celková plocha je tentokrát 32 m2 (5,6×5,6 m) a plachta by měla být jasně viditelná ze zemského povrchu pouhým okem. Celková hmotnost sondy je 4,5 kg.

Sonda LightSail 1 byla vypuštěna 20. květnu 2015 s pomocí rakety Atlas V vynášející miniraketoplán X-37 na velmi nízkou dráhu jen pro ověření technologie. Po dosažení oběžné dráhy a vypuštění družice se sice objevily problémy v softwaru, telekomunikaci a nakonec s baterií. Přesto se 8. června podařilo plachtu roztáhnout a technický let splnil svůj účel. Dne 14. června pak satelit vlivem brždění na zbytcích atmosféry na nízké oběžné dráze vstoupil do zemské atmosféry a zanikl.

Snímek LightSail 1 zachycený po svém rozvinutí na oběžné dráze 8. června 2015 (zdroj Planetary Society)
Snímek LightSail 1 zachycený po svém rozvinutí na oběžné dráze 8. června 2015 (zdroj Planetary Society)

Sonda LightSail 2 by měla být vypuštěna v roce 2016, ale nyní se předpokládá start až v březnu 2017. Družice by měla být dopravena na dostatečně vysokou dráhu zhruba 800 km nad zemským povrchem. Tam už by se mohly testovat změny pohybu docílené manévrováním s plachtou.

 

Pokud bude let LightSail 2 úspěšný, chce Planetary Society vyslat další dvě sondy s mnohem náročnějším programem. Úkolem LightSail 3 bude už vědecký program a také vylepšení možností ovládání plachty a efektivnějšího plachtění. LightSail 4 by pak putovala do Lagrangeova bodu L1. Tam bude sledovat sluneční bouře a zajistí včasnou výstrahu před těmito jevy, které ohrožují činnost nejen energetických sítí na Zemi.

Zajímavým testem, který se však bohužel nezdařil, byla zkouška elektrické plachty na sluneční vítr. V tomto případě by nebyla výplň plachty spojitá, ale složena z tenkých drátků délky 10 m a průměrem 20 až 50 mikrometrů, mezi kterými se generuje elektrostatické pole. Neodrážela by fotony, ale nabité částice slunečního větru. Návrh využití tohoto principu pochází od finského vědce Pekka Janhunena. Tlak nabitých iontů slunečního větru by se zjistil a kontroloval pomocí změn v rotaci sondy. Testy měly proběhnout na sondě ESTCube-1, což byl estonský studentský satelit vynesený jako dodatečný náklad raketou Vega 7. května 2013. Bohužel vypouštění a roztahování plachty se nepodařilo, pravděpodobně kvůli zaseknuté cívce.

 

Dva prototypy sluneční plachty, které připravily pro NASA firmy ATK (nalevo) a L´Garde (napravo). Rozměr plachet byl 20×20 m2 a v letech 2004 a 2005 proběhly jejich komplexní testy i ve velkých vakuových komorách. (Zdroj L. Johnson, R. Young, D Alhorn et al: Solar Sail Propulsion: Enabling New Capabilities for Heliophysics).
Dva prototypy sluneční plachty, které připravily pro NASA firmy ATK (nalevo) a L´Garde (napravo). Rozměr plachet byl 20×20 m2 a v letech 2004 a 2005 proběhly jejich komplexní testy i ve velkých vakuových komorách. (Zdroj L. Johnson, R. Young, D Alhorn et al: Solar Sail Propulsion: Enabling New Capabilities for Heliophysics).

 

Jak v budoucnu?

Je vidět, že kritický moment představuje úspěšné rozvinutí plachty a zatím nepříliš ověřené fungování celého systému. To je i důvod, proč doposud nejsou ve výhledu větší meziplanetární mise s využitím plachty. Na druhé straně první zkušenosti v rámci projektu Ikaros a podrobné studie ukazují, že plachetnice by mohly být velice efektivním prostředkem pro studium vnitřních planet i hranic Sluneční soustavy. Jeffrey Nosanov z Jet Propulsion Laboratory tak provedl studium pro projekt průzkumu struktury heliopauzy, tedy oblasti, kde tlak slunečního větru přestává překonávat tlak galaktického záření a Sluneční soustava přechází v mezihvězdný prostor. V tomto případě je třeba sondy dostat do vzdálenosti okolo 100 AU.

V jeho práci se modelovaly dvě varianty plachty. Jednou byla mise s plachtou o rozměrech 250×250 m2, která je dosažitelná soudobými technologiemi a druhou rozměr 500×500 m2. Větší plachta se však ukázala být technologicky velkou výzvou a zkrácení doby letu neodpovídalo zvýšeným technologickým nárokům. To byl důvod, proč se doporučila menší plachta s celkovou plochou 62 500 m2. Při návrhu plachty se vycházelo ze zkušeností s přípravou plachty pro popsaný projekt Sunjammer. Hmotnost samotné sondy se všemi přístroji a podpůrnými technologiemi vyšla na 175 kg, hmotnost plachty závisí na použitém materiálu, ale pro Kapton s tloušťkou 2 mikrony by měla být i s podpůrnými strukturami okolo 825 kg.

