Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 25. října, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2019

Rakety na páru

Rudolf Mentzl

Použít vodu jako náplň do raketového pohonu se zdá stejně dobrý nápad jako pokusit se dýchat oxidOxid – dříve označovaný jako kysličník, je sloučenina kyslíku s méně elektronegativními prvky. Oxidy vznikají oxidací (hořením) za přítomnosti kyslíku ze vzduchu nebo jiných přítomných chemických látek. uhličitý. Voda je kapalina bez oxidačních schopností a bez energie. Přesto po ní společnost Startup Momentus Space ze Silicon Valley sáhla a v nedávných dnech slavila první úspěchy. Dokázala se totiž přenést přes pověru, že pro létání kosmickým prostorem je třeba s sebou brát palivo nadupané energií. Té je ve vesmíru dost. To, co tam není, je pevný bod, od kterého by se mohla raketa odrazit, proto s sebou musí brát nějaké médium, kterého se za potlesku zákona akce a reakce zbaví.

Umělecká představa kosmického tahače. Zdroj: Golden.

Vodní plazma – plazma tvořené vodíkem a kyslíkem. Je využíváno v raketových motorech za teplot, při kterých již voda dávno nemůže existovat, protože je rozložena na základní prvky zbavené elektronů. Specifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda. 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. Mikrovlny – část spektra s vlnovou délkou od 0,4 mm do 15 cm (frekvencí od 2 GHz do 750 GHz). Hranice mezi infračervenou a mikrovlnnou oblastí, stejně tak jako hranice mezi mikrovlnnou a rádiovou oblastí, není přesně definována a různí autoři používají různé hodnoty. Mikrovlnným vlnovým délkám odpovídá velikost hmyzu. S mikrovlnami se v praxi setkáme při televizním vysílání, u polohovacího systému GPS nebo při ohřevu potravin v mikrovlnné troubě (vlnová délka 12.24 cm). Ve vesmíru září v mikrovlnné oblasti reliktní záření z období konce Velkého třesku (maximum má na vlnové délce 1 mm), plyn a prach v galaxiích, rodící se hvězdy a nejchladnější zákoutí hlubin vesmíru.

Může raketa létat na vodu?

Jestliže v pohonném médiu není energie, musíme ji nějak dodat zvenčí. Asi jako když děti vystřelují poloprázdné PET láhve. Dvě třetiny jejího objemu natlakují hustilkou, stlačený vzduch kapalinu vytlačí a zpětný ráz vynese improvizovanou raketu do výšky několika desítek metrů. Důmyslnější rakety nepoužívají jako hnací plyn vzduch, nýbrž páru. V minulém roce se Mike Hughes, v touze dokázat plochost Země, nechal vynést do více než půlkilometrové výšky raketou vlastní konstrukce. Její motor využíval právě zmíněného principu.

Nevýhodou takových raket je nutnost tlustostěnné nádrže schopné odolávat tlakům páry, která se chce uvolnit z vody zahřáté na zhruba 200 °C. Zato odpadají všechna další důmyslná zařízení nezbytná u klasických raket. Voda je vytlačována do výtokové trubice, kde se začne okamžitě vypařovat a tryskat ven. Protože se trubice rozšiřuje, tlak klesá a přehřátá voda se vypařuje stále překotněji. Výsledkem je intenzivní proud těžkých par schopných udělit raketě mocný impuls. Přesto lze, v porovnání s chemickými palivy, považovat tento způsob dopravy na orbitu za neúčinný a vlastně nereálný.

Století páry opět na scéně

Jinak je tomu v kosmickém prostoru. Zde je třeba zohledňovat i další faktory. Pohon malých korekčních motorků chemickým palivem naráží na konstrukční problémy. Miniaturní čerpadla, spalovací komora, potíže s uskladňováním oxidačního činidla a mnohé další komplikace se obchází motorky na stlačený plyn. Jednoduchá konstrukce, energie stlačeného plynu však není velká a životnost motorků je tím omezená. Tam kde to vadí, sahají konstruktéři po jen o trochu složitějším řešení. V nádržce není plyn, ale voda, která je zahřívána nad bod varu. Není samozřejmě nutné zahřívat všechnu vodu v rezervoáru a komplikovat si život nároky na pevnost nádrže. Stačí ji zahřívat až těsně před tryskou. K tomu se dobře hodí i obyčejná topná spirála napájená například ze slunečních baterií. Již ze samotného principu vysvítá další výhoda – takový motor nemůže explodovat. Energie, která je v jednom okamžiku přítomna v systému, by na něco takového nestačila.

Nenáročnost technologie a malé výkony posunují parní motorky do role korekčních zařízení nebo pohonů velmi malých satelitů jako jsou třeba stále žádanější CubeSatyNanosatelity – satelity s hmotností kolem 1 kg a rozměry přibližně 10 cm. Jsou často vynášeny do vesmíru ve větším množství, jako tomu je například při některých startech nosných raket Vega, Atlas V nebo Falcon 9. Do jejich vyřazení roku 2018 byly k těmto misím využívány i rakety Delta II. Nejznámější projekt týkající se nanosatelitů je CubeSat, kde mají nanosatelity tvar krychliček o hraně 10 cm.. Mise OCSD (Operations and Data Transmission Optical Communications and Sensor Demonstration) úspěšně využila tohoto principu pro oddálení dvou CubeSatů. Poslání mise je přitom někde jinde. Mimo jiné pootevírá vrátka pro dlouho zamýšlené programy založené na kolektivním chování mikrosatelitů. Spolehlivý autonomní pohon je samozřejmě podmínkou, a ten byl při misi úspěšně otestován.

