Architekt marťanské mise NASA předvedl 'dipólový pohon'

- Technologie autor: Ladislav Loukota

Příští rok oslavíme půlstoletí od prvního přistání lidí na Měsíci. Za celé uplynulé období se lidské bytosti nikdy nevydaly dále do kosmického prostoru, byť alespoň naše sondy ano. Jedním z problémů na cestě do kosmických dálav je i neefektivita běžného chemického pohonu. Konceptů na účinnější fyzikální pohon existuje celá řada, naposledy jím byl i kontroverzní (a nejspíše vyvrácený) EM Drive. Zatím je ale jenom málo z nich v reálu testováno. Novým, potenciálně revolučním typem pohonu se pochlubil i člověk, který změnil pohled na lidskou misi k Rudé planetě. Problém je, že prozatím opět nevíme, zdali by jeho teoretický vynález mohl fungovat.  

Běžná solární plachetnice

Běžná solární plachetnice,zdroj: Wikipedia Commons

Jen málokdo udělal pro realizaci marťanské mise tolik jako Robert Zubrin. Ačkoliv je člověk Rudé planetě stále vzdálen, byl to právě Zubrin, kdo spolu se svými kolegy přišel s plánem "ekonomického" letu na Mars využívajícího pro tvorbu paliva i vody/kyslíku posádky zdrojů místní atmosféry.

V jeho očích byla podobná mise daleko racionálnější než návrat k Měsíci právě kvůli tomu, že jenom mise k Marsu může být díky konverzi místních zdrojů levnější. Zubrinovy ideje byly velmi populární v 90. letech, tehdejší plány NASA na jejich aplikaci se však zjevně poněkud protáhly. Dnes je tak Zubrin nemalým kritikem "rychlosti" NASA.

Zubrinovy někdejší zásluhy však spíše přeskočme. I ve svých 66 letech je totiž stále aktivní a nejnověji přiblížil i svůj návrh nového optimálního motoru pro meziplanetární pohyb.

S využitím solárního větru

Jmenuje se "dipólový pohon" a podobně jako běžné solární plachetnice využívá k pohybu energie částic slunečního větru. Sluneční vítr je snadno srovnatelný s tím, kterak se běžný atmosférický vítr opírá do plachet normálních námořních plachetnic. Zatímco sluneční plachetnice však pro odrážení částic vycházejících ze Slunce využívají jednoduše velkou odrazivou plachtu, dipólový pohon používá v roli "plachty" pole generované mezi dvěma náboji opačného rázu.

Plavidlo samotné se sestává ze dvou paralelních plachet, jedné nabité kladně, druhé záporně, přičemž pole vzniká pouze mezi nimi (viz obrázek níže). Jakmile do pole narazí částice slunečního větru, předají mu svou energii a plavidlo se může pomalu vydat ke svému cíli.

Stejně jako u jiných slunečních plachetnic je tedy systém závislý na "externalizovaných" částicích – své palivo si loď nebere s sebou, čímž jednak snižuje vlastní hmotnost, a jednak cizí energie může využívat de facto permanentně (alespoň dokud je poblíž zdroje částic).

Zubrinův návrh dipólového pohonu

Zubrinův návrh dipólového pohonu,zdroj:The Centauri Dreams

Výhodou dipólového pohonu oproti slunečním plachtám je navíc možnost ovlivňování intenzity pole (a tak i rychlosti) a šance pole využívat nejen vůči částicím slunečního větru, ale i jiným druhům částic. Vstupující částice se navíc chovají odlišně dle toho, kudy do pole vstupují a jakého jsou samy charakteru – zdali vstoupí do kladné či záporné části, či kombinace dle úhlu pole vůči jejich trajektorii.

Dipólový pohon tak může disponovat i jakýmsi fyzikálním "vztlakem" a sklonitelností odrazivé plochy oproti slunečním plachtám, které částic Slunce využívají doslova přímočaře. Pohon by proto mohl operovat i uvnitř pozemské magnetosféry, která sluneční vítr do značné míry vykrývá. Dipólový pohon by dokonce mohl i brzdit – stačilo by zápornou část pole otočit vstříc přilétajícím iontům planetárních magnetosfér a počkat, než pohyb lodi zpomalí.

Liší se ovšem i efektivita. Zubrin spočítal, že co do generování tahu je dipólový pohon díky využívání více částic až desetinásobně účinnější než EM Drive (tedy i více než sluneční plachetnice) – to celé však zcela dle platných fyzikálních zákonů. Tedy, minimálně v jeho interpretaci vynálezu. Na každý pád sám Zubrin spočítal, že plavidlo využívající dipólového pohonu by mohlo lidskou posádku dopravit k Měsíci čistě s pomocí jediného startu nosiče Falcon Heavy (o cca. 50 tun slabšího než Saturn V).

Akcelerace by stále byla pomalejší než v případě chemického pohonu, ale dovolit bychom si takovýto let mohli v podstatě již dnes.

Papír snese vše

Jaké má však dipólový pohon reálné šance na aplikaci? V dohledné době zřejmě velmi malé.

V první řadě – Zubrin je velmi chytrý muž, ale není neomylný. Jeho úvaha je sice zajímavá, ale prozatím není o moc víc než jen úvahou. Nad tím, zdali by se částice uvnitř pole chovaly přesně tak, jak by se dle něj chovaly, panuje zjevná nejistota.

