Obsah > Aktuality > Články > KNP2003 > Amaterská sluneční plachetnice?

Amatérská sluneční plachetnice?

Sluneční plachetnice je umělé kosmické těleso s velkou a lehkou zrcadlovou plochou (plachtou), využívající ke svému pohonu tlaku slunečního záření (odrazem od zrcadlové plochy).

Proč se zabývat slunečním plachtěním ?

Sluneční plachetnice u Marsu (kresba)Klasické chemické raketové motory pro kosmonautiku jsou technologicky náročné a spolu s palivem i těžké. Velkou část hmotnosti družic a sond tak tvoří pohonný systém. Přesto je zásoba dodatečné rychlosti umělých kosmických těles relativně malá (obvykle v řádu stovek metrů za sekundu) a značně omezuje možnosti manévrování a přeletů v kosmu.

Rádi bychom dosáhli vyšších přeletových rychlostí, nebo bychom chtěli do cílové oblasti dopravit těžší užitečný náklad. Ve volném kosmu ale nejsou žádné přímo využitelné suroviny. Je tam jen vakuum a záření. Nejsilnější je záření přicházející ze Slunce - světlo ve formě fotonů a proud částic nazývaný sluneční vítr.

Myšlenka sluneční plachetnice vychází ze snahy využít k pohonu přímo slunečního záření bez potřeby dodatečné pohonné látky.

Teorie slunečního plachtění

Sluneční plachetnice ve tvaru rotujícího diskuPokud do proudu slunečního záření umístíme zrcadlovou překážku, bude se od ní záření odrážet a část své energie přímo přenése na překážku ve formě slabého, ale stáleho tlaku. Sluneční plachetnice tedy může být zkonstruována jako velká, rovná, lehká a dobře odrazivá plocha (plachta).

Z fyzikálních zákonů plyne, že maximální tlak slunečního (fotonového) záření p na 1 m2 dokonale odrazivé plochy je dán vztahem p = 2.N/c, kde c je rychlost světla a N je tzv. sluneční konstanta, což je okamžitá hodnota dopadající světelné energie. Velikost N závisí na vzdálenosti od Slunce a na úrovni Země má hodnotu NZ = W = 1328 W/m2. Její hodnota klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce (NR = W/R2, kde R je vzdálenost od Slunce v Astronomických jednotkách [AU]). Hodnota tlaku slunečního záření v oblasti Země je tedy p = 2 . 1328 W/m2/(300 000 000 m/s) = 8,85x10-6 Pa. Řádově je to tedy jen cca 0,00001 Pa (stotisícina Pascalu).

Působení slunečního větru, tj. nabitých částic, vyletujících ze Slunce rychlostí řádově v = 450 km/s je slabší. Při počtu asi 6 částic slunečního větru v 1cm3 v okolí Země je dynamický tlak, způsobený těmito částicemi asi 2 nPa, což je téměř desettisíckrát méně, než tlak slunečního záření. U klasických slunečních plachetnic lze tedy tlak slunečního větru zanedbat a počítat jen s tlakem fotonů (světla).

Princip manévrování sluneční plachetniceVelikost síly F, působící kolmo na plachtu s dokonale odrazivým povrchem je dána vztahem F = 2.(W/c).S.cos2Ø/R2, kde S je celková plocha plachty a Ø je úhel dopadu světla na plachtu, měřený od kolmice k plachtě. Vhodným natočením plachty je tedy možno řídit jak velikost, tak i směr působení tahu a tím manévrovat. Lze dokázat, že s plachetnicí je možno letět jak směrem od Slunce (zvyšovat heliocentrickou dráhu směrem k vnějším planetám), tak i směrem ke Slunci (snižovat heliocentrickou dráhu směrem k vnitřním planetám). Manévrující plachetnici je možno využít i ke změnám oběžné dráhy kolem Země s perigeem nad 1000 km (níže už je odpor zbytkové atmosféry vyšší, než tlak slunečního záření).

