Princip funkce a konstrukce slunečních plachetnic – tlak slunečního záření

Sluneční plachetnice jsou kosmické lodi vybavené velkou orientovatelnou plochou např. ve formě plachty, schopnou odrážet dopadající sluneční záření do zvoleného směru. Díky tlaku slunečního záření, působícímu zprostředkovaně prostřednictvím této plachty je pak kosmické těleso urychlováno ve směru normály k plachtě. Základní principy fyziky sluneční plachetnice lze nalézt v [1, 2].

Tlak slunečního záření souvisí s vyzařovacím výkonem Slunce. Ve vzdálenosti Země od Slunce má dopadající světelná energie hodnotu N=1328 W/m². Konstanta N⁽¹⁾ se nazývá sluneční (solární) konstantou. Tlak slunečního záření p na 1 m² je tedy dán vztahem⁽¹⁾ p = N/c = 1328 J/(s.m²)/(300 000 000 m/s) = 4,43x10^-6 Pa. Hodnota tlaku slunečního záření však klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce. To si lze snadno uvědomit za předpokladu, že celkový výkon P_o světelného záření, vyzařovaný Sluncem do okolí je konstantní. Tuto konstantu P_o pak vydělíme plochou sféry o poloměru R, tj. P_o/(4) a dostaneme tak hodnotu výkonu slunečního záření, dopadajícího na jednotku plochy ve vzdálenosti R od Slunce. Je tedy vidět, že se zvětšující se vzdáleností R od Slunce klesá velikost tlaku slunečního záření se čtvercem vzdálenosti R, tj. jako R^-2. S tímto faktem je nutné při určování dráhy sluneční plachetnice a při jejím manévrování počítat. Je zřejmé, že největší účinnost mají plachetnice s dokonale odrazivým povrchem a dostatečně tuhé, aby se neměnil jejich úhel odrazu podél jejich plochy. Nadto je třeba, aby měly plachetnice dostatečnou plochu, neboť s velikostí plochy plachty roste i celkový tlak slunečního záření, urychlující plachetnici.

Odrazivost, velikost a tuhost materiálu plachty jsou konstrukční požadavky, které se nemusí podařit splnit současně, nehledě i k nákladům na výrobu takové plachty. Podle toho, jak dokonale dochází k odrazu slunečního záření od materiálu plachty lze rozlišit tři hlavní fyzikální mechanizmy:

1. Buď se sluneční záření v materiálu plachty dokonale absorbuje - pak tlak slunečního záření působí pouze ve směru dopadajícího záření, plachta nemá možnosti příliš manévrovat v prostoru, nakláněním jen zmenšuje sílu působícího záření.
2. Nejúčinnější je plachta s dokonale odrazivým povrchem, umožňující i manévrování. V tomto případě je velikost síly F, působící kolmo na plachtu s dokonale odrazivým povrchem, dána vztahem [2,3]:

,

kde S je celková plocha plachty a je úhel dopadu světla na plachtu, měřený od kolmice k plachtě. Sluneční záření se odráží pod stejným úhlem , pod kterým dopadá a tak podle zákona akce a reakce změna impulsu, neseného dopadajícím zářením, míří ve směru normály k zrcadlové ploše.

Kromě tlaku slunečního záření působí na plachetnici i gravitační síly. Při letu od Slunce se plachta se natáčí pod takovým úhlem, aby síla F byla maximální ve směru požadovaného letu a působila proti gravitační síle. S plachetnicí lze ovšem letět i ke Slunci. Například při letu plachetnice ze zemské dráhy na dráhu k planetě Venuši je třeba nejprve natáčet plachtu tak, aby síla tlaku záření kompenzovala částečně rychlost plachetnice, rovné přibližně oběžné rychlosti Země vůči Slunci. Tím se snižuje rychlost plachetnice vůči Slunci a plachetnice se začne pohybovat po přechodové dráze, přibližující ji k dráze Venuše.

3. Méně efektivní je plachta s materiálem odrážejícím světlo všemi směry. Umožňuje totéž, co plachta s dokonale odrazivým povrchem, ale s nižší účinností.

Ve výše uvedených úvahách jsme neuvažovali vliv slunečního větru (tj. proudu nabitých částic, vyletujících ze Slunce) na plachetnici. Odhady však ukazují, že tlak slunečního větru je asi tisíckrát menší, než tlak slunečního záření a tak jej při uvažovaných plochách slunečních plachetnic, řádově do 2000 m², můžeme zanedbat [1].

Přes jednoduchost konceptu sluneční plachetnice⁽³⁾ je však třeba řešit dva základní problémy:

A) nejprve jde o to, jakým způsobem původně složenou plachtu po vypuštění rozvinout a napnout;

B) jak nejvhodněji a nejúčinněji s plachetnicí manévrovat, aby se pohybovala ve zvoleném směru. Přitom je třeba vzít v úvahu, že tlak slunečního záření působí stále a nadto se jeho velikost mění jak se vzdáleností od Slunce tak závisí i na úhlu dopadu světla na plachtu .