Do oblasti heliopauzy, kde tlak slunečního větru už nestačí na překonání tlaku galaktického záření a je okrajem heliosféry se dostaly i sondy Voyager (zdroj NASA)
Do oblasti heliopauzy, kde tlak slunečního větru už nestačí na překonání tlaku galaktického záření a je okrajem heliosféry se dostaly i sondy Voyager (zdroj NASA)

Jeffrey Nosanov zvolil průlet s periheliem 0,2 AU, který je technologicky zvládnutelný. Při hledání vhodných drah se muselo vzít v úvahu, že potřebujeme dostat sondy do různých míst heliopauzy. Tedy do oblastí v rovině ekliptiky, ale také do oblastí ve směru slunečních pólů. K tomu, aby se sonda do těchto oblastí dostala, se navrhuje využít průlet okolo Jupitera. Aby se sonda dostala do blízkosti Slunce a mohla využít průletu blízkým periheliem, musí zpomalit orbitální rychlost pohybu okolo Slunce. Jsou dvě možnosti, jak to provést. První je využití raketového motoru a v druhém je možné vystačit pouze s plachtou. První manévr zrychlí a zkrátí dobu letu, druhý ušetří náklady. Celkově tak Jeffrey Nosanov rozebírá čtyři dráhy. Dvě jsou pro let do oblastí v ekliptice s využitím motoru a bez něj. Další dvě pak s využitím průletu okolo Jupitera pro vyslání do oblastí mimo ekliptiku, zase s motorem a bez něj. Použití motoru zkrátilo dobu letu zhruba o sedm měsíců. Doba letu do vzdálenosti 100 AU tak byla zhruba mezi 11 až 12 roky a do vzdálenosti 250 AU pak mezi 25 až 26 roky. Tangenciální rychlost v periheliu 0,2 AU byla ve všech případech okolo 94 km/s.

 

Velmi malá hmotnost sondy a velmi malé i velmi velké vzdálenosti od Slunce, kde musí pracovat, kladou značné nároky na její konstrukci. Pro zásobování sondy elektřinou se využije radioizotopový zdroj s výkonem 20 W, jehož odpadní teplo bude také sondu vyhřívat. Pro spojení nelze využít velkou směrovou anténu pro komunikaci na velké vzdálenosti, ale předpokládá se optické spojení pomocí laserového signálu.

Vědecký program by byl zaměřen na studium magnetického pole, plazmatu, částic kosmického záření a kosmického prachu. K tomu by na palubě bylo několik přístrojů, které vycházejí z modelů využitých na předchozích sondách. Celý program by předpokládal vyslání tří až deseti sond, které by mohly zajistit třírozměrné mapování heliopauzy a nejbližšího mezihvězdného okolí Slunce. To by mělo obrovský přínos pro přípravu budoucích mezihvězdných letů. Důležité je, že takový projekt je uskutečnitelný na bázi současných technologií do roku 2030 a od startu do uskutečnění hlavních cílů by uplynulo okolo patnácti let, což je akceptovatelná doba srovnatelná s jinými vesmírnými projekty.

Sluneční plachetnice by nám mohli zpřístupnit transneptunické objekty. Největší z těch známých jsou na obrázku (zdroj NASA, Wikipedie).
Sluneční plachetnice by nám mohli zpřístupnit transneptunické objekty. Největší z těch známých jsou na obrázku (zdroj NASA, Wikipedie).

Pokud by se projekt uskutečnil, mohl by stejný typ sluneční plachetnice posloužit i pro další meziplanetární mise. S daným zařízením a při použití stejného průběhu letu se k Jupiteru (5 AU) dá dostat za zhruba dva roky, k Saturnu (~10 AU) zhruba za tři roky, k Uranu (20 AU) zhruba za pět let, Neptunu (30 AU) zhruba za šest let a k Plutu, které je teď za Neptunem ve vzdálenosti 32 AU za necelých sedm let. Velice zajímavá mise by byla k objektům za Neptunem, tedy do vzdáleností, kde jsou hlavně tělesa Kuiperova pásu.

 

V roce 2010 byl například objeven objekt 2010WG9, který by mohl pocházet z Oortova oblaku a nepřibližuje se ke Slunci na takovou vzdálenost, aby byl pozměněn. Podobnými objekty jsou Sedna, 2000CR105 a 2008KV42. Průzkum pomocí kombinace dvou sond, z nichž jedna by dopadla s velkou rychlostí na jeho povrch a druhá by při průletu následky tohoto dopadu monitorovala, by byl velice cenný.

