Kde hledat neomezené zásoby pohonných hmot pro kosmické sondy?

- Vesmír autor: Pavel Vachtl

Akční rádius a obecně i jakékoliv možnosti současných kosmických lodí a sond jsou omezeny množstvím paliva či pohonné látky, které si s sebou "přivezou ze Země". Každý kilogram takto vynesené pohonné látky je však velmi drahý. Vědci se proto v poslední době zabývají způsoby, jakými by si kosmické lodě nebo sondy mohly samy opatřovat pohonné látky ze zdrojů mimo Zemi. Nabízí se mimo jiné získávání pohonných látek z asteroidů či z jiných menších těles Sluneční soustavy, která mají výrazně slabší gravitační pole než Země.

Umělecká představa měsíční vesnice

Umělecká představa měsíční vesnice,zdroj: Profimedia.cz

Již dříve někteří odborníci uvažovali o výrobě metanu jakožto paliva ze zdrojů na povrchu Marsu, protože v současnosti už existuje řada raketových motorů, schopných spalovat právě metan. Výhodou této metody by bylo, že takto na Marsu vyrobené palivo (plus paralelně vyráběný kyslík, tedy okysličovadlo pro příslušný chemický raketový motor) by mohlo pokrýt nutné zásoby pro zpáteční let sondy nebo kosmické lodi z Marsu k Zemi. Jeho pořizovací cena by navíc v porovnání s palivem přivezeným ze Země byla opravdu nepatrná.

Za nadějný je také považován objev jezer plných uhlovodíků na povrchu Saturnova měsíce Titanu. To je ovšem již hudba hodně vzdálené budoucnosti, protože nejdříve se příslušná sonda s malou "přibalenou" uhlovodíkovou rafinérií musí nějak k Saturnu dostat, aby mohla tyto vydatné zdroje využít. Pro sondy pohybující se ve vnitřní oblasti Sluneční soustavy je tento zdroj bohužel nepoužitelný.

Těžba vodního ledu 

Pro lety a nepřetržité kosmické patroly v nejbližším okolí Země bychom potřebovali získávat nějakou pohonnou látku z "místních" menších vesmírných těles. Uhlovodíky nebo suroviny potřebné k jejich výrobě zde ovšem v dostatečném množství k dispozici nejsou.

Ukazuje se, že takovou látkou, která se poměrně běžně vyskytuje na "okolozemních" asteroidech, kometách, malých měsících velkých planet nebo na našem Měsíci, je obyčejná voda. Většinou se zde nachází ve formě vodního ledu, tedy zmrzlá. Tuto vodu by těžební sonda napříkladd mohla posléze rozkládat pomocí elektrolýzy na vodík a kyslík, aby tak získala palivo a okysličovadlo pro klasické chemické raketové motory.

Elektrickou energii k tomu potřebnou by samozřejmě sonda v okolí dráhy Země mohla získávat prostřednictvím solárních panelů, přijímajících zářivou energii ze Slunce. Výroba paliva elektrolýzou vody by však byla velmi energeticky i technologicky náročná, a proto o ní vědci v tomto případě spíše neuvažují.

Energii ze Slunce by však ve spojení s vodou (vodním ledem) stačilo na palubě menší kosmické lodi nebo sondy využívat k jejímu pohonu mnohem jednodušším způsobem a navíc bez chemických reakcí. Jak by to bylo možné?

Héronova parní baňka ve vesmíru

Tímto jednoduchým způsobem je přímočaré zahřívání a odpařování vody a její následná přeměna v páru, pomocí termoelektrické jednotky. Pokud nějaký objem vody postupně a dostatečně ohříváme, její část se začne měnit v páru.

Jelikož pára má mnohem větší objem než voda v kapalném stavu, pára expanduje, a pokud k zahřívanému zásobníku vody připojíme trysku, pára začne rychle a usměrněným způsobem pod tlakem proudit ven. Proud páry podle principu akce a reakce přitom působí na zásobník vody silou stejné velikosti a opačné orientace, v porovnání se silou, kterou je pára vytlačována ven. Tuto sílu pak stejně jako u raketových motorů nazýváme silou reaktivní, i když vodní pára samozřejmě nehoří a není palivem.

Kupodivu, tuhle "vychytávku" spojenou s reaktivní silou buzenou tlakem horké páry znali již staří Řekové, konkrétně ji objevil jistý Hérón Alexandrijský, zvaný též Méchanikos, který žil v 1. století našeho letopočtu a byl jedním z prvních systematických fyziků, matematiků a vynálezců. Po něm se podobné reaktivní zařízení, využívající k pohybu sílu vypouštěné horké páry, jmenuje Héronova (parní) baňka.