Analýza efektivnosti sluneční plachetnice jako meziplanetárního dopravního prostředku ukazuje (viz [3]), že je nutné, aby dosáhla zrychlení vyšší než 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.

Existence tlaku slunečního záření byla poprvé naznačena astronomem Johannem Keplerem v roce 1619. Kepler se tehdy pokusil vysvětlit skutečnost, proč je ohon komety při jejím průletu kolem Slunce obvykle orientován od Slunce. Správně odhadl, že světelné záření působí na prachové kometární částice určitým tlakem. Teoretické vysvětlení tohoto efektu však bylo podáno až v rámci Maxwellovy elektromagnetické teorie v roce 1873. Z Maxwellovy teorie vyplývá, že libovolný typ záření působí na libovolné pohlcující či odrážející těleso, na které dopadá, určitým tlakem⁽²⁾. V případě slunečního záření je tento tlak sice velice malý, ale je k dispozici neustále.

S využitím slunečního záření při meziplanetárních letech se začalo spekulovat nejprve ve vědeckofantastických románech. V roce 1889 dva francouzští spisovatelé Faure a Graffigny vypráví ve své knize ”Neuvěřitelná dobrodružství ruského vědce na planetách” o letu mezi Měsícem a Venuší na kosmické lodi tvořené velkým zrcadlem s kosmickou lodí v jeho středu.

Realističtější návrh využití slunečního záření, či fotonového pohonu, navrhli v roce 1924 ruští vědci Ciolkovskij a Canděr, kteří si též uvědomili, že bude nezbytné nejprve kosmickou loď se sluneční plachtou dopravit do volného prostoru dříve, než bude možné zahájit let pod vlivem slunečního záření. Koncem 20tých let rozvíjí H. Oberth koncepci ”kosmického zrcadla” [3]. Zrcadlo o průměru kolem 100 km mělo přispět k částečnému roztátí ledů v severním ledovém oceánu, čímž by se tam usnadnila mořeplavba.

V 50tých letech se objevovaly různé vědeckofantastické povídky, využívající fotonových pohonů. V USA se poprvé objevila zmínka o kosmickém pohonu s využitím myšlenky sluneční plachetnice v článku C. A. Wileye (který psal pod pseudonymem Russell Saunders) ”Clipper Ships of Space”, který vyšel v Astounding Science Fiction Magazine v roce 1951. Termín ”sluneční plachetnice” se však objevil poprvé v práci amerického inženýra R. L. Garwina ve studii, publikované v ”Jet Propulsion” z března 1958. V roce 1964 publikoval známý anglický spisovatel A.C. Clark povídku ”The Wind from the Sun”, kde popisuje závod několika slunečních plachetnic mezi Zemí a Měsícem. Každá z plachetnic měla plochu několika čtverečních kilometrů a dvoučlennou posádku. O sluneční plachetnici hovoří i P. Boulle ve svém románu ”Planeta opic” (ze scénáře známého stejnojmenného filmu však byla scéna se sluneční plachetnicí vypuštěna).

Během 60tých a 70tých let se úvahy kolem realizace slunečních plachetnic pohybovaly na úrovni předběžných projektů. NASA v 70tých letech uvažovala o konstrukci kosmické sondy, poháněné sluneční plachetnicí, k výzkumu Halleyovy komety v roce 1986 (NASA News 77-39). Nedostatek finančních prostředků však způsobil, že NASA v roce 1977 tento projekt opustila. Při letu sondy Mariner 4 vypuštěné v roce 1965 k Marsu se využilo tlaku slunečního záření ke stabilizaci sondy. Sonda měla na koncích panelů se slunečními články natáčecí pohliníkované lopatky, schopné odrážet sluneční světlo. Moment, způsobený tlakem slunečního záření, sondu orientoval (viz L+K 43 (1967) č.6, s. 224). I později se na některých družicích objevila sluneční plachta sloužící např. k vyrovnání vlivu momentu tlaku slunečního záření na části konstrukce družice. Jde např. o sérii družic Insat 2 (objekty 1992-041A, 1993-048B, 1995-067B, 1997-027B a 1999-016A), které mají jen jeden panel se slunečními články. Vliv slunečního tlaku na tento panel je kompenzován sluneční plachtou o rozměrech 2x5 m², umístěnou na opačné straně družice. Podobně je konstruovaná i série družic GOES 8 až 11 (objekty 1994-022A, 1995-025A, 1997-019A a 2000-022A – viz Encyklopedii družic a kosmických těles SPACE 40 na adrese http://www.lib.cas.cz/knav/space.40/index.html).

Počátkem 80tých let byla myšlenka závodu slunečních plachetnic oživena skupinami nadšenců v Evropě i v USA. Ve Francii vzniká v roce 1981 skupina U3P⁽⁴⁾, kterou tvořili lidé, zaměstnaní většinou v organizacích CNES, ONERA či u firmy Matra Espace. V USA byla v roce 1979 založena skupina WSF (Word Space Foundation), spolupracující s JPL. Skupina U3P, která vznikla v roce 1981, začala připravovat svůj projekt sluneční plachetnice [4] a propagovat závod plachetnic nejprve k Marsu, který se měl uskutečnit v roce 1992 u příležitosti 500. výročí objevení Ameriky Kryštofem Kolumbem. V Japonsku vzniká v roce 1982 skupina SSUJ (Solar Sail Union of Japan) a také v Československu se v roce 1981 začíná studentská skupina LSG⁽⁵⁾ v pražském Planetáriu zabývat problematikou sluneční plachetnice.