Princip by bylo třeba ověřit publikací rozsáhlejší teoretické studie, simulace a poté nejlépe i experimentálními pokusy. Jelikož ovšem jeho text nemá charakter publikované studie a udělal i řadu faktických přešlapů, těžko posuzovat validitu závěrů. Zubrin sám navíc operuje s tím, že plachty, mezi nimiž by pole vznikalo, by měly průměr 500 metrů a k nabíjení by potřebovaly malý jaderný reaktor.

To také hypotetickou konstrukci podobného plavidla (stejně jako prototypu) poněkud komplikuje.

Neexistuje přitom nikdo, kdo by se do dalších studií podobného rázu příliš hrnul. Právě SpaceX, která již Zubrinovu ideu produkce paliva přímo na Marsu několikrát zmínila jako svůj oficiální plán, vidí zjevně vyšší smysl ve využívání tradičních chemických motorů. Celá infrastruktura plavidla BFR, které SpaceX mimo jiné pro let k Marsu vyvíjí, spoléhá na univerzálnost jediného typu pohonu - tradičního reakčního motoru Raptor.

Ten využívá jako svou hlavní složku kapalný metan, jenž lze dle starší studie NASA na Marsu spolu s kyslíkem a vodou (tedy dohromady i s kyslíkem) vytvářet. SpaceX počítá s tím, že při letu k Rudé planetě by BFR na oběžné dráze "dotankoval" palivo pomocí několika dalších raket startujících ze Země. Při odletu k Marsu by postup byl nejspíše obrácený. Stále by to oproti fyzikálním pohonům bylo zoufale neefektivní – bylo by to však snazší na realizaci.

Kapacity pro jiný než chemický pohon, tedy momentálně lidé u kormidla kosmického věku příliš nevidí.

BFR

Supernosič BFR miliardáře Elona Muska,zdroj:SpaceX

Příliš daleká vize

"Elon Musk zatím použití motorů na fyzikálním principu neoznámil," dodává Dušan Majer ze serveru Kosmonautix.cz, "BFR, potažmo BFS, bude hodně těžká a fyzikálním motorům by její urychlení trvalo moc dlouho. Chemické pohony jsou pro tento úkol vhodnější. Časem, až se fyzikální pohony zlepší, se však může karta obrátit." Dodává ovšem, že před pár týdny SpaceX na svém webu hledala zaměstnance na pozici, která souvisí s iontovým pohonem. Nevíme ale, zda to souvisí s BFR, nebo s jinými projekty firmy - třeba megakonstelací Starlink.

Nevýhodou chemických pohonů jsou zjevné velké nároky na váhu a produkci paliva - výhodou je však univerzálnost.

Zubrinův dipólový pohon by (pokud by nad ním nevynesli ortel teoretičtí fyzikové) naproti tomu vyžadoval značné sumy pro teoretické rozpracování, vývoj prototypu, jeho testování na Zemi i ve vesmíru a poté snad možná někdy aplikaci na vyšší škále.

Kosmické lodě by pro něj musely mít separátní systémy. Vzhledem k tomu, že "tradiční" solární plachetnice se teprve v posledních letech dočkávají vyšší pozornosti a prvních kosmických testů (stále však bez vyššího uplatnění v reálných kosmických misích), nezdá se pravděpodobné, že by dipólový pohon mohl najít uplatnění hned pro první let k Marsu.

NASA sama se k experimentálním pohonům staví velmi konzervativně, takže pokud by Zubrinův pohon nezačaly ve velkém financovat např. konkurenti SpaceX, je jeho příchod před rokem 2050 spíše nereálný. Největší konkurent SpaceX, společnost Blue Origin zakladatele Amazonu Jeffa Bezose, má přitom jako svůj deklarovaný hlavní cíl Měsíc, nikoliv Mars. Na kratší vzdálenosti si tak s chemickým pohonem vystačí tím spíše.

Dipólový pohon, popřípadě solární či magnetické plachetnice, by snad mohly být užitečné, pokud někdy u Marsu či dále začne existovat skutečně permanentní kolonie a tak i stabilní doprava. Jestli se tak ale stane v roce 2040, 2100 či vůbec někdy, je samo o sobě také otázkou.

Ačkoliv přitom dipólový pohon působí lépe než běžné solární plachetnice, v takto vzdálené budoucnosti mohou být k dispozici i jiné, efektivnější typy pohonu. Dojde-li někdy svému zkrocení energeticky pozitivní jaderná fúze, bude dost možná snazší používat právě ji. Budou-li naopak na Zemi existovat velké laserové systémy pohánějící solární plachetnice, jako plánuje iniciativa Breakthrough Starshot, bude i pro dosažení vyšší rychlosti snazší urychlovat běžné solární (laserové) plachetnice.

Všechny tyto vize jsou však momentálně jenom o trochu méně vzdálené, než byly v 90. letech Zubrinovy někdejší vize snazšího letu k Rudé planetě…

Zubrinův článek by publikován na webu The Centauri Dreams.

Tagy: cesta do vesmíru sluneční soustava mise na Mars Vesmír věda a poznání