Popsaná vesmírná plachetnice by se nemusela vydávat pouze do vzdálených oblastí Sluneční soustavy. Umožnila by dosáhnout oblastí vzdálených od ekliptiky ve vzdálenosti od Slunce menší než je vzdálenost Země. Zde by mohla různě manévrovat a systém takových sond by byl velmi užitečný nástroj sledování slunečního počasí a celé heliosféry. Jedná se o studie sond s názvem SPI (Solar Polar Imager), Heliostorm nebo PASO (Particle Acceleration Solar Orbiter). Sluneční plachta dokáže značně zrychlit a zefektivnit cesty ke vnitřním planetám, hlavně Merkuru. Sluneční plachty by mohly pomoci ušetřit palivo i pro další mise k blízkým planetám nebo jiným vesmírným tělesům. V těchto případech by se nejspíše použila kombinace různých pohonů.

S dalším vylepšením plachetnice by se staly dostupné i další úkoly. Jednou z možností je využití gravitačního čočkování Sluncem pro zesílení světla ze vzdálených objektů a případně signálů na frekvenci vodíku 1420 MHz, která by mohla být vhodným standardem pro mezihvězdnou komunikaci. Potřebný teleskop by musel být dopraven do vzdálenosti 550 AU a jeho hmotnost by byla okolo 1000 kg. To znamená, že hmotnost celé sondy s teleskopem by byla skoro o řád větší, než analyzovaný případ sondy k heliopauze. Dala by se však použít plachetnice z devíti segmenty, které by byly popsanou plachtou 250×250 m2. Celková plocha plachtoví by tak byla devítinásobná. Cesta do pracovního místa by v tomto případě trvala přes padesát let. To už je na hranici únosnosti.

 

I v Hubblově teleskopu vidíme Sednu, jako skupinu ozářených pixelů. Pomůže nám ji sluneční plachetnice prozkoumat? (Zdroj NASA).
I v Hubblově teleskopu vidíme Sednu, jako skupinu ozářených pixelů. Pomůže nám ji sluneční plachetnice prozkoumat? (Zdroj NASA).

Ještě delší by byla cesta do Oortova oblaku, který by se měl rozkládat mezi 2 000 až 200 000 AU, přičemž největší hustota těles je ve vzdálenost 50 000 AU od Slunce. V tomto případě už by bylo nutné využít větší plachty s nižší plošnou hustotou a také mnohem bližší průlety okolo Slunce. To znamená materiály, které v současné době nejsou k dispozici. Takový je projekt s názvem Icarus-1, který popisují Eugene Mallove a Gregory Matloff ve své klasické učebnici pro budoucí mezihvězdné cestovatele „The Starflight Handbook“. U něj by pro náklad v řádu pár desítek kilogramů bylo potřeba mít plachtu z takového materiálu, aby se pro poloměr jeden kilometr docílil poměr mezi hmotností a plochou 2∙10-5 kg/m2(0,02 g/m2). Což znamená nutnost vyvinout 500krát lehčí materiál. Tím se docílí hmotnost celé plachty s poloměrem jednoho kilometru pouhých 63 kg. Pokud by byla ze stejného materiálů, jako plachta pro předchozí sondy, bylo by to 31 500 kg. Zároveň by sonda měla využít perihelium 0,01 AU a maximální dosažené zrychlení by tak bylo 440 g (tedy 440krát větší než gravitační zrychlení na povrchu Země, které je 9,81 m/s2). Konečná dosažená rychlost by mohla být až 3600 km/s, což je 1,2 % rychlosti světla. Taková sonda by se na okraj Oortova oblaku dostal do pěti let a do jeho středu zhruba za 60 let. Cesta k nejbližší hvězdě by ji trvala 350 let. Je tak vidět, že ani tato varianta není z hlediska doby letu k nejbližším hvězdám únosná. A to se předpokládají technologie, jejichž vývoj bude hlavně s ohledem na požadovanou plošnou hustotu plachty, odolnost celého zařízení vůči radiaci, tepelnému stresu a vysokému zrychlení ještě hodně náročný.

Existuje však možnost, jak tuto situaci vyřešit. Kvůli tomu, že tlak slunečních paprsků klesá s kvadrátem vzdálenosti od Slunce, je už ve vzdálenosti Jupitera zanedbatelný. Pokud tedy dokážeme vytvořit silně kolimovaný svazek fotonů s co nejmenší divergencí zaměřený na plachtu, můžeme docílit tlaku, který nebude klesat s kvadrátem vzdálenosti a obecně bude klesat velmi pomalu. Jak konkrétně, závisí na zmíněné divergenci.

 

Alfa a beta Centauri, krožkem je označeno místo s Proximou Centauri. To by mohly být první cíle mezihvězdného letu (Skatebiker, Wikipedia).
Alfa a beta Centauri, krožkem je označeno místo s Proximou Centauri. To by mohly být první cíle mezihvězdného letu (Skatebiker, Wikipedia).

 

Lasery ozařovaná plachta.