Brzy se však ukázalo, že se závod slunečních plachetnic k Marsu v roce 1992 neuskuteční pro nedostatek zájmu a financí [5,6]. K opadnutí zájmu též přispěla válka v Perském zálivu v roce 1990. Proto se začalo uvažovat o jednodušším závodu slunečních plachetnic Země-Měsíc [7], nazývaném též Luna Cup, o jehož uskutečnění se uvažovalo v roce 1994.

Projekty, navrhované pro závod slunečních plachetnic Země-Měsíc, byly v podstatě tři.

Skupina U3P navrhovala nejprve plachetnici se třemi křídly, jejichž pomocí by bylo možné s plachtou manévrovat. Později tento projekt upravila na čtvercovou plachetnici s celkovou plochou 4000 m² o hmotnosti 250 kg. Plachta měla být napnuta na čtyřech diagonálních tyčích o délce 45 m. Tyče měly být z kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken spojených epoxydovou pryskyřicí. Materiál plachty měl být vyroben z mylarové fólie firmy Du Pont tloušťky 8 m m z obou stran pohliníkované, která odráží světlo s účinností 85-88%. Tato geometrie dává poměr plochy plachty k hmotnosti 16 m²/kg. Zrychlení v okolí Země mělo být 0,12 mm/s². Pro určování orientace sloužila dvě sluneční čidla na každé straně. Další důležitou otázkou je schopnost manévrování sluneční plachetnice. Proto se předpokládalo vybavení plachetnice osmi trojúhelníkovými klapkami na okrajích hlavní plachty, které by měly mít celkovou plochu 240 m². Hlavním užitečným zatížením měla být TV kamera pro pořízení snímků povrchu Měsíce.

Projekt japonské skupiny SSUJ prošel asi čtyřmi stádii. Pro měsíční závod se nakonec uvažovala konfigurace plachty o rozměru 30x30 m² s celkovou hmotností kolem 96 kg.

V té době měli s projektováním sluneční plachetnice největší zkušenosti zřejmě Američané, kde se koncepce sluneční plachetnice vyvíjely přibližně od roku 1975 nejprve v Laboratoři aplikované fyziky (APT) J. Hopkinse, v MIT a později i v WSF. Projekty, které byly studovány, postupně uvažovaly různé geometrie slunečních plachetnic od heliogyra, podobného větrnému mlýnu s osmi lopatkovými křídly, stabilizovaného rotací až ke kruhové plachtě. Pro závod k Měsíci byla vybrána koncepce tříose stabilizované čtvercové plachty o délce strany 55 m, tvořené mylarovou fólií o tloušťce 2,54 m m. Předpokládalo se, že jde o největší možnou plachtu, kterou by bylo možné napnout systémem výsuvných tyčí bez pomocných vodících drátů. K vysunování tyčí bylo třeba pomocného mechanizmu, který se po uvedení plachetnice na dráhu a jejího napnutí odhazoval. V centru plachty se počítalo s umístěním užitečného zatížení a TV kamery na 3 m dlouhém nosníku.

Co se týče vypuštění plachetnic, předpokládalo se, že by všechny tři plachetnice k závodu k Měsíci byly vypuštěny jako přídavné zatížení na raketě Ariane 4 v roce 1994. Plachetnice měly být složeny v adapteru Sylda určeném pro vypouštění dvou družic současně v prostoru vyhrazeném druhé družici. Vespod měla být složená plachetnice WSF spolu s apogeovým motorem FW-5 od společnosti Hughes a napínacím zařízením, na ní měla ležet japonská plachetnice skupiny SSUJ a kolem ní do kruhu stočená plachetnice francouzské skupiny U3P. Po vynesení na dráhu o výšce 250 – 36 000 km a po oddělení by bylo perigeum změněno motorickým manévrem apogeového motoru na výšku mezi 15 000 – 50 000 km. Pak by došlo k oddělení jednotlivých plachetnic a asi 2-3týdennímu zkušebnímu manévrování plachetnic v okolí Země (do výšky 50 000 km), aby se vyladily programy pro řízení plachetnic. Po zahájení závodu by každý z účastníků letěl po spirálové dráze (v důsledku stále působící síly slunečního tlaku) směrem k Měsíci. Vítězem se měla stát ta plachetnice, jejíž TV kamera by přinesla snímek, na kterém by byl vidět střed odvrácené strany Měsíce. Američané plánovali pokračování letu své plachetnice k Marsu. Ovšem ani tento program se nepodařilo uskutečnit.

