| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Balónem na oběžnou dráhu
Rudolf Mentzl
Myšlenku balónu můžeme s trochou nadsázky vystopovat až ke starému Archimédovi. Podle jeho zákona se bublina vzduchu ve vodě bude vznášet nahoru, směrem k hladině. Archimédův zákon ale nevyžaduje, aby okolní prostředí bylo kapalné. Stejně bude stoupat bublina lehkého plynu ve vzduchu. Stačí pak jen bublinu uzavřít do neprodyšného vaku, přepásat provazy, připevnit koš a balón je na světě. Jako první tento nápad realizovali bratři Montgolfierové.
Náplní byl tehdy horký vzduch, který je (byť jen nepatrně) lehčí než vzduch studený. I tak malý rozdíl hustot při jimi určeném objemu již stačil aby se balón vznesl a vyzvedl lehčí zátěž. Horkovzdušné balóny používáme dodnes. Výhody i nevýhody jsou zřejmé. Horký vzduch se snadno a relativně levně připraví, je však přece jen poměrně těžký. Dlouho se hledaly plyny, které by vynesly balóny výše, tedy plyny výrazně lehčí než horký vzduch. Od doby Avogadra je ale známo, že (při dané teplotě a tlaku) nejlehčí plyn musí být ten, který je tvořen nejlehčími molekulami. Tím sklaplo různým podvodníkům, prodávajícím vzorce zázračně lehkých plynů. Nejlehčí plyn je bez diskuse vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish..
Je možné (alespoň principiálně) připravit nějaké lehčí médium? Teoreticky bychom mohli vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. zahřát. Horký vodík je samozřejmě lehčí než studený, jenomže technicky vzato je proces ohřevu vodíku (musí být ohříván za letu, aby nevychladl) poměrně nebezpečnou záležitostí. Druhá cesta, jak vodík „odlehčit“, je nepoužívat molekuly vodíku H2, ale atomární vodík H(1), ten je dvakrát lehčí. Bohužel je také mnohem reaktivnější. Považujeme téměř za nemožné vodík udržet při běžných podmínkách v atomárnímAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10−10 m, rozměry jádra 10−14 m, hustota atomu je 1011 g·cm−3, hustota jádra 1014 g·cm−3. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. stavu. Sám, a velmi bouřlivě, přechází do molekulární konfigurace H2. V té však nevydrží dlouho, neboť se reakcí zahřeje na zápalnou teplotu a ihned reaguje s kyslíkem na vodu. V praxi to vypadá tak, že v jednu chvíli máme balón naplněný lehkým atomárním vodíkem a za zlomek sekundy balón přeplněný ohřívaným (vlastně rozžhaveným) vodíkem. Následná exploze pak kazí dojem z celého experimentu.
O využití balónu v astronomii uvažoval již Edward Lear
v roce 1894
v knize A Book of Nonsense. Ilustrace z knížky.
Jak tedy na to? Edisonovským řešením by bylo „naplnit“ balón vakuem. Vakuum je bez diskuse to nejlehčí, co by mohlo v balónu být, pokud si nechceme vymýšlet médium se zápornou hmotností, potažmo hustotou. Taková hmota je zatím k mání pouze ve scifi románech. Balón „naplněný“ vakuem musíme bohužel pokládat za marginální. K takto ideálnímu vznášedlu se můžeme v úvahách pouze přiblížit. Tlak okolní atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. odsoudí podobný přístroj k okamžitému kolapsu. Sestrojit dostatečně lehkou a přitom pevnou kouli, která by zachovala tvar i při podtlaku jedné atmosféry je pro současnou technologii nedostižným snem.
Nedá se nic dělat, máme-li vzlétnout a zůstat přitom se svými ideami stát pevně na zemi, musíme balón něčím naplnit. Naplnit něčím hmotným, avšak dostatečně rozpínavým, aby okolní tlak balón nerozmačkal. Zároveň požadujeme hustotu menší, než má nejlehčí plyn vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish., a to pokud možno mnohanásobně. Pro naše potřeby by byl příliš těžký i ohřátý atomární vodík (i pokud bychom jej dokázali stabilizovat). Nechceme nemožné, když požadujeme něco lehčího než to nejlehčí?