Z dřívějších analýz efektivnosti sluneční plachetnice však plyne, že je třeba, aby bylo dosaženo zrychlení alespoň 1 mm/s2. Pro zrychlení 1 mm/s2 je doba letu plachetnice z oběžné dráhy Země na oběžnou dráhu Marsu srovnatelná s dobou letu klasické sondy po Hohmanově elipse. Pro zrychlení nad 1 mm/s2 efektivnost sluneční plachetnice rychle roste. Např. při dosažení zrychlení 5,92 mm/s2 se může plachetnice pohybovat již po přímkové dráze.

Dosáhnout dostatečně velkých hodnot zrychlení není ovšem jednoduché. Protože tlak slunečního záření je velmi malý, musí být sluneční plachetnice značně velká a přitom mimořádně lehká. Nezáleží vlastně na absolutní velikosti plachetnice, ale na poměru celkové plochy S a celkové hmotnosti m plachetnice (včetně užitečného nákladu). Tento poměr můžeme nazývat konstrukční číslo k = S/m [m2/kg], protože vyjadřuje kvalitu konstrukce plachetnice.

Abychom dosáhli zrychlení 1 mm/s2, musí být hodnota konstrukčního čísla k zhruba na úrovni 100 m2/kg. Plyne to ze vztahu pro maximální tah F = 2.(N/c).S a zrychlení a = F/m (k = S/m = a/(2.N/c), tedy zhruba 0,001/0,00001 = 100 m2/kg).

Pro těžší náklady v řádu desítek tun pak ovšem vychází potřebná velikost plachty v řádu km2, což je už opravdu těžko představitelná rozměrná konstrukce.

Na závěr teoretického rozboru je třeba konstatovat, že sluneční plachetnice jsou při splnění základních parametrů vhodné jen pro určité typy kosmických misí. Jejich použitelnost je omezena na vysoké oběžné dráhy kolem Země a na meziplanetární dráhy. Hodí se spíš pro nesení menších (lehčích) nákladů tam, kde potřebujeme dosáhnout relativně velkých hodnot delta v za nízkou cenu a nevadí nám dlouhá doba zrychlování.

Jako příklad vhodných misí lze uvést dopravu mezi geostacionární drahou a středně vysokými drahami, nebo naopak k Měsíci. Další možností jsou lehké a levné sondy k planetám nebo meším tělesům Sluneční soustavy. Teoreticky je v silách sluneční plachetnice dosáhnout při cestě ze Sluneční soustavy konečnou rychlost v řádu stovek km/s a uskutečnit tedy i průzkum vzdálených oblastí Sluneční soustavy a snad i mezihvězný let.

Konstrukce sluneční plachetnice

Schéma vypuštění plachetnice Cosmos 1Z výše uvedených skutečností plynou tři hlavní problémy praktické konstrukce sluneční plachetnice:

  1. nejprve je třeba původně složenou plachtu po vypuštění rozvinout, napnout a udržovat ji v napnutém stavu;
  2. dále je třeba s plachetnicí vhodně a účinně manévrovat, aby se pohybovala ve zvoleném směru;
  3. to vše je třeba zajistit s co nejmenší hmotností (nejlepším poměrem plocha plachty / hmotnost plachetnice)

Jako základní materiál pro plachtu lze použít tenkou pokovenou fólii, která dobře odráží světlo, dá se složit do malého objemu a je lehká. Například komerčně běžně dostupná pokovená fólie s obchodním názvem Mylar odráží cca 98% světla a má hmotnost cca 6 g/m2 (její čisté konstrukční číslo k je tedy cca 166). Používá se jako lehká zrcadlová plocha v hydroponii, nebo jako potahový materiál pro ultralehké pokojové modely letadel.

Lze předpokládat, že časem by mohla být vyvinuta ještě lehčí fólie (při zachování dostatečné pevnosti), takže problémem zůstává, jak udržet rozměrnou plochu plachty v napnutém stavu a jak s ní manévrovat, aniž by to příliš zvýšilo hmotnost konstrukce.

Na řešení těchto problémů byly navrženy dvě základní konstrukční koncepce slunečních plachetnic.