Sonda El Camino Real se skládá ze šestnácti jednotek CubeSatů. Zdroj: Momentus.

Nejdále ve vodních raketových pohonech postoupila, v úvodu zmíněná, společnost Momentus se svým nedávno otestovaným kosmickým transportérem Vigoride. Ten by měl sloužit jako vesmírný tahač pro malé družice. Budoucím zákazníkům slibuje přesun jejich družic na libovolnou orbitu a stažení zpět do atmosféry. Za tímto účelem si Momentus nechal společností AstroDigital zkonstruovat družici El Camino Real a od 5. července 2019, kdy byla umístěna na oběžné dráze, testuje manévrování pomocí motoru využívajícím médium nazývané vodní plazmaVodní plazma – plazma tvořené vodíkem a kyslíkem. Je využíváno v raketových motorech za teplot, při kterých již voda dávno nemůže existovat, protože je rozložena na základní prvky zbavené elektronů.. Vodní plazma je, striktně chápáno, povážlivé slovní spojení, nicméně je to dobré obchodní označení intuitivně vysvětlující, oč asi jde.

Když už voda není vodou

Na rozdíl od běžně využívaných parních raket je voda v motorech společnosti Momentus ohřívána mikrovlnamiMikrovlny – část spektra s vlnovou délkou od 0,4 mm do 15 cm (frekvencí od 2 GHz do 750 GHz). Hranice mezi infračervenou a mikrovlnnou oblastí, stejně tak jako hranice mezi mikrovlnnou a rádiovou oblastí, není přesně definována a různí autoři používají různé hodnoty. Mikrovlnným vlnovým délkám odpovídá velikost hmyzu. S mikrovlnami se v praxi setkáme při televizním vysílání, u polohovacího systému GPS nebo při ohřevu potravin v mikrovlnné troubě (vlnová délka 12.24 cm). Ve vesmíru září v mikrovlnné oblasti reliktní záření z období konce Velkého třesku (maximum má na vlnové délce 1 mm), plyn a prach v galaxiích, rodící se hvězdy a nejchladnější zákoutí hlubin vesmíru.. Použitá frekvenceFrekvence – značíme f, počet opakování sledovaného děje za časovou jednotku. V SI měříme frekvenci v  hertzích (Hz, počet dějů za sekundu). Lze ji vypočítat jako převrácenou hodnotu periody děje: f = 1/T. Často se používá také úhlová frekvence, kterou značíme ω. Jde o časovou změnu fáze vlnění. Pro obě frekvence platí převodní vztah ω = 2πf. 10 GHz (což je asi čtyřikrát více než v kuchyňských mikrovlnných troubách) dokáže rozehřát vodní páru na teploty, při kterých se voda nejen rozkládá na 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 kyslíkKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O₂ se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O₃. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru., ale ty dokonce ztrácí své 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.. Proto (nebo přesto) je řeč o vodním plazmatu, ačkoli voda jako chemická látka tu již dávno neexistuje. Mikrovlnný ohřev je výhodný z mnoha důvodů, nejdůležitější je asi minimalizace nároků na materiály. Nejen, že by tak vysoké teploty nevydržely případné topné spirály či elektrody, ale vypařily by se i stěny rezonanční komory. Díky vlnové povaze přenosu energie lze však plazmaPlazma – 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. ohřívat pouze v ose komory. Zde se volné elektrony rozkmitají tak, že mají teplotu 15 až 20 tisíc stupňů Celsia, což vede k ohřevu plazmatu na několik tisíc stupňů Celsia. Směrem od osy komory teplota rychle klesá, takže se její stěny v žáru nerozpustí. Tento princip nazývají MET (Microwave ElectroThermal).

Rezonanční dutina a mikrovlnný přenos energie umožňuje ohřev média v ose komory. Důmyslně vedený vír přitékající vodní páry dostatečně izoluje její stěny, takže je žár neponičí. Zdroj: Golden.

Zkoušky v kosmickém prostoru zatím dopadají na výbornou. V rámci pokusů nechali vodu v systému zamrznout a po rozmražení motor opět naběhl v normálním režimu. Ani ostatní testy mezních situací neukázaly výrazné nedostatky, natož principiální vady. Společnost se nyní věnuje vyhodnocování dat a porovnáváním s hodnotami, které nashromáždili při pozemních testech.

Zaměstnanci společnosti Momentus se satelitem El Camino Real. Zdroj: Momentus.

Podivný název pro sondu

El Camino Real je téměř 1 000 km dlouhá silnice spojující San Francisko se San Diegem. Založena byla již koncem sedmnáctého století španělskými misionáři. Název se běžně překládá jako Královská cesta, což by mohlo evokovat duchovní spřízněnost s čínskými názvy velkých projektů. Právě odtud jsme zvyklí na slovní spojení jako třeba Dlouhý pochod (čínská nosná raketa). Nemusíme však až do Číny, španělština nabízí i jiný výklad. El Camino Real může také znamenat Skutečná, nebo zde ještě lépe Možná cesta. Touto slovní hříčkou autoři patrně chtějí nejen vyjádřit vznešenost myšlenky, ale zároveň naznačují, kudy by se mohlo či snad dokonce mělo ubírat dobývání Sluneční soustavy. Předpoklady proto tu jistě jsou. Vody je ve Sluneční soustavě dost, energie také. Půjdou-li po královské cestě novodobí conquistadoři i tentokrát, uvidíme jistě v nejbližších letech.

Animace mise Fervoride připravovaná na rok 2021. Zdroj: Momentus.

Odkazy