Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 16 – vyšlo 1. května, ročník 13 (2015)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Rakety poháněné lasery

Petr Kulhánek

První raketu poháněnou kapalným palivem vypustil Dr. Robert Goddard v roce 1926. Na oběžnou dráhu se první těleso (sovětský Sputnik) dostalo v roce 1957. V roce 1969 dopravila raketa založená na Goddardově pohonu prvního člověka na Měsíc. Všechny lety do vesmíru jsou závislé na výkonu raketových motorů, a ty zase na přísunu paliva. Kosmická sonda si palivo potřebné pro manévrování veze s sebou. Čím více paliva, tím méně prostoru pro vědecké přístroje a užitečná zařízení. Množstvím paliva je také limitována maximální rychlost plavidla. Návrháři výprav za poznáním našeho vesmírného okolí musí optimalizovat poměr mezi užitečným nákladem a množstvím paliva. Pro vzdálené lety mohou posloužit iontové motoryIontový motor – reaktivní motor, ve kterém se urychlují ionty elektrickým polem na vysoké rychlosti. Iontový motor má malou spotřebu vylétávající látky, poskytuje malý tah po velmi dlouhou dobu. Hodí se tedy pro dlouhodobé lety. nebo plazmové motory, které mají menší spotřebu, ale poskytují jen malý tah, i když pro dlouhou dobu. V těsném sousedství SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. může být v některých situacích řešením sluneční plachetniceSluneční plachetnice – kosmická loď, která ke svému pohonu využívá tlaku elektromagnetického záření Slunce případně tlaku laserového svazku. Po řadě nezdarů bylo první takové plavidlo (plachetnice IKAROS) otestováno japonskou kosmickou agenturou JAXA v polovině roku 2010. (viz AB 43/2010). Testují se také rakety poháněné mikrovlnným nebo světelným svazkem, jehož zdroj je buď na raketě samotné, nebo mimo raketu, na zemském povrchu. V budoucnu by mohly být takové pomocné zdroje na oběžné dráze. V roce 2014 navrhli ruští odborníci hybridní motor, jenž je kombinací klasické trysky doplněné o laserem vytvořený proud plazmatu. Při vhodné kombinaci by takový motor měl ušetřit podstatnou část paliva a podle výpočtů by loď mohla po startu dosáhnout desetinásobku rychlosti zvuku. Sen o lodi poháněné světlem by se tak brzo mohl stát skutečností.

Parabolická tryska, v níž laser vytvoří z pevné látky plazma, které pak reaktivní silou
pohání kosmickou loď. Takový princip je základem tzv. světelné lodi (lightcraft) [9].

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Ablace – odtavování pevné látky a její následná změna v plynné skupenství. Ablace může nastat při dopadu meteoritu, na tepelném štítu návratového modulu kosmické lodi, při interakci laserového paprsku nebo radiofrekvenčního svazku s látkou apod.

Tahový součinitel – koeficient popisující účinnost raketových motorů. Je definován jako poměr tahu motoru k dodávanému výkonu (palivem, svazkem či jinou metodou). Jednotkou je N/W.

Světelná loď (Lightcraft)

Myšlenka lodi poháněné světlem je velmi stará a objevuje se často ve vědeckofantastické literatuře. Konkrétní podobu jí ale daly až práce prof. Leika Myraba z amerického polytechnického institutu RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) v Troy ve státě New York. V 80. letech 20. století představil v 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. návrh lodi, která by byla poháněna laserovým paprskem vysílaným ze zemského povrchu. Základem světelné lodi je parabolická odrazná plocha, která fokusuje dopadající laserový paprsek do ohniska, kde intenzivně zahřívá okolní vzduch, který získá značnou rychlost a slouží jako hnací plyn. V průběhu této fáze musí letět kosmická loď atmosférou. Po opuštění atmosféry musí loď buď využít nějaký palubní zásobník plynu (Myrabo uvažoval o vodíku), nebo ho vytvářet odpařováním (ablací) pevné látky.

Jak je patrné, loď byla od počátku navrhována pro lety v atmosféře, ideální by byla pro rychlé přesuny mezi kontinenty. Paralelně se ovšem uvažovalo i o možnosti vynášet tímto způsobem levně malé satelity (do 100 kilogramů) na oběžnou dráhu. Původní návrh zpracovaný pro NASA uvažoval o lodi pro lety v atmosféře s pětimetrovým průměrem, do které by se vešla čtyřčlenná posádka. Část vnějšku lodi byla navržena tak, aby tvořila odraznou plochu pro laserový svazek. Vizuálně loď na první pohled připomíná známé létající talíře.

Umělecká vize Myrabovy světelné lodi. Zdroj: NASA.