Další možnost, jak využít plachetnici, je tak využití svazku z velice výkonného laseru pro její pohon. Plachta potřebná pro tyto účely je velmi podobná a zároveň může být značně odlišná od té, která se využívá u sluneční plachetnice. Předpokládá se, že v tomto případě půjde o velmi koncentrovaný svazek. Plocha plachetnice tak nebude muset být tak velká, ale na jednotku plochy bude dopadat daleko větší výkon záření. Při nejbližších průletech sluneční plachetnice (0,01 AU) se předpokládal výkon dopadající na jednotku plochy okolo 10 MW/m2. Pro relativistické plachetnice poháněné laserem se uvažuje až o hodnotách jednotek až desítek GW/m2. V tomto případě se kritickým stává odrazivost povrchu. Pokud by nedosahovala hodnot 99,999 % a více, tak plachta překročí zvladatelné teploty. V současnosti se daří produkovat multivrstevné dielektrikum na pokovené plastické fólie. Současné fólie mají tloušťku 10 mikrometrů a dá se dosáhnout až 1 mikrometrů. Jejich maximální dosahovaná odrazivost je až 99,995 %. Je však třeba doplnit, že dielektrická vrstva je vyladěna pro jednu vlnovou délku laserového světla, tedy ne pro sluneční světlo. Stejná dielektrická vrstva na povrchu pokovených zrcadel umožňuje dosáhnout odrazivost až 99,999 %. To znamená, že absorpce je pouze 10 ppm (ppm je díl na jede milion). Ještě nižší absorpci 0,5 ppm mají zrcadla detektoru LIGO. V tomto případě však má zrcadlo tloušťku několik centimetrů. Podrobněji o detektoru LIGO zde.

První možností je využít lasery, které by ozařovaly plachtu sluneční plachetnice, která by se po průletu periheliem vzdálila od Slunce na vzdálenost takovou, že tlak slunečního záření už je malý. Světlo laserů pak bude dále zvyšovat už dosaženou rychlost. Tam je ovšem třeba vážit, jestli se vyplatí taková kombinace nebo bude vhodnější zůstat čistě u urychlování pomocí laserů. Kombinace se nabízí spíše pro větší sondy, které je třeba urychlovat dlouhodoběji a jde spíše menší hodnoty zrychlení.

Pokud chceme dosáhnout relativistické rychlosti i pro jen velmi malou sondu, potřebujeme celkový výkon, který musí být v oblasti gigawattů. Nemusí jej produkovat jeden extrémně výkonný laser, ale koordinovaná soustava velkého až velmi velkého počtu relativně malých laserů s výkonem v oblasti jednotek až desítek kilowattů. Sladění takového systému však představuje obrovskou výzvu. Napájení těchto laserů může zajistit dostatečně rozlehlé pole fotovoltaických panelů. Pravděpodobně výhodnější bude systém ve vesmíru, například na Měsíci, protože v případě pozemských laserů je třeba počítat s vlivem zemské atmosféry na laserový svazek. Vzdálenost, do které je skvrna vytvořená laserem menší než plachta, závisí na divergenci svazku a optických vlastnostech a velikosti systému laserů. Při správné kombinaci parametrů by to mohlo být až do vzdálenosti desítek astronomických jednotek.

Velice podrobný rozbor zaměřený na urychlení extrémně malých sond na relativistické rychlosti (hodnoty v desítkách procent rychlosti světla) a jejich vyslání k nejbližším hvězdám publikoval Philip Lubin z University Santa Barbara. Ten také s kolegy vypracoval řadu studií budoucího systému laserů pod označením DE-STAR (Directed Energy Systém for Targeting of Asteroids and ExploRation). Příslušné lasery a jejich soustavy jsou atraktivní pro vojenské účely a studuje je i DARPA. Laserová pole by se měla postupně v několika fázích vybudovat na základě modulární filosofie založené na existujících laserech a optice. Měla by umožnit pomocí plachty velikosti v řádu jednotek metru urychlit ultramalou sondu na relativistické rychlosti. První stupeň DE-STAR-1 bude laserová plocha čtvercového rozměru s hranou 10 m, DE-STAR-2 pak 100 m a dále. Konečný úplný systém DE-STAR-4 s výkonem mezi 50 – 70 GW by dokázal urychlit sondu o hmotnosti v řádu gramů s plachtou o rozměru metru na rychlost 26 % rychlosti světla během deseti minut. Sonda by za 30 minut dosáhla Marsu, předběhla Voyager I během tří dnů, vzdálenosti 1000 AU by dosáhla za 12 dní a ke hvězdě Alfa Centauri by doletěla za 15 let. Ovšem sonda musí přežít zrychlení 20 000 g. Stejné zařízení by sondu o hmotnosti 100 kg urychlilo na rychlost rovnou 2 % rychlosti světla a loď o hmotnosti 10 000 kg na více než 1000 km/s.