Pokusy s Héronovou baňkou patří dodnes k vděčným, jednoduchým ale přitom efektním školním pokusům. Zároveň se však k tomuto principu nedávno vrátili i někteří vědci, kteří projektují nové typy pohonů pro moderní meziplanetární sondy.

Projekt WINE (the World Is Not Enough) aneb Jeden svět nestačí

Princip kosmické sondy poháněné reaktivní Héronovou baňkou, opatřené navíc integrovaným extraktorem vody na palubě, nedávno navrhl Phil Metzger z University of Central Florida. Do podoby prvního prototypu jej pod názvem WINE (the World Is Not Enough) rozpracovala firma Honeybee Robotics z kalifornské Pasadeny, za finanční podpory NASA. (Tato firma nedávno zkonstruovala mj. nástroj pro odmetání prachu z marsovských kamenů, kterým disponuje marsovský rover Curiosity, a spoustu dalších přístrojů pro kosmické sondy). Na projektu WINE spolupracují také floridská Embry-Riddle Aeronautical University, která vyvinula parní reaktivní motory, a University of Central Florida, která pro pozemské testy dodala umělou nápodobu povrchu asteroidu, umístěnou ve vakuové komoře.

Sonda WINE je velká jako mikrovlnka a tvarem připomíná pavouka. Loni 31. prosince pak na "cvičném" povrchu demonstrovala svoji schopnost dobývat vodní led z povrchu asteroidu či komety a odstartovat z něj (sonda ze spodní trysky vypudila páru s takovou silou, že se i v podmínkách zemské gravitace krátce vznesla nad povrch).

Taková sonda by samozřejmě mohla pomocí "parního pohonu" snadno cestovat od planetky k planetce, a to prakticky po neomezenou dobu - tedy dokud budou při cestě k dispozici dostatečné zásoby vody na planetkách-asteroidech. Energii potřebnou pro přeměnu vody v natlakovanou páru bude sonda čerpat buď ze solárních panelů, jak již bylo výše řečeno, nebo při cestách dále od Slunce, kde je sluneční záření málo intenzivní, z radioizotopového termoelektrického generátoru, RTG. Malé RTG mají na palubě např. sondy Voyager nebo marsovské vozítko Curiosity.

Zatímco dnešní meziplanetární sondy s iontovým pohonem jsou schopny postupně navštívit nejvíce dva až tři asteroidy nebo komety, sonda s parním pohonem, čerpající postupně vodu z místních zdrojů, by jich mohla zvládnout navštívit desítky. Také by mohla po povrchu vybraného asteroidu prostě jen skákat z místa na místo a podrobně jej tak zblízka zkoumat.

Ještě je třeba doplnit, že firma Honeybee Robotics vlastně souběžně vyvíjí dva typy sond schopných těžit vodu z povrchu kosmických těles. Jednou je výše zmíněný pavouk s nohama a parním raketovým motorem, zatímco druhá má tvar malého vozítka bez trysek a je schopna shromažďovat z hornin extrahovanou vodu ve větším množství ve vnitřní nádrži.

Evropská sonda by měla brzy těžit vodu a kyslík na Měsíci

Nejen americké firmy se však zabývají možnostmi získávání vody a dalších surovin z kosmických těles. Do roku 2025 by měla na Měsíci přistát sonda Evropské vesmírné agentury (ESA), jejímž úkolem bude těžba vody a kyslíku z měsíčního regolitu (regolit je povrchová vrstva rozdrcených hornin). Koncepcí této těžební sondy se nyní ve spolupráci s ESA zabývá francouzská společnost ArianeGroup, kterou známe hlavně jako výrobce a vývojáře nosných raket Ariane 5 a 6 (jde o společný podnik evropské firmy Airbus a francouzské skupiny Safran).

Inženýrům zatím jde jen o proveditelnost a finanční náročnost této mise. Těžba vody a kyslíku z místních surovin však bude v budoucnu důležitá zejména pro stavbu a provoz stálé měsíční stanice, obývané lidmi. Ta by měla být z velké části nezávislá na dodávkách základních surovin ze Země. Na bázi místních surovin by zde také měla probíhat výroba raketového paliva pro výpravy do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy.

Stálá automatická parní flotila ve vesmíru?

Parní raketové motory spolu se systémem extrakce vody z hornin na asteroidech a dalších tělesech s nízkou gravitací by tedy mohly výrazně prodloužit mise kosmických sond, přičemž by se zároveň podstatně snížily náklady na průzkum vesmíru. Mohli bychom tedy na cesty po Sluneční soustavě vysílat mnohem více sond než dnes a s podstatně větší frekvencí. Získáme tak možná armádu desítek kosmických sond, které by mohly souběžně provádět permanentní průzkum asteroidů v okolí Země nebo těles nacházejících se ve velkém pásu mezi Marsem a Jupiterem.

Tagy: sluneční soustava sondy věda a technika věda a poznání