Testy Myrabova pohonu se prováděly na malých modelech. První zkonstruovaná loď měla jen 15 cm v průměru, hmotnost 25 gramů a za pomoci infračerveného laseru s výkonem 10 kW dolétla do výšky přes 30 metrů. V roce 2000 se podařilo obdobný model dostat do výšky 72 metrů. V roce 2002 byly použity opakující se pulsy CO₂ laseru a loď poprvé pokořila výškovou hranici 100 metrů. Začaly se ale vyskytovat velmi výrazné nestability ohřátého vzduchu, které vedly ke snížení tahu motoru oproti výpočtům. Bez těchto nestabilit by podle idealizovaných výpočtů laser s výkonem 150 kW vynesl takový model do výšky 30 km a gigawattový laser dokonce na oběžnou dráhu.

Myrabovy experimenty prováděné v Novém Mexiku na základně NASA ve White Sands. Současné experimenty používají opakující se laserové impulsy. Na videu je vidět několik startů Myrabových modelů. Zdroj: NASA. (flv/mp4, 20 MB)

Nový hybridní pohon

Ukázalo se, že použitelnost laserových pohonů má své hranice. Při nadzvukové rychlosti plynů či plazmatu se rozvinou nestability a vznikají rázové vlny, které proud látky utlumí a dojde ke snížení tahu motoru. Nový motor, který funguje i v nadzvukové oblasti navrhli Jurij Rezunkov z Ústavu pro vývoj optoelektronických zařízení a Alexandr Schmidt z Ioffeho fyzikálně-technického ústavu v St. Peterburku. Klasický raketový motor doplnili pulzním laserem, který opakovaně dopadá na terčík, ten zahřívá natolik, že z povrchu uniká proud nabitých částic. Proudící plazma vytváří dodatečný tah motoru.

Kombinace obou systémů výrazně sníží množství potřebného paliva a zvýší rychlost výfukových plynů na nadzvukovou. Tvůrci motoru zjistili, že pokud je ablace laserem geometricky řešena tak, že se unikající plazma nasměruje k vnitřní stěně trysky, podaří se jim omezit tvorbu nestabilit a rázových vln v proudícím plazmatu. To umožní dosáhnout více než desetinásobku rychlosti zvuku.

Numerická simulace proudění nadzvukovou tryskou s mimoosým paraboloidem. Na stupnici je Machovo čísloMach – jednotka rychlosti, udává kolikrát je rychlost tělesa vyšší než rychlost zvuku. Pojmenována byla na počest rakouského fyzika Ernesta Macha (1838-1916), který v 19. století studoval dynamiku plynů.. Obrázek a) popisuje trysku bez ablativního procesu, obrázek b) s ablacíAblace – odtavování pevné látky a její následná změna v plynné skupenství. Ablace může nastat při dopadu meteoritu, na tepelném štítu návratového modulu kosmické lodi, při interakci laserového paprsku nebo radiofrekvenčního svazku s látkou apod. [1].

Japonské experimenty s mikrovlnami

Není vyloučeno, že budoucnost Myrabovy světelné lodi bude v mikrovlnném pohonu. Využití mikrovln namísto laserového svazku testovali poprvé v Japonsku na Tokijské univerzitě (ve spolupráci s Japonským institutem pro výzkum atomové energie) v roce 2004. Jako zdroj mikrovln využívali vysoce výkonný gyrotron určený pro fúzní aplikace. Gyrotron generoval v pásmu 100 GHz mikrovlnný svazek s výkonem 1 MW. Ten byl namířen na parabolickou (v některých experimentech kuželovou) odraznou plochu. Dál už vše probíhalo obdobně jako u Myrabovy světelné lodi. Vzniklé plazma fungovalo jako pohonný plyn. V experimentu provedeném v roce 2004 dosáhl model výšky několika metrů a byl naměřen tahový součinitel 400 N/MW při pulzu trvajícím 0,1 ms. Dnes obdobné experimenty pokračují v Japonksu, Německu, Spojených státech i v dalších zemích.

Princip mikrovlnného pohonu. Napravo je gyrotron využívaný Japonci
pro vytvoření mikrovlnného svazku [5].

Fotografie pořízené při testování mikrovlnné obdoby Mirabovy lodi [5].

Závěr

Experimenty s novým druhem pohonu založeným na laserovém nebo mikrovlnném svazku probíhají dlouhodobě na několika místech na světě a zdají se být slibnou vizí pro budoucnost kosmonautiky. Rezunkovův a Schmidtův návrh hybridního pohonu, který by kombinoval klasický raketový motor s laserovým pohonem je ale naprostou novinkou, která má velkou naději na úspěch, neboť eliminuje problematické nestability a snižuje spotřebu klasického paliva. Původně se předpokládalo, že se nové typy raketových motorů začnou využívat v polovině 21. století. Je možné, že Rezunkovův a Schmidtův hybridní motor vývoj značně urychlí.

Odkazy