V historii projektů slunečních plachetnic 80tých let má však i své místo návrh pražské skupiny LSG, který zde stručně připomeneme. Studentská skupina LSG soustředěná v pražském Planetáriu kolem ing. Marcela Grüna se věnovala koncepčním otázkám konstrukce sluneční plachetnice navrhované pro již zmiňovaný závod Země – Měsíc. Skupina ve svých studiích [8,9] nejprve diskutovala základní otázky funkce sluneční plachetnice a problematiku jejího manévrování v kosmickém prostoru. Na základě těchto úvah presentovala skupina návrh tzv. ”minimální sluneční plachetnice” (Minimum Solar Sail) se čtyřmi křídly spojenými v centrální konstrukci s ovládáním plachetnice a s užitečným zatížením. K rozvíjení plachty a jejímu napnutí na nosné tyče, vyrobené z kompozitů na bázi skelných vláken spojených epoxydovou pryskyřicí, se předpokládalo využití odstředivých sil. Mezi dalšími zajímavými nápady jak plachtu rozevřít bylo použití složených tyčí z uhlíkového kompozitu, které by po rozložení v kosmickém prostoru vlivem ultrafialového záření zpolymerovaly a tak se konstrukce zpevnila (o podobném mechanizmu zpevnění napnuté sluneční plachty uvažuje NASA i nyní. Plachta by byla pokrytá materiálem, který po vystavení ultrafialovému slunečnímu záření zpolymeruje a ztuhne, čímž je forma plachty zafixována). Uvažovalo se i rozložení konstrukce nafukováním pomocí plynu nebo použití materiálů s tvarovou pamětí, které by zaujaly žádaný tvar vlivem zahřátí slunečním zářením.Vlastní plachta měla být zhotovena z pohliníkované mylarové fólie o hustotě 6 g/m². Celková plocha plachty 500 m² a celková hmotnost plachetnice by vedla k poměru ~17 m²/kg. Celková síla, působící na plachetnici v okolí Země, je 2,2 mN. Ve svých studiích se pak skupina zabývá diskusí technických otázek, jako jsou různé varianty napínání plachty pomocí odstředivé síly či gravitačního gradientu u velkoplošných plachet nebo tlumení kmitů ramen s plachtami. Popsaný návrh sluneční plachetnice byl úspěšně prezentován na 12. studentské konferenci IAF, konané v rámci 33. mezinárodního astronautického kongresu IAF v Paříži v roce 1982, kde mu byla udělena první cena ve studentské (undergaduate) kategorii. Ovšem na realizaci tohoto projektu se v tehdejší době nenalezly ani prostředky ani možnosti.

Ruští kosmonauté během letů na orbitální stanici Mir se pokoušeli vypustit kruhové sluneční zrcadlo, které lze v jistém smyslu chápat jako jistého předchůdce sluneční plachetnice.

Ovšem zrcadlo je spíše jen určitým modelem plachetnice, neboť vzhledem k jeho ploše je působící tlak slunečního záření zanedbatelný. Jelikož cílem tohoto ruského programu je hlavně osvětlování noční zemské polokoule, patří zrcadlo spíše mezi velké konstrukce a nikoliv úplně mezi sluneční plachetnice, zmiňované v tomto příspěvku.

První pokus o vypuštění kruhového slunečního zrcadla Znamja o průměru 20 m se uskutečnil dne 4. 2. 1993. Zrcadlo bylo do té doby složené ve schránce na vnějšku dopravní kosmické lodi Progress M-15. Bylo vyrobené z pohliníkované kevlarové fólie o tloušťce 0,005 mm a bylo rozevřeno odstředivou silou. Po rozevření se zrcadlo Znamja oddělilo (objekt 1992-071C) od Progressu M-15 a byly s ním prováděny další technické experimenty, související se stavbou budoucích slunečních plachetnic (viz M. Grün: Přehled kosmonautiky v roce 1993, HaP Praha 1995, str. 67).

Další podobný pokus byl uskutečněn v roce 1999. Na dopravní lodi Progress M-40, vypuštěné 25. 10. 1998, bylo k Miru dopraveno sluneční zrcadlo Znamja-2,5 o průměru 30 m, složené na vnější straně dopravní lodi. To zůstalo složené až do konce letu Progressu M-40 v únoru 1999. Dne 4. 2. se Progress M-40 oddělil od stanice Mir a po oddálení od stanice mělo dojít k rozložení zrcadla. Nedopatřením došlo k současnému vyslání povelu k vyklopení antény setkávacího radaru a došlo ke kolizi zrcadla a antény. Zrcadlo se pak nepodařilo rozevřít a experiment byl nakonec ukončen uvedením Progressu M-40 do zemské atmosféry (popis experimentu lze nalézt v Encyklopedii družic a kosmických těles SPACE 40 na adrese http://www.lib.cas.cz/knav/space.40/index.html).