Výhodou programu je, že lze s testy začít u velmi malých výkonů systému v řádu jednotek kilowatt a urychlování od mikrogramových těles k těm větším na rychlosti, které jsou od 10 km/s u lehkých těles po 100 m/s u větších. Systém se pak může rozšiřovat až k popsaným možnostem urychlování na relativistické rychlosti. Hlavní je, že praktické testy je možné zahájit už nyní. Cesta k mikrosondám, které by putovaly ke hvězdám, jsou obrovskou výzvou pro miniaturizaci. Je třeba řešit napájení elektřinou, komunikaci či možnosti změny směru. Napájení by mělo být řešeno malým radioizotopovým generátorem s výkonem v řádu zlomku wattu. Vzhledem k současnému nedostatku plutonia 238 i předpokládané potřebě delší doby životnosti zařízení se předpokládá využití americia 241, i když to znamená větší hmotnost. Podrobněji o současném stavu v oblasti radioizotopových zdrojů zde a zde.

 

Na snímku Hubblova teleskopu je Proxima Centauri, která je kromě Slunce k nám nejbližší hvězda (zdroj NASA).
Na snímku Hubblova teleskopu je Proxima Centauri, která je kromě Slunce k nám nejbližší hvězda (zdroj NASA).

Projekt Breakthrough Starshot (Průlomový výstřel ke hvězdám), který by měl realizovat mikrosondy na tomto principu, představili nedávno ruský miliardář Jurij Milner a fyzik Stephen Hawking. V dozorčí radě projektu je i zakladatel facebooku Mark Zuckerberg. Věří, že se jim všechny problémy s extrémní miniaturizací a vyřešením synchronizované práce obrovských polí laserů podaří v dohledné době postupně vyřešit. Přehled těch hlavních lze nalézt zde. Popisovaný projekt počítá s umístěním laserů na zemském povrchu a jednou s klíčových výzev je korekce na vliv atmosféry. Je sice možné, že jsou naděje zmíněných osobností liché, ale znalosti získané při této cestě se využijí i při uplatnění jiných metod vesmírné dopravy i v řadě dalších oblastí. Pokud se však alespoň částečně splní, byla by to perfektní zkratka, která by nám umožnila pomocí sice velice malých a jednoduchých sond, ale vypouštěných ve značném množství stovek i tisíců, prozkoumat vzdálené oblasti Sluneční soustavy i mezihvězdný prostor a snad i nejbližší hvězdy. Možnost doby letu alespoň miniaturní sondy k nejbližší hvězdě okolo patnácti až dvaceti let je opravdu velmi lákavá.

 

Závěr

I když je idea sluneční plachetnice zvažována už od počátku dějin kosmonautiky, s její realizací jsme pořád na úplném počátku. Problémy zůstávají s rozevíráním plachty a prozatímní testy mají jen omezenou úspěšnost. Zatím jediným reálným letem sluneční plachetnice byl japonský Ikaros, který proletěl kolem Venuše. Současnými technologiemi je dostupné vyslání sluneční plachetnice z hmotností několika stovek kilogramů, která by využila blízkého průletu kolem Slunce a dostala se k nejvzdálenějším planetám, do Kuiperova pásu a prozkoumala heliopauzu.

Velice atraktivní by mohlo být v tomto případě kombinování sluneční plachetnice s iontovým motorem, kterému by energii dodával radioizotopový zdroj. To by umožnilo sondě manévrování ve vzdálených oblastech Sluneční soustavy a například návštěvu u více těles Kuiperova pásu. Kombinace s jinými druhy pohonu je nutná i v případě, že potřebujeme zpomalit, například v případě přistání na nějakém tělese. Obecně může být kombinace různých druhů pohonu velmi výhodná, je však vždy potřeba vážit, zda je nárůst složitosti sondy vyvážen výhodami jejich kombinace.

Za hranicí možností je zatím vyslání byť i velice malé sondy s hmotností v řádu gramů za hranice Sluneční soustavy a k nejbližším hvězdám Zajímavá je v tomto případě myšlenka urychlování pomocí relativně malé plachty a ozařování velmi výkonnou soustavou velkého počtu laserů. Tento projekt sice potřebuje několik technologickým průlomů, ale je možné u něj postupovat i po malých krocích. Je zde vysoká šance, že se tak poměrně levně a jednoduše získají informace o našem nejbližším mezihvězdném prostředí. Ty jsou klíčové pro libovolné plánování budoucích větších mezihvězdných misí.

Bez kombinace různých pohonů se neobejde větší mezihvězdná mise. Ještě větší důležitost to má v případě, že budeme předpokládat zbrzdění sondy u cílové hvězdy. Zde se dá také částečně využít sluneční plachta i gravitační pole cílové soustavy, ale bez dalších motorů se to neobejde. Sluneční plachta však může významně přispět k úsporám paliva.

Než se sluneční plachtění stane běžným nástrojem zkoumání vesmírného prostoru, je třeba vyřešit obrovské množství technických problémů, kterých jsme se jen zběžně dotkly nebo je zde ani nezmínily. Přesto si však myslím, že vesmírné plachetnice mají obrovský potenciál. Vše záleží hlavně na tom, jestli se lidstvo pro vesmírné výboje rozhodne. I to rozhodne, jestli se do seznamu možných povolání dostane i kapitán sluneční plachetnice.