Ale ne, vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. je sice nejlehčí prvek, ale není to to nejlehčí, co známe. Lehčí jsou například elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.. Co kdybychom naplnili balón samotnými elektrony? Záporně nabité elektrony se velmi silně odpuzují. To, že se libovolná látka nerozlétne na kusy odpudivými silami mezi nimi (v každé látce jsou hojně zastoupeny) je způsobeno kompenzací kladným nábojem atomových jader. Elektrony jsou přitom, posuzováno pouze z hmotnostního hlediska, zanedbatelnou složkou. Hmotnost elektronu je přibližně dvoutisíckrát menší než hmotnost protonuProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Přitom síla, kterou působí na jiný náboj je (s přihlédnutím na jeho hmotnost a rozměry) doslova titánská, jen těžko porovnatelná s čímkoli, co známe z běžného života. (V jádrech atomů panují samozřejmě síly mnohem větší, ale s těmi nemusíme pro jejich krátký dosah a specifický charakter počítat.)
Produkovat elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. umíme relativně bez nesnází. Běžně to dělá například katodová trubice (nalezneme v každé klasické obrazovce). Ukazuje se, že tlak způsobený odpudivými silami elektrického náboje je úměrný čtvrté mocnině hustoty náboje. Ve skutečnosti je tato síla ještě o něco větší, protože je podpořena termickým pohybem částic. Pak se ovšem výpočet komplikuje, neboť pohybující se náboj vytváří kolem sebe magnetické pole, které zpětně ovlivňuje okolní částice. To vše je ale málo podstatné, protože dominantní silou zde je již dříve uvedené elektrické odpuzování. Stačí pak elementární výpočet a zjistíme, že hmotnost náplně balónu je téměř nulová. Přiblížili jsme se tedy k našemu ideálu, k balónu „vyplněnému“ vakuem. Tentokrát ale nemáme problémy s tlakem okolního prostředí.
Jeden z testů připravovaného balónu. Povrch je ze
speciální tkaniny,
jež odolává průniku elektronů. Zdroj: NASA.
Vyvstávají problémy jiné. Balón naplněný záporným nábojem je v pohodě pouze do doby, kdy se začne pohybovat. Tak velký elektrický náboj, který je třeba k nafouknutí balónu, vytváří při sebemenším pohybu neuvěřitelně silné magnetické pole. Pole tak silné, že v interakci s magnetickým polem ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. vytváří zajímavé efekty. Při zkoušce prototypu byly až v rovníkových krajinách krátkodobě pozorovány polární záře. Byl-li zároveň balón unášen větrem na východ či západ, vzniklé magnetické pole jej nekompromisně táhlo vysokou rychlostí k jižnímu nebo severnímu magnetickému pólu (podle toho, zda primárně letěl na východ, nebo na západ).
Tento nedostatek snadno proměníme ve výhodu, vezmeme-li s sebou zařízení, kterému pracovně říkáme protináboj. Lapidárně řečeno, nejedná se o nic jiného, než o kus dielektrika nabitého opačně než balón (tedy kladně). Protináboj získáme jednoduše, jako odpad po výrobě náboje. De facto by bylo nemožné vyrobit záporný náboj, aniž bychom nezískali protináboj. Zákon zachování celkového náboje, zdá se, platí bezezbytku.
Vzducholoď vezoucí s sebou protináboj je navenek vlastně elektricky neutrální. Nevytváří sice parazitní magnetické pole, ale stále se chová jako elektrický dipól. Při vhodné konstrukci dokážeme měnit geometrické uspořádání dipólu tak, abychom dokázali balón orientovat libovolným směrem. V praxi se to dělá tak, že je protináboj rozdělen do mnoha segmentů na obvodu gondoly a generátorem pouze distribuujeme náboj dle našich potřeb. Právě se konají pokusy s dotovaným protinábojem. Je to klasický protináboj s ochuzeným kladným nábojem (dielektrikum je dotováno elektrony, takže je celkový náboj poněkud menší než je náboj balónu). Vzducholoď se pak chová jako asymetrický dipól. Ponechává si možnosti manévrování a magnetické pole, které pří tom vyvolává, není tak mohutné, aby se nadalo zvládnout. Naopak se ukázalo, že do určité míry vzducholoď stabilizuje proti náhlým poryvům větru. Jako třešničku na dortu pak získáváme možnost laciného pohybu ve směru magnetických silokřivek ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru..