V průběhu let, co jsou projekty slunečních plachetnic nejrůznějších forem studovány, se objevila i množství nápadů, jak plachetnic použít jak při aplikacích tak při výzkumu kosmického prostoru. Některé z těchto nápadů jako příklady uvedeme. V první řadě by manévrování sluneční plachty mohlo pomoci udržovat družici v definované poloze, neboť by se tak daly eliminovat poruchy všeho druhu, které na družici působí. Bylo by tak možné vytvořit i geostacionární družici nad zemskými póly [2] nebo udržovat družici v libračním bodě L1 mezi Zemí a Sluncem, kde v současné době pracuje sonda SOHO. Slunečních plachetnic jako tahačů [9] by dále bylo možné použít i k čistění geostacionární dráhy od družic, které v průběhu činnosti selhaly a není možné je vlastním motorem z dráhy odstranit. DLR uvažuje o misích k asteroidům či k umístění družice na heliosynchronní dráhu kolem Merkura s využitím slunečních plachetnic (viz http://www.kp.dlr.de/solarsail/). Plachetnice by po vypuštění užitečných zatížení na oběžné dráhy kolem Země zajistily jejich další let k cíli a posléze i dlouhodobý let ve formaci s asteroidem.

Snad se tedy v budoucnosti dočkáme realizace některých ze zde zmíněných nápadů. Současné projekty jsou skromnější a mají za cíl ověřit, zda jsou technologické koncepce konstrukcí slunečních plachetnic skutečně funkční.

V roce 1997 dostal vývoj sluneční plachetnice další impuls, když organizace ESA podpořila program UNESCO, nazvaný Star of Tolerance [10]. Cílem tohoto projektu, navrženým N. Razavim z Paříže, je globální komunikace mezi národy v období počátku nového tisíciletí za účelem omezení válek a nastolení tolerance mezi národy. Jako symbol takové globální komunikace navrhuje N. Razavi vypuštění sluneční plachetnice o ploše 1600 m², kterou by mohli pouhým okem pozorovat všichni obyvatelé Země. Plachetnice by létala asi dva roky kolem Země a pak by zamířila dále do kosmického prostoru. Pro otestování celé koncepce takové plachetnice organizace ESA ve spolupráci s německou kosmickou agenturou DLR investovala do výroby jejího modelu na 1,5 mil. DEM. Model byl vyroben konsorciem High Performance Space Structures, tvořeným společnostmi Kayser-Threde GmbH z Mnichova a INVENT GmbH z Braunschweigu. Má rozměry 20x20 m² a je rozdělena do čtyř trojúhelníkových částí upevněných na čtyřech tyčích z uhlíkového kompozitu a polymeru. Každá tyč je tvořena dvěma pruhy kompozitního materiálu po stranách slepeného a bez vnějšího tlaku má válcový tvar. Tyč však lze stlačit do rovného pruhu a svinout do kontejneru. Po vypuštění v průběhu rozvíjení pruhů dochází k uvolnění tyčí a jejich vlastní elasticitou získají tyče svůj válcový tvar. Tyče mají hmotnost 101 g/m a tloušťka pohliníkované fólie plachty se mění od 0,004 do 0, 012 mm. Celou plachetnici lze složit do balíčku o rozměrech 60 cmx60 cmx80 cm a o hmotnosti kolem 40 kg. Při zkoušce 17. 12. 1999 byl testován systém rozevírání plachty. Beztížný stav byl simulován několika héliem naplněnými balóny, kompenzujícími váhu tyčí. Rozevírání plachty probíhalo ve dvou fázích: nejprve se vysunuly tyče rychlostí 1m/min, poté se na tyče začaly napínat čtyři segmenty plachty z centrálního kontejneru pomocí lanek. Celá procedura rozevírání a napínání sluneční plachty trvala 40 min. Vypuštění plachetnice na dráhu přechodovou ke geostacionární by bylo možné realizovat jako přídavné zatížení na raketě Ariane 5 nebo na nějaké ruské raketě za asi 1 mil. USD. Cílem experimentu, který by probíhal zatím na nízké oběžné dráze, bude testování mechanizmu rozevírání modelu plachetnice v kosmickém prostoru. Pokud by se experiment, plánovaný zatím na rok 2001, zdařil, přistoupilo by se k realizaci větší plachetnice v rámci programu Star of Tolerance. Model sluneční plachetnice byl veřejnosti předveden 6. 6. tohoto roku na Mezinárodní aerokosmické výstavě ILA 2000 v Berlíně. Detailněji je tento program popsán na internetové adrese http://www.kp.dlr.de/solarsail/ nebo http://www.staroftolerance.org/.

Pokud se připravované technologie sluneční plachetnice skutečně podaří ověřit v průběhu let 2001 – 2002, skupina U3P uvažuje o zorganizování a uskutečnění závodu slunečních plachetnic Země-Měsíc v období let 2004-2005.

