Všichni jsme obeznámeni s myšlenkou slunečních plachet pro průzkum Sluneční soustavy pomocí světelného tlaku ze Slunce. Ale je tu další pohonný systém, který by mohl využít sílu Slunce, elektrické plachty, a to je docela vzrušující nápad.
Před několika týdny jsem se zabýval otázkou, kterou měl někdo o mých oblíbených exotických pohonných systémech, a vychrlil jsem několik nápadů, které mi připadají vzrušující: solární plachty, jaderné rakety, iontové motory atd. Ale je tu další pohonný systém, který se neustále objevuje. a úplně jsem to zapomněl zmínit, ale je to jeden z nejlepších nápadů, které jsem za chvíli slyšel: elektrické plachty.
Umělecký koncept demonstrační mise solární plachty, která bude k navigaci využívat lasery. Kredit: NASA.
Jak pravděpodobně víte, funguje solární plachta využitím fotonů světla proudících ze Slunce. Přestože jsou fotony nehmotné, mají hybnost a mohou ji přenést, když se odrazí od odrazivého povrchu.
Slunce kromě světla odfukuje také stálý proud nabitých částic – sluneční vítr. Tým inženýrů z Finska, vedený Dr. Pekkou Janhunenem, navrhl postavit elektrickou plachtu, která bude tyto částice používat k vynesení vesmírných lodí do Sluneční soustavy.
Abych pochopil, jak to funguje, musím vám do mozku vložit několik konceptů.
Za prvé, Slunce. Ta smrtící koule záření na obloze. Jak pravděpodobně víte, existuje stálý proud nabitých částic, hlavně elektronů a protonů, odrážejících se od Slunce všemi směry.
Vizualizace slunečního větru narážejícího na magnetickou „obranu“ Země známou jako magnetosféra. Mraky plazmy směřující na jih jsou schopny odloupnout vrstvy bubliny obrácené ke Slunci a naskládat je do vrstev na noční straně planety (uprostřed, vpravo). Vrstvy lze sevřít dostatečně pevně, aby se znovu spojily a dodaly sluneční elektrony (žluté jiskry) přímo do horní atmosféry, aby se vytvořila polární záře. Kredit: JPL
Astronomové si nejsou úplně jisti jak, ale nějaký mechanismus ve sluneční koroně, její horní atmosféře, tyto částice urychluje na únikovou rychlost. Jejich rychlost se pohybuje od 250 do 750 km/s.
Sluneční vítr se šíří pryč od Slunce a ven do vesmíru. Vidíme jeho účinky na komety, dává jim jejich charakteristické ohony a tvoří bublinu kolem sluneční soustavy známou jako heliosféra. Zde se setkává sluneční vítr ze Slunce se společnými slunečními větry z ostatních hvězd v Mléčné dráze.
Ve skutečnosti kosmická loď NASA Voyager nedávno prošel tímto regionem , konečně se vydali do mezihvězdného prostoru.
Sluneční vítr způsobuje přímý tlak, jako skutečný vítr, ale je neuvěřitelně slabý, zlomek lehkého tlaku, jaký zažívá sluneční plachta.
Koncept tohoto umělce ukazuje kosmickou loď Voyager 1 vstupující do prostoru mezi hvězdami. Mezihvězdnému prostoru dominuje plazma, ionizovaný plyn (zde znázorněný jako nahnědlý opar), který před miliony let vyvrhly obří hvězdy. Kredit: NASA.
Ale sluneční vítr obsahuje proud kladně nabitých protonů a elektronů, a to je klíč.
Elektrická plachta funguje tak, že navíjí neuvěřitelně tenký drát o tloušťce pouhých 25 mikronů, ale o délce 20 kilometrů. Kosmická loď je vybavena solárními panely a elektronovým dělem, které potřebuje k provozu jen několik set wattů.
Vystřelováním elektronů do vesmíru si kosmická loď udržuje vysoce kladně nabitý stav. Vzhledem k tomu, že protony ze Slunce jsou také kladně nabité, při setkání s kladně nabitým lanem jej „uvidí“ jako obrovskou překážku o průměru 100 metrů a narazí do ní.
Tím, že ionty předají svou hybnost lanu a kosmické lodi, urychlí ji pryč od Slunce.
Míra zrychlení je velmi slabá, ale je to konstantní tlak ze Slunce a může se sčítat po dlouhou dobu. Pokud by například vesmírná loď o hmotnosti 1000 kg měla 100 těchto drátů rozprostírajících se ve všech směrech, mohla by získat zrychlení 1 mm za sekundu za sekundu.
V první sekundě urazí 1 mm a poté 2 mm v další sekundě atd. V průběhu roku by tato sonda mohla jet rychlostí 30 km/s. Jen pro srovnání, nejrychlejší vesmírná loď tamní, Voyager 1 NASA, jede pouze asi 17 km/s. Takže mnohem rychleji, rozhodně při únikové rychlosti ze Sluneční soustavy.
Jednou z nevýhod této metody ve skutečnosti je, že nebude fungovat v zemské magnetosféře. Vesmírná loď poháněná elektrickou plachtou by tedy musela být vynesena tradiční raketou pryč ze Země, než by mohla rozvinout plachtu a vydat se do hlubokého vesmíru.
Jsem si jistý, že se ptáte, jestli je to jednosměrná cesta, jak se dostat pryč od Slunce, ale ve skutečnosti tomu tak není. Stejně jako u solárních plachet lze i elektrickou plachtu natáčet. V závislosti na tom, na kterou stranu plachty sluneční vítr dopadá, buď zvyšuje nebo snižuje oběžnou dráhu kosmické lodi od Slunce.