 

 

Doporučená literatura:

Eugene Mallove, Gregory Matloff: The Starflight Handbook, A Pioneer´s Guide to Interstellar Travel, John Wiley & Sons, Inc, USA, 1989

Jeffrey Nosanov: Solar Systém Escape Architecture for Revolutionary Science, Phase 1 Final Report, JPL, 2013 California Institute of Technology

Philip Lubin: A Roadmap to Interstellar Flight, submitted to JBIS April 2015

Colin R. McInnes: Solar sailing: mission applications and engineering challenges.

Philosophical Transactions A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 361 (2003). pp. 2989-3008. ISSN 1364-503X

Colin R. McInnes: Solar Sailing: Technology, Dynamics and Mission Applications, Springer-Verlag, 2004, ISBN 978-1-85233-1023

Jerome L. Wright: Space Sailing, Gordon and Breach Science Publishers, 1992, ISBN 2-88124-803-9

Datum: 11.07.2016
Tisk článku

Plachetnice - Puzzle 1000 dílků - neuveden
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 266 Kč
Plachetnice - Puzzle 1000 dílků
neuveden
Související články:

Je možná kosmická budoucnost lidstva?     Autor: Vladimír Wagner (10.10.2007)
Zmrtvýchvstání sluneční plachetnice     Autor: Dagmar Gregorová (27.01.2011)
Největší sluneční plachetnici bude mít NASA     Autor: Tomáš Kohout (09.04.2013)
Principy pohonu pro nejmenší     Autor: Milan Štrup (18.12.2013)
Milner s Hawkingem chtějí doletět k Alfa Centauri za 20 let     Autor: Stanislav Mihulka (13.04.2016)



Diskuze:

Radim Polášek,2016-07-14 09:10:45

Mě by zajímalo, jak se u laserového pohonu plachty plánuje neutralizovat "odpadní" laserový paprsek , který bude plachta poháněná laserem sekundárně emitovat?

Předpokládám totiž, že kvůli co nejvyšší účinnosti bude časem technologicky dosažitelné vytvářet stoprocentně rovinnou plachtu a potom pokud bude mít prakticky stoprocentní odrazivost, bude to vlastně zrcadlo, které bude laserový paprsek odrážet někde dál. V podstatě podle okamžitého nastavení plachty může ten odražený laserový paprsek zasáhnout cokoliv, co je v přímé viditelnosti plachetnice.
Případně pokud se podaří plachtu udělat - poskládat z malých odrazových plošek s různou orientací a se stoprocentní odrazivostí, aby bylo dosaženo potřebné odrazivosti, jak maximálně velký může být jeden segment odrazivé plošky, aby plachta jako celek odražený laserový paprsek rozptylovala na energeticky bezpečné odrazy a paprsek odražený jedním rovinným segmentem se neodrazil jako laserový paprsek s ještě nebezpečnou intenzitou?
Pak ještě teoretický dotaz:
Pro pohon plachetnice přesně směrem od laseru by se mohlo v případě rovinného zrcadla se stoprocentní odrazivostí zrcadla teoreticky dosáhnout toho, že by se odražený laserový paprsek vracel zpátky v plné původní intenzitě a energii do tělesa laseru, čímž by se teoreticky, mimo ztrát na drobných částečkách hmoty nacházejících se v dráze laserového paprsku, dosáhlo urychlení plachetnice - navýšení její pohybové energie bez jakéhokoliv výdeje energie laseru.
Pak by takové zařízení fungovalo jako svého druhu určité perpeetum mobile, ne?

Nebo i v tomto případě se dá i teoreticky zdůvodnit,že pohybová energie nabytá plachetnicí se dorazí na úbytku energie něčeho jiného? Napadá mě, že pokud se plachetnice bude pohybovat směrem pryč od laseru, bude mít odražený laserový paprsek vracející se do laseru vzhledem k laseru větší vlnovou délku = nižší kmitočet = nižší energii(celkově ve velice malé míře) než laserový paprsek, který laser ke plachtě vysílá. Je v tom ona ztráta energie, o kterou se urychlí plachetnice?

Odpovědět


Re:

Pavel Brož,2016-07-15 00:17:49

Tady je nutné si uvědomit, že ten laserový paprsek nebude extra intenzivní. Jak bylo zmíněno ve článku, limity plynoucí z termodynamiky a z koeficientu odrazivosti umožňují absorbovat maximálně světelný tok na úrovni světelného záření ve vzdálenosti cca jednoho průměru od Slunce. Ten je tam sice o čtyři řády větší, než zde na Zemi, nicméně není to až tak velká hustota výkonu na jednotku plochy - řádově 10 miliónů wattů na metr čtvereční. Např. dnešní průmyslové lasery na řezání oceli mají hustotu výkonu o tři až čtyři řády větší, o nejvíce výkonných laserech, jako ja např. v NIF, už ani nemluvě. Jinými slovy, světlo odražené od plachetnice nebude až tak výrazně nebezpečné. Intenzivní bude asi tak, jako když zkoncetrujete čočkou denní světlo z plochy jednoho metru čtverečního do jednoho centimetru čtverečního - na poškození zraku to sice bohatě stačí, ale na poškození techniky už stěží.