Dosavadní koncepce slunečních plachetnic předpokládaly, že se k jejich pohybu pasivně využije dopadající sluneční světlo. Jinou možností je urychlování plachetnice vysíláním směrovaného koncentrovaného paprsku zářivé energie a to buď ve formě mikrovln nebo laserového paprsku [11,12]. Výhodou tohoto konceptu je možnost urychlení plachetnice na vyšší rychlost. Ovšem při silné koncentraci záření se začne projevovat i částečná absorpce energie záření materiálem plachetnice, který se začne zahřívat. Je tudíž nezbytné použít takový materiál, schopný vydržet i vyšší teploty. Takovým vhodným materiálem pro sluneční plachtu jsou uhlíková vlákna, schopná vydržet, zejména ve vakuu bez přítomnosti kyslíku, vysoké teploty a neztrácí přitom svou pevnost. Podle odhadů pracovníků oddělení mikrovlnné levitace a laserových experimentů JPL by laserové nebo mikrovlnné svazky, koncentrované na plochu plachetnice, by mohly být v činnosti řadu dní, dokud by se plachta nezahřála na 2000 K. Toto působení by mohlo urychlit plachetnici až do zrychlení 100 g, čímž by plachetnice mohla dosáhnout rychlosti až 0,1 c. Takou plachetnici by bylo možné vyslat k nejbližším hvězdám. Skromnější projekt předpokládá, že by se pomocí laseru o výkonu 46 GW, ozařujícím pozlacenou plachtu o průměru 50 m mohlo dopravit užitečné zatížení o hmotnosti 10 kg k Marsu za 10 dnů.

Při velkých rychlostech a velikosti plachty může mít na plachetnici vliv i koncentrace meziplanetárního prachu. O velikosti této prachové koncentrace může přinést informace sonda Stardust, která po určitou dobu svého letu sbírala vzorky tohoto prachu. Předpokládá se však, že sluneční vítr ”odvál” větší částice a tak výsledky Stardustu budou jen určitým odhadem o hustotě prachových částic v blízkém meziplanetárním prostoru.

Zatím předběžné experimenty s koncentrovaným svazkem mikrovln o výkonu 10 kW byly prováděny ve vakuové komoře JPL. Svazek byl koncentrován na model plachty z kompozitní  fólie na bázi uhlíkových vláken umístěné na kyvadle. Z pohybu kyvadla se soudilo na účinek tlaku mikrovlnného záření na plachtu. Podobné experimenty byly prováděny s laserovým svazkem v jiné vakuové komoře na Wright-Patterson AFB v Ohiu. Laserový svazek měl výkon od 7,9 do 13,9 kW. Plachty měly tloušťku asi 1mm a jsou schopné vydržet teploty do 3000 K (viz http://www.jpl.nasa.gov/releases/2000/lasersail.html). Materiál plachty je dostatečně tuhý a při dopadu mikrometeoritu se neroztrhá na cáry. O materiálech, navrhovaných pro výrobu sluneční plachty totiž ještě před 10 lety panovala obava, že je mikrometeority roztrhají na kousky.

Koncepce sluneční plachetnice, o které jsme doposud pojednávali, využívá k pohonu tlaku slunečního záření⁽⁶⁾, neboť působení slunečního větru, tj. nabitých částic, vyletujících ze Slunce rychlostí řádově v = 450 km/s bylo možné zanedbat. Skutečně při počtu asi 6 částic slunečního větru v 1cm³ v okolí Země je dynamický tlak, způsobený těmito částicemi asi 2 nPa⁽⁷⁾, což je skutečně asi tisíckrát méně, než tlak slunečního záření. Jelikož částice slunečního větru jsou nabité, působí prostřednictvím elektromagnetické interakce na magnetosféru Země a deformují ji, dokud se tlak částic a protitlak magnetosféry nevyrovnají. Podobně působí i elektromagnetické pole obklopující kosmickou loď. Dopadající částice slunečního větru jsou tímto polem odchylovány a předávají mu svůj impuls. To je základní idea tzv. mini-magnetosférického plazmového pohonu M2P2, který navrhl R. M. Winglee [13]. Ovšem běžná proudová smyčka generuje ve vakuu magnetické pole, které klesá se vzdáleností R od středu smyčky jako R^-3 [14]. Čili ve vzdálenosti asi 10 poloměrů proudové smyčky je intenzita magnetického pole zanedbatelně malá a tudíž vliv tlaku částic je nevýznamný. Ovšem vstříknutí ionizovaného plynu (plazmatu) do tohoto magnetického pole vytváří určitou lokální magnetosféru schopnou rozprostřít magnetické do větších vzdáleností. Např. pole o intenzitě 150 G stačí k tomu, aby lokální magnetosféra v okolí kosmické lodi zaplnila objem o poloměru 15 – 20 km. Takový objem má efektivní plochu , tj. odpovídající síla slunečního větru urychlující kosmickou loď je přibližně 1,4-2,5 N. Ve srovnání se slunečními plachetnicemi předchozích části je toto již značná síla. Řádově stejná síla by působila na plachetnici o ekvivalentní ploše 10⁶ m². To je značná plocha plachty, jejíž realizace by vedla k řadě technických problémů.

R. M. Winglee dostal nápad s roztažením magnetického pole do většího objemu zavedením ionizovaného plynu do tohoto pole při studiu slunečních protuberancí. Ve slunečních protuberancích jsou magnetická pole také unášena plazmatem do obrovských vzdáleností od povrchu Slunce.