  1. Nerotující tříose stabilizované plachetnice s lehkými "stěžni" nesoucími plnou plachtu (například čtvercovou)

    Klasická vyztužená sluneční plachetniceStěžně musí v tomto případě udržovat plachtu v napnutém (mírně předpjatém) stavu a navíc musí tah plachty přenést na užitečné zatížení plachetnice. Zatímco napínání plachty namáhá stěžně v podélném směru (tlaku), tak tah plachty namáhá stěžně v příčném směru a snaží se je zlomit. Proto se do konstrukce nerotujících plachetnic přidávájí další nosníky a tenká lanka, která slouží pro zpevnění v příčném směru.

    Nerotující plachetnice se obvykle navrhují jako čtvercové (se čtyřmi hlavními stěžni), ale je možné je stavět i trojúhelníkové (se třemi stěžni), nebo víceúhelníkové (s více stěžni).

    Výhodou nerotující koncepce plachetnice je relativně snadné a hlavně neomezené manévrování. Celou plochu plachetnice je možno v prostoru libovolně natáčet (například reaktivními motorky a gyroskopy), je možno měnit těžiště plachetnice a nebo lze podle potřeby sklápět a otáčet stěžně i s částí plachty.

    Nevýhodou vyztužených plachetnic je především vyšší hmotnost výztuhy (stěžňů a lanoví) a také poněkud obtížnější prvotní rozložení plachty po startu (i stěžně musí při startu zabírat minimální prostor a lanoví se nesmí zamotat).

  2. Rotující plachetnice ve tvaru tenkých dlouhých pásů, nebo plného disku

    HeliogyroV tomto případě je materiál plachty napínán vlastní hmotností díky odstředivé síle, vznikající při rotaci celé plachetnice.

    Protože materiál plachty (fólie) je velmi jemný, vyztužuje se obvykle tenkými pásky pevnějšího materiálu, aby se tah přenášel na užitečné zatížení bez poškození plachty.

    Rotující plachetnice se navrhují buď ve tvaru několika (nejméně dvou) dlouhých tenkých pásů fólie (tzv. heliogyro), nebo ve tvaru rotujícího plného disku (např. ruský experiment Znamja).

    Výhodou rotujících verzí plachetnic je velmi nízká hmotnost konstrukce, takže by měly mít vyšší výkon (zrychlení). Další výhodou je i poměrně jednoduché a spolehlivé rozvinutí po startu. Je třeba jen uvést plachetnici do rotace a uvolnit plachty.

    Nevýhodou rotujících plachetnic je obecně obtížnější manévrování, protože rotační osu lze měnit jen těžko (je to energeticky náročné) a natáčení jednotlivých listů plachty zase naráží na absenci výztuže (listy mají tendenci se zkroutit).

Pro pořádek je třeba dodat že existuje ještě řada dalších koncepcí. Teoreticky je možno plachtu udržovat v rozvinutém a napnutém stavu elektrostaticky (po nabití vysokým elektrickým nábojem), nebo přímo nadouváním tlakem slunečního záření (obdoba padáku). Tyto a další koncepce jsou zatím málo prozkoumány a není jisté zda teoretické principy půjde převést do použitelných konstrukcí. Musíme počkat, co přinese další vývoj.

Výběr vhodné koncepce pro praktickou realizaci vůbec není jednoduchý, protože letové vlastnosti plachetnice jsou dány jak jejím konstrukčním číslem (a odpovídajícím maximálním zrychlením), tak i manévrovatelností a celkovou spolehlivostí. Rozhodně by bylo vhodné jednotlivé koncepce a konstrukční přístupy porovnat při praktických experimentech v kosmu. To se však zatím nestalo.

Proč je sluneční plachetnice zajímavá i pro amatéry ?

Plachetnice Cosmos 1 Planetary SocietyKonstrukce sluneční plachetnice je v principu jednoduchá, levná a bezpečná (nevybuchující, netoxická). Proto se dobře hodí jako pohonný systém amatérsky konstruovaných družic a kosmických sond. Budoucí pokračující miniaturizace a nanotechnologie umožní stavbu velmi malých, lehkých, ale přitom výkonných a užitečných umělých kosmických těles, pro které budou stačit i relativně malé plochy plachet. Praktická kosmonautika by se tak mohla stát finančně a technologicky zvládnutelná i pro malé amatérské skupiny nebo i jednotlivce.