Jinak ten pohon opakovanými odrazy není perpetuum mobile, opravdu by se při každém dalším odrazu ta plachta více a více urychlila. Reálně ale samozřejmě narazíte opět na tu divergenci svazku, který se při těch opakovaných odrazech bude stále více rozptylovat. Pokud se podaří tu divergenci srazit natolik, že plachtu zasáhne dejme tomu 90 procent průřezu svazku, tak při teoretickém odrazu zpět k nějakému zrcadlu plus dalšímu odrazu zpět k plachtě už zachytíte pouze 72,9 procent průřezu svazku, při dalším odrazu už jen 59 procent, atd.. Pokud ale hned napoprvé využijete jen dejme tomu polovinu průřezu svazku, tak z prvně vráceného odrazu využijete jenom 12,5 procenta průřezu, z dalšího už jen cca 3 procenta průřezu svazku, atd.. Protože navíc hustota výkonu laseru bude muset být hluboce pod již dnes dosažitelnými hodnotami, tak stejného efektu dosáhnete mnohem snadněji příslušným posílení výkonu laseru než komplikovaným opakovaným odrážením laserového svazku mezi plachetnicí a nějakým zrcadlem. Proto tato varianta není přínosná.

Dopplerovské snižování frekvencí se sice při opakovaných odrazech projeví - ono se ve skutečnosti projeví i v důsledku postupného zvyšování rychlosti plachetnice i bez využití opakovaných odrazů - nicméně bude zanedbatelné, jelikož bude řádu delta_v/c, kde delta_v je změna rychlosti plachetnice a c rychlost světla. V rámci sluneční soustavy se počítá s rychlostmi od desítek do maximálně několika desítek tisíc km/s (to v případě těch extrémně vzdálených oblastí sluneční soustavy, jako je Oortův oblak), tedy změna frekvence bude činit řádově maximálně procento.

Odpovědět

Laserem ke hvězdám? Stěží

Andrzej Kowalski,2016-07-13 09:36:05

U projektu těch mikrominiaturních gramových sond urychlovaných lasery vidím těžko řešitelné problémy. Divergence svazku je pro všechny reálné lasery obrovská a intenzita bude vždy klesat se čtvercem vzdálenosti, ať už bude jakákoli. Další věc je nevyřešená stabilizace sondy během urychlovací fáze - stačí mírná asymetrie a ta věc se ďábelsky roztočí. Celé se mi to jeví spíše jako fantasmagorie.

Odpovědět


Re: Laserem ke hvězdám? Stěží

Vladimír Wagner,2016-07-13 16:11:05

Souhlasím s Vámi, že udržení dostatečně malé hodnoty divergence, stability a homogenity svazku i stability sondy bude extrémně náročné a zatím není představa, zda lze potřebných parametrů reálně dosáhnout. Jen jsem moc nepochopil, jak jste přišel na to, že bude vždy intenzita na plošnou jednotku klesat se čtvercem vzdálenosti? To snad platí u izotropního vyzařování, třeba u Slunce. Ale u kolimovaných svazků je ten pokles daleko pomalejší a tím pomalejší, čím má svazek menší divergenci. U plachty platí, že dokud je průřez svazku pro danou vzdálenost menší než plocha plachty, tak bude celková intenzita dopadajícího světla stejná. V okamžiku, kdy začne být průřez svazku větší, část intenzity svazku plachtu mine a pro pohon se nevyužije. To, kdy se to stane a jak rychle bude klesat poměr intenzity využívané pro urychlování se vzdáleností, závisí na divergenci svazku (a pochopitelně na průřezu svazku při vyzáření a velikosti plachty.

Odpovědět


Re: Re: Laserem ke hvězdám? Stěží

Andrzej Kowalski,2016-07-14 10:37:40

V kuželovém svazku také klesá intenzita se čtvercem vzdálenosti. Dvakrát dál má světelná skvrna laseru dvakrát větší plochu. Výjimkou jsou blízké vzdálenosti a fokusace optikou, ale to se tady nedá použít.