Wingleeho kosmický pohonný systém M2P2 by tedy měl principiálně dvě části: generátor silného magnetického pole (kolem 700 G) a zdroj vytvářející ionizované částice. Magnetické pole bude generováno indukční cívkou v jejíž ose je též umístěn induktivní zdroj plasmatu, zvaný helicon. Je tvořen křemennou trubicí kolem které je navinuta helikoidální anténa napájená vysokofrekvenčním příkonem kolem 1 kW. Do křemenné trubice vtéká plyn, argon nebo helium, a je vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem ionizován. Ionizované plazma je vstřikováno do okolního magnetického pole a rozpíná jej. Podle odhadů by pro udržení magnetosféry po dobu 3 měsíců činila spotřeba helia asi 3 kg. Podle numerických simulací by při konstantní působící síle 1 N bylo možné urychlit kosmickou loď o hmotnosti 100 kg (70 kg užitečného zatížení a 30 kg helia k udržení mini-magnetosféry) na rychlost až 50 km/s. Tento pohonný systém by tedy mohl být zejména vhodný pro lety ke vzdáleným planetám sluneční soustavy.

V průběhu roku 1999 dostal tým R. M. Wingleeho od NASA kontrakt ve výši 0,5 mil. USD na vývoj prototypu systému M2P2. S laboratorním modelem pohonného systému M2P2 byly již koncem roku 1999 činěny první zkoušky ve vakuové komoře, kde se podařilo roztáhnout magnetické pole do průměru přes 1 m. Jelikož v pozemních podmínkách není k dispozici taková vakuová komora, kde by bylo možné magnetické pole roztáhnout na kilometrové průměry, bude se muset přikročit k demonstračním zkouškám s prototypem systému M2P2 v kosmickém prostoru.

I když se o slunečních plachetnicích uvažuje již desetiletí, žádný ze studovaných projektů nebyl zatím realizován (nehledě na malé pomocné plachty na družicích a sondách). Uvidíme tedy, budeme-li v blízké budoucnosti svědky realizace některého z projektů, zmiňovaného v tomto příspěvku.

Lubor Lejček

Poznámky:

⁽¹⁾ Celkový vyzařovaný výkon ze Slunce je 3,73x10²⁰ MW. Pro střední vzdálenost Země od Slunce R_o=149,504x10⁹ m dostáváme hodnotu solární konstanty N=3,73x10²⁰ MW/(4pí R_o²)=1328W/m². Za čas se vyzáří energie N. Tato energie je úměrná mechanické práci p c, kterou by vykonal tlak slunečního záření p podél dráhy c(kde c je rychlost světla ve vakuu, c ~ 300 000 000 m/s), kterou světlo urazí za čas . Pro tlak slunečního záření dostáváme tedy vztah p = N / c.

⁽²⁾ Ve školních kabinetech se kdysi nacházely tzv. sluneční či světelné mlýnky (tzv. Crookesovy radiometry, které navrhl Sir W. Crookes v roce 1873) , tvořené čtyřmi křidélky připojenými k ose rotace. Jedna strana křidélek byla vyleštěná, aby světlo odrážela a opačná strana byla černá, aby světlo pohlcovala. Uspořádání mlýnku je takové, že světlo současně dopadá na vyleštěnou část jedné lopatky a na tmavou část lopatky protilehlé. Na vyleštěné ploše se světlo odráží (dochází zde k dvojnásobné změně impulsu fotonu ) a na tmavé se světlo pohlcuje (impuls fotonu se absorbuje pouze jednou). Tato představa vede k závěru, že by se měl mlýnek podle zákona akce a reakce otáčet vlivem slunečního záření tak, že se vyleštěná strana pohybuje ve směru dopadajícího světla a tmavá strana proti tomuto směru. Mlýnek se však točí opačným směrem, tj. ve směru dopadajícího světla se pohybuje tmavá strana. Zjednodušené vysvětlení této opačné rotace souvisí s tím, že mlýnek není v úplném vakuu, ale ve zředěném plynu. Jelikož tmavá strana je více zahřívána slunečním zářením, molekula, která na tuto stranu naráží, se odráží s větší energií než od strany lesklé. Na tmavou stranu působí tudíž větší impuls než na stranu lesklou a proto se tmavá strana točí ve směru dopadajícího světelného záření. Přibližně takto je chování Crookesova radiometru popsáno v Encyclopaedia Britannica (14. vydání z roku 1991, svazek 9, s. 894), ale přesnější popis kinetiky zředěného plynu v tepelném gradientu může být složitější, jak uvádí P. Gibbs na internetové adrese : http://math.ucr.edu/home/baez/physics/light-mill.html. V každém případě je v obvyklém uspořádání Crookesova radiometru vliv tlaku slunečního záření zanedbatelný oproti efektům kinetiky molekul zředěného plynu. Proto jej nelze, bohužel, předvádět jako demonstraci tlaku slunečního záření.