V současné době vidím ale příležitost pro amatéry ještě někde jinde. O sluneční plachetnici se teoreticky mluví už desetiletí. Několikrát už byla i docela blízko k praktické realizaci, ale zatím z toho vždy sešlo. Myslím, že by bylo vhodné ověřit v praxi teoretické předpoklady o vlastnostech sluneční plachetnice a vyzkoušet co nejvíce možných koncepcí a konstrukčních řešení. K tomu jsou nejvhodnější co nejmenší, nejjednodušší a nejlevnější zařízení. Profesionální firmy nemají žádný zájem taková zařízení konstruovat a stavět, protože se na tom prostě nedá vydělat. Proto je to vhodná akce pro amatéry. Protože to je navíc i technologicky a finančně přijatelné, tak je to vhodné i pro amatéry v ČR.

Primárně by šlo o ověření samotného principu a reálných dynamických vlastností plachetnice. Není třeba mít na plachetnici nějaké vědecké přístroje, ale samozřejmě, že tam mohou být, protože při troše štěstí se i s malou plachetnicí dá doletět až k Měsíci, nebo dokonce k Marsu.

Je ale asi třeba, aby se k tomu vyskytla vhodná příležitost. Takovou příležitostí by byla možnost nechat vynést plachetnici do kosmu (nejlépe na dráhu přechodovou ke geostacionární - GTO) zdarma, jako neplacený přívažek u nějaké větší komerční družice. Pak už by ke stavbě mělo stačit méně než 50000,- Kč (max. 100000,- Kč) a méně než 3 měsíce času (max. 6 měsíců).

Konstrukce by musela být co nejjednodušší a nejlevnější:
- plachta z komerčně dostupné tenké pokovená fólie (Mylar) max. 100 m2 (cena do 10000,- Kč)
- pro komunikaci standardní malý radioamatérský transceiver (cena do 10000,- Kč)
- pro napájení komerční fotovoltaické články (10 W) a akumulátory (cena do 5000,- Kč)
- podle potřeby řídicí elektronika na základě jednočipového PC (cena do 10000,- Kč)
- pro manévrování ostatní mechanické a elektrické části konstrukce (cena do 10000,- Kč)
- speciálním experimentálním vybavením by mohl být miniaturní komerční digitální fotoaparát (cena do 5000,- Kč)
- cenu za práci amatérů do nákladů nezahrnuji

Parametry plachetnice by přitom nemusely být špatné. Plocha až 100 m2 a hmotnost přitom možná jen 2 kg, což by byl docela solidní poměr 50/1 (plocha/hmotnost). S plachetnicí s tímto poměrem by bylo možno poletovat po Sluneční soustavě docela dobře (nejen k Měsíci, ale třeba i k Marsu).

Kromě samotného principu slunečního plachtění by tímto přístupem mohla být ověřena i možnost využití komerčně dostupných a levných zařízení v praktické kosmonautice. Mohl by se tím otevřít prostor pro širší využití a rozvoj kosmonautiky (za stejné peníze více "muziky").

Je to jedna z mála šancí, jak mohou amatéři přispět k celosvětovému poznání.


Informační zdroje (odkazy do Internetu):
Solar Sail Technology Development (JPL) - základy slunečního plachtění i konstrukce plachetnic
Space Sailing - vše o slunečním plachtění od Jerome L. Wrighta (General Astronautics)
Solar Sails (U3P) - stránky francouzských propagátorů slunečního plachtění
Solar Sails (CALTECH) - základy slunečního plachtění od Benjamina Diedricha
DLR - Solar Sail Homepage - německé stránky o slunečních plachetnicích
Cosmos 1: The first Solar Sail - stránky projektu Planetary Society a Cosmos Studios
Commercial Solar Sailing (Interworld Transport) - pokus o komerční využití slunečních plachetnic
The Microlight Solar Sail (UK SEDS) - starší projekt sluneční mikroplachetnice
Aktualizováno: 05.06.2003

[ Obsah | Novinky v kosmonautice | Články | KOSMOS-NEWS PARTY 2003 | Doprovodná PPT prezentace (620 KB) ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.