Jaká je teoretická výška dostupná balónem plněným elektrony? Vzhledem k zanedbatelné hmotnosti náplně bychom mohli počítat, že můžeme dosáhnout hranice atmosféry. Gondola s posádkou a obal balónu pak tuto výšku poněkud zmenšují – záleží na vzájemných poměrech mezi hmotností zátěže, objemem balónu a hustotou okolní atmosféry. Potud teorie. V praxi ale musíme uvažovat různé fluktuace atmosféry, která ve stratosférickýchStratosféra – vrstva atmosféry nad troposférou. Sahá přibližně do 50 km. Součástí stratosféry je ozónová vrstva, která pohlcuje škodlivé ultrafialové záření přicházející ze Slunce. Ve stratosféře nedochází k turbulentnímu proudění, neboť teplota vzduchu s výškou roste (růst způsobuje pohlcování UV záření). výškách je značně proměnná a nedá se vlastně říci, kde končí. Dlouho také nebylo jasné, jak se na náboji balónu podepíše kosmické zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. a van Allenovy radiační pásyVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O+, He+) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 RZ. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka.. Nebude tok nabitých částic balón vybíjet? Nebo se bude balón naopak nabíjet? Nebude vzducholoď driftovat od pólu k pólu, tak jako to činí nabité částice slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.? Nebo naopak uvázne v jakémsi lokálním minimu a nebude se moci pohnout?
Mnoho otázek, mnoho odpovědí. Zemské magnetické pole je v těchto místech tak složité, že na každou z otázek můžeme dát na některých místech souhlasnou a na jiných zamítavou odpověď. Problematika je natolik zajímavá a využití natolik lákavé (i ekonomicky), že jsou uvolňovány nemalé finanční částky na detailní zmapování van Allenových radiačních pásůVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O+, He+) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 RZ. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka.. NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. například pomalu upouští od dalšího vývoje nespolehlivých a drahých raketoplánů a připravuje návrh útlumového programu výroby ruských nosičů. Výzkum se směřuje hlavně na hledání nových druhů izolačních materiálů vhodných pro konstrukci balónů a protinábojů.
Poněkud kýčovitá umělecká představa o novém dopravním prostředku. Zdroj: NASA.
Energetická úspora tkví hlavně v tom, že není třeba sondu urychlovat až na první kosmickou rychlost (kterou pak zase obtížně zmenšujeme), ale stačí pouze dodat energii nutnou na vytvoření elektronové náplně balónu. Ta je rovná potenciální energii zátěže v cílové výšce. Navíc jde o levnou elektrickou energii, kterou můžeme při sestupu rekuperovat. Když tedy nepočítáme nutné všudypřítomné ztráty, můžeme náklady na energii při dopravě nahoru a zpět považovat za nulové.
Na poli výzkumu a aplikace mohou být úspěšné i malé země. U nás se problematice věnuje nově vznikající výzkumný ústav pro magnetosférické aerostaty. Výroba balónu schopného vynést a usadit do lokálního minima ve vrchní vrstvě atmosféry družici je ekonomicky nenáročná. Na rozdíl od konvenčních družic, které musí ve výšce udržovat odstředivá síla, tedy pohyb, mohou elektronové aerostaty setrvat na jediném místě nad povrchem Země. Vidina telekomunikační družice ve výšce šedesáti kilometrů nad Prahou je tak přitažlivá, že přináší další nemalé peníze na výzkum i z jiných, dříve nečekaných stran. Start prvního kosmického balónu s telekomunikační družicí přímo z Prahy se očekává do tří let. Přeji dobrý signál.
Klip týdne: Airbagy plněné elektrony při přistání na Marsu
Airbagy plněné elektrony při přistání na Marsu. V dnešním klipu týdne si prohlédněte využití balónu plněného elektrony při přistání na Marsu. V první fázi sonda klesá na klasickém padáku. Poté se nafouknou airbagy plněné elektrony. Tlak elektronového plynu daný Pauliho vylučovacím principem spolu s elektrostatickým odpuzováním způsobí nafouknutí airbagů a jejich značnou pružnost. Sonda je při přistání chráněna před nárazem na tvrdý povrch Marsu. Po několika skocích je z modulu vypuštěno výzkumné vozítko. V klipu si prohlédněte adjustaci vědeckých přístrojů a jejich první využití při průzkumu Marsu. (wmv, 2 MB)
Literatura