⁽³⁾ Koncepčně patří sluneční plachetnice mezi tzv. ”velké kosmické konstrukce”, které budou dopravovány na oběžnou dráhu ve složeném tvaru a teprve v kosmickém prostoru se rozloží či nafouknutím získají svůj operační tvar. Mezi takové velké kosmické konstrukce patří historicky i balónová družice Echo nebo nafukovací anténa o průměru 14 m, jejíž technologie byla zkoušena při letu raketoplánu Endeavour v roce 1996. V budoucnu se předpokládá použití rozložitelných či nafukovacích konstrukcí pro vytvoření velkých antén pro radarovou interferometrii s velkou základnou VLBI (Very Long Baseline Interferometry) případně optických teleskopů s velkou sběrnou zrcadlovou plochou. Výhodou takových kosmických konstrukcí je, že jsou lehké, asi 10krát levnější než tradiční kovové a skleněné materiály kosmických antén a teleskopů, lze je snadno složit do malých kontejnerů a vypouštět levnými raketami. Podle vědců z JPL jsou tyto budoucí rozložitelné kosmické konstrukce velmi perspektivní.

⁽⁴⁾ U3P=UPPP= Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique – Svaz pro propagování fotonického pohonu je neziskovou organizací, založenou v roce 1981. Jejím předsedou je Guy Pignolet, inženýr CNES. Snímky různých typů slunečních plachetnic a další informace lze nalézt na internetové stránce Svazu: http:// www.u3p.net/.

⁽⁵⁾ LSG=Liška Space Group – studentská kosmonautická skupina organizovaná od roku 1970 v pražském Planetáriu ing. M. Grünem (nynějším ředitelem Hvězdárny a Planetária). Zabývala se různými kosmonautickými problémy (vyjmenovanými na České kosmonautické stránce ing. A. Holuba na adrese http://www.mus.cz/~ales/) a prošla jí řada studentů. V roce 1982 ji tvořili tehdejší studenti (v abecedním pořádku): Pavel Doubrava, Dan Glanc, Aleš Procházka, Tomáš Svítek, Tomáš Svoboda, Jan Šifner, František Vítek, Karel Vítek, Richard Wiener.

⁽⁶⁾ O Wingleeho elektromagnetické plachetnici, využívající slunečního větru bylo informováno v L+K 75 (1999) č. 23, s. 1528. V téže informaci se však chybně poznamenává, že i klasická sluneční plachetnice využívá slunečního větru. V tomto příspěvku je ukázáno, že vliv slunečního větru na plachetnici je vůči tlaku slunečního záření zanedbatelný.

⁽⁷⁾ Předpokládejme, že zmíněných 6 částic jsou protony o hmotnosti mp ~ 1,67x10^-27 kg. Těchto 6 částic, nacházejících se v 1cm³, urazí vzdálenost 1 cm za čas 1 cm/v ~ (10^-7 /4,5) s. Plošná hustota částic, procházející plochou 1 m² za 1 s je tedy přibližně ~ 45x10^-16 kg/m²s. Tlak slunečního větru, rovný , je tedy ekvivalentní hodnotě (45x10^-16 kg/m²s)x(4,5x10⁵m/s) ~ 2x10^-9N/m²=2 nPa.

Literatura:

[1] M. Grün: Kosmonautika – současnost a budoucnost (MME sv. 96, Horizont, Praha 1983)

[2] C. Marchal: L´Aéronautique et l´Astronautique (1987)-6, č. 127, s. 53.

[3] A. V. Lukjanov: Plenočnyje otražatěli v kosmose (Izdatělstvo Moskovskovo universitěta 1977)

[4] U3P: Solar Sail Moon Race - Basic reference document (October 1982).

[5] A. Lawler: SPACE NEWS (13. 1. 1992) s. 24.

[5] F. Kuznik: AIR & SPACE (1994) č. 6-7, s.81.

[6] R. L. Staehle, J. M. Graham, J. Champa: SPACEFLIGHT 34 (1992) s. 265.

[8] LSG: Solar Sail Concept Study, IAF Student Paper ST-82-12.

[9] LSG: Solar Sail As OTV/Solar Sail Concept Study - Phase II Report, AIAA Paper-83-1347, publikováno na 19th Joint Propulsion Conference v Seattle, Washington 1983.

[10] P. B. de Selding: SPACE NEWS 11 (2000) č. 24, s.8.

[11] R.L. Forward: IAA-85-489 ( 36^th IAF Congress, Stockholm 1985); J. SPACECRAFT and ROCKETS 22 (1985) č. 3, s. 345.

[12] H. M. Harris: Scientific American (1999), č. 2, s. 70.

[13] R. M. Winglee: Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2), Final Report, May 1999 (viz http://www.geophys.washington.edu/Space/SpaceModel/M2P2/, kde jsou i další zprávy týkající se tohoto projektu).

[14] J. D. Jackson: Classical Electrodynamics (J. Wiley, N.Y. 1962).

Vyšlo v časopise Letectví a kosmonautika 76 (2000) č. 20, s. 1356; č. 21, s. 1424.

[ Obsah | Základy | Pohony | Fyzikální pohony ]