Udeřte do plachty na jedné straně a zvednete její oběžnou dráhu, abyste mohli cestovat do vnější sluneční soustavy. Ale mohli byste také zasáhnout druhou stranu a snížit její oběžnou dráhu, což by jí umožnilo cestu dolů do vnitřní sluneční soustavy. Je to neuvěřitelně všestranný pohonný systém a Slunce dělá veškerou práci.
I když to zní jako sci-fi, ve skutečnosti se na některých testech pracuje. An Estonský prototyp satelitu byl uveden na trh již v roce 2013, ale jeho motoru se nepodařilo navinout popruh. The Finská družice Aalto-1 byla spuštěna v červnu 2017 a jedním z jejích experimentů je otestovat elektrickou plachtu.
Zda je technika životaschopná, bychom měli zjistit ještě letos.
O tomto pohonném systému neuvažují jen Finové. V roce 2015 NASA oznámila, že udělila grant Phase II Innovative Advanced Concepts Dr. Pekka Janhunen a jeho týmu, aby prozkoumali, jak by tato technologie mohla být použita k dosažení vnější sluneční soustavy za kratší dobu než jiné metody.
The Elektrostatický systém rychlé přepravy Heliopause nebo kosmická loď HERTS by roztáhla 20 těchto elektrických lan směrem ven ze středu a vytvořila by obrovskou kruhovou elektrickou plachtu, která by zachytila sluneční vítr. Pomalým otáčením kosmické lodi odstředivé síly roztáhnou pouta do tohoto kruhového tvaru.
Umělcova ilustrace Heliopause Electrostatic Rapid Transit System. Kredit: NASA
Díky svému kladnému náboji působí každé pouto jako obrovská bariéra pro sluneční vítr a dává vesmírné lodi po startu ze Země efektivní plochu 600 kilometrů čtverečních. Jak se však od Země vzdaluje, jeho efektivní plocha se v době, kdy dosáhne Jupiteru, zvětšuje na ekvivalent 1200 km čtverečních.
Když solární plachta začne ztrácet výkon, elektrická plachta stále zrychluje. Ve skutečnosti by dál zrychloval za oběžnou dráhou Uranu.
Pokud se technologie osvědčí, mise HERTS by mohla dosáhnout heliopauzy za pouhých 10 let. Voyageru 1 trvalo 35 let, než dosáhl této vzdálenosti, 121 astronomických jednotek od Slunce.
Ale co řízení? Změnou napětí na každém drátu, jak se kosmická loď otáčí, můžete mít celou plachtu na jedné nebo na druhé straně v interakci se slunečním větrem jinak. Mohli byste řídit celou vesmírnou loď jako plachty na lodi.
V září 2017 tým výzkumníků s finským meteorologickým ústavem oznámil docela radikální nápad za to, jak by mohli být schopni používat elektrické plachty ke komplexnímu průzkumu pásu asteroidů.
Místo jediné kosmické lodi navrhli postavit flotilu 50 samostatných 5kg satelitů. Každý z nich by navinul svůj vlastní 20 km dlouhý popruh a zachytil sluneční vítr Slunce. V průběhu 3leté mise by kosmická loď cestovala do pásu asteroidů a navštívila několik různých vesmírných skal. Celá flotila by pravděpodobně byla schopna prozkoumat 300 samostatných objektů.
Tento obrázek znázorňuje dvě oblasti, kde se nachází většina asteroidů ve Sluneční soustavě: pás asteroidů mezi Marsem a Jupiterem a trojské koně, dvě skupiny asteroidů, které se pohybují před a za Jupiterem na jeho oběžné dráze kolem Slunce.
Každá kosmická loď by byla vybavena malým dalekohledem s otvorem pouze 40 mm. To je přibližně velikost pozorovacího dalekohledu nebo poloviny dalekohledu, ale stačilo by to k rozlišení prvků na povrchu asteroidu o průměru až 100 metrů. Měli by také infračervený spektrometr, aby byli schopni určit, z jakých minerálů je každý asteroid vyroben.
To je skvělý způsob, jak najít asteroid za 10 bilionů dolarů vyrobený z pevné platiny.
Protože by kosmická loď byla příliš malá na to, aby mohla komunikovat celou cestu zpět na Zemi, museli by data uložit na palubu a poté, co o 3 roky později proletí kolem naší planety, vše přenést.
Planetární vědci, se kterými jsem mluvil, milují myšlenku, že by bylo možné zkoumat tolik různých objektů současně, a myšlenka elektrické plachty je jednou z nejúčinnějších metod, jak toho dosáhnout.
Podle výzkumníků by mohli provést misi za přibližně 70 milionů dolarů, čímž by se náklady na analýzu každého asteroidu snížily na přibližně 240 000 dolarů. To by bylo levné ve srovnání s jakoukoli jinou navrhovanou metodou pro studium asteroidů.
Průzkum vesmíru využívá tradiční chemické rakety, protože jsou známé a spolehlivé. Jistě mají své nedostatky, ale přenesly nás přes Sluneční soustavu do miliard kilometrů od Země.
Ale existují i jiné formy pohonu, jako je elektrická plachta. A v průběhu nadcházejících desetiletí uvidíme stále více těchto nápadů, které budou testovány. Bezpalivový pohonný systém, který dokáže vynést kosmickou loď do vnějších oblastí Sluneční soustavy? Ano prosím.
Až budou testovány další elektrické plachty, budu vás informovat.
Podcast (audio): Stažení (Trvání: 10:10 – 9,3 MB)
Předplatit: Apple podcasty | RSS
Podcast (video): Stažení (Trvání: 10:10 – 69,3 MB)
Předplatit: Apple podcasty | RSS