Odpovědět


Re: Re: Re: Laserem ke hvězdám? Stěží

Andrzej Kowalski,2016-07-14 10:41:06

...čtyřikrát větší plochu :)

Odpovědět


čtvercem vzdálenosti od formálně ekvivalentního bodového zdroje

Josef Hrncirik,2016-07-14 11:29:05

Zpočátku tedy klesá pomaleji.
Dokonalá kolimace po celé dráze neexistuje. Svazky vždy nakonec končí jako více-méně divergentní s Gaussovským rozdělením od osy svazku.
Málo divergentní může být pouze široký svazek.
U něj nutné rozpadávání svazku na okraji je relativně méně zhoubné.
Požadované nízké divergence Lubin + spol. chce získávat dokonale koherentním zdrojem efektivního průměru 1 km.
V atmosféře tuto koherenci nelze získat ani udržet.

Odpovědět


Re: Re: Re: Laserem ke hvězdám? Stěží

Pavel Brož,2016-07-14 23:22:01

Ta fokusace se dá dělat i refraktory s využitím adaptivní optiky. Už dnes je ve stavbě např. E-ELT s průměrem zrcadla 39 m, který má být dokončen v roce 2024. Pro dosažení potřebné divergence odpovídající rozšíření paprsku dejme tomu o 100 metrů na vzdálenost miliardy kilometrů by bylo zapotřebí adaptivního zrcadla o průměru aspoň 1 km, a samozřejmě by bylo záhodno jej postavit na Měsíci kvůli absenci atmosféry. To je dnes bezesporu čistá sci-fi, nicméně nejpozději ke konci tohoto století už by to nemusel být až takový problém.

Další potenciální oblastí, kde by se do budoucna mohlo podařit prolomit limity dané zákony standardní optiky je využití neklasických stavů světla. V polovině devadesátých let se jejich výzkum slibně rozvíjel, ukazovalo se mj., že je možné díky nim principiálně obejít klasické meze např. co se týče difrakce atd., nicméně pak ten výzkum uvázl, a po počátečních nadšených objevech už dnes tento výzkum vykazuje výrazně menší dynamiku. Možná je ale jenom zapotřebí dosáhnout nějakého kritického mezníku, po němž se konečně otevřou všechny ty fantastické možnosti, které neklasické stavy světla slibovaly. Pokud se to opravdu stane, pak třeba vůbec nebude nutné stavět lasery s kilometrovou aperturou, aby bylo docíleno dostatečně nízké divergence. Máme tendenci extrapolovat budoucí technický vývoj na základě dnes známých omezení. Jenže v technice kromě evoluce hrají čas od času roli i revoluce - výpočetní technika je toho ukázkovým příkladem.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Laserem ke hvězdám? Stěží

Josef Hrncirik,2016-07-15 07:22:35

Adaptivní optika reaguje na něco a tvoří zpětnou vazbu. V atmosféře je časově krátká.
Zde nejspíš musím čekat hlavně až na vrácení odrazu od cíle kvůli zaměření.
Připusťme že svazek jsem úspěšně adaptoval. Trefím se sice spolehlivě širokým svazkem, který však energeticky neukrmím, ev. dá jen malé zrychlení.
Divergence 100 m/10**12 m při 1 km svazku vyžaduje vlnu 0,1 um; Loeb používá 1 um má svazek 1 km. Letní slevu 10% v řádech nedávám rád.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Laserem ke hvězdám? Stěží

Pavel Brož,2016-07-15 13:58:19

Ano, s tou hodnotou divergence máte pravdu, mělo to být opravdu o řád větší, tzn. rozšíření svazku o 1 km místo o 100 m na vzdálenost miliardy kilometrů. To je ten můj zlozvyk dělat z hlavy během psaní odpovědi řádové odhady, bezmyškenkovitě jsem tam pro viditelné světlo dosadil řádově 10^-7m místo bližší hodnoty 10^-6m, a neštěstí bylo na světě :-) Děkuji každopádně za upozornění, je dobře, když se najdou čtenáři, kteří si dají práci s tou kontrolou a upozorní na nesmysl.
Co se týče té zpětné vazby, ta by nemusela být až od té plachetnice, divergence vysílaného svazku by se dala kontrolovat pomocí nějakých sond občas prolétajících tím svazkem, a ty sondy by nemusely být tak daleko. Samozřejmě by to rozdělilo ten problém na dva, jedním by bylo získat kolimovaný svazek, a ten druhý problém by byl se tím kolimovaným svazkem trefit do té vzdálené plachty. Adaptivní optika by řešila jenom ten první problém. Samozřejmě, pokud by se nepodařilo současně vyřešit i problém druhý, výsledkem by pravda bylo pouze vesmírné laserové ukazovátko ovládané třesoucí se rukou. Nicméně aspoň to, není každý den posvícení :-)

Odpovědět


1*

Josef Hrncirik,2016-07-15 15:36:13

Odpovědět


Je to střelba z kolotoče na holuba ve světelném vichru bez zpětné vazby s malým zpožděním

Josef Hrncirik,2016-07-14 09:05:41

Odpovědět


holub je zmítán turbulencí ve světelné vichřici (zásahy proudu vody z hadice)

Josef Hrncirik,2016-07-14 11:32:52

Odpovědět

Blu .,2016-07-12 09:31:46

ďakujem, perfektne pripravené.

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