Do kosmu bez raket
Do kosmu bez raket
Už v bibli najdeme představu věže, jejíž špička by se dotýkala nebes. Babylonská věž tu však byla symbolem lidské zpupnosti. Není ani divu, že se ji starozákonním stavitelům nepodařilo postavit. Už při výšce 2000 metrů by se zdivo u základů věže pod vahou stavby rozpadlo na prach. Skutečná věž do vesmíru by ovšem musela být nejméně padesátkrát vyšší – Kármánova hranice, konsenzuálně považovaná za „začátek vesmíru“, leží ve 100 km nad povrchem Země. Praotec raketového dobývání vesmíru Konstantin Eduardovič Ciolkovskij již v roce 1895 popsal věž, tyčící se až na úroveň geostacionární orbity, tedy do výšky 35 786 km nad zemským povrchem. Tento koncept je na jeho počest nazýván „Ciolkovského věž“.
Nafukovací věž
Pozoruhodná studie tříčlenného týmu badatelů z kanadské York University, publikovaná v posledním vydání měsíčníku Mezinárodní astronautické akademie (IAA) Acta Astronautica, popisuje koncepci takové věže, sestavené z velkého množství nafukovacích modulů. Součástí studie byl i 7 metrů vysoký model této struktury, sestavený z 6 modulů („pater“). V tomto měřítku (1:166,66) byly nafukovací trubice tlusté pouhých 8 centimetrů. Na rozdíl od většiny alternativ ke konvenčním raketám má jejich koncepce tu výhodu, že je teoreticky možné ji realizovat s využitím materiálů, které jsou lidstvu dostupné již v tuto chvíli. Konkrétně kanadský tým navrhuje použít trubky z kompozitu kevlaru a polyetylenu, které by ztuhly po nahuštění nějakým lehkým plynem (např. heliem).
Z těchto lehkých a pevných trubek, dlouhých 150 metrů, by se skládaly jednotlivé moduly, v průměru široké 230 metrů. Nezbytnou složkou by pak byly spojovníky mezi těmito „patry“, které musí obsahovat gyroskopy a moduly pro aktivní stabilizaci jednotlivých částí, aby věž dokázala odolávat povětrnostním podmínkám. Další nespornou výhodou pak je fakt, že v případě, že by byla některá z trubic poškozena, existenci věže by to nemělo ohrozit. Modul by se jednoduše nechal celý vypustit a věž by stála dál – jen o 150 metrů kratší. Pro začátek se kanadští výzkumníci drží (doslova) při zemi – jimi navrhovaná věž by měla být vysoká „pouhých“ 15 kilometrů.
Pokud by stála na nějaké vhodné hoře, byl by její vrcholek okolo 20 km vysoko nad hladinou moře. Z této výšky by vesmírní turisté mohli dohlédnout až 600 km daleko a okolo nich by již byla téměř kosmická tma. Jeden z autorů publikace, dr. Brendan Quine, však podle svých výpočtů odhaduje, že by struktura tohoto typu mohla dosáhnout až na úroveň nízké oběžné dráhy ve výšce okolo 200 km.
Lano do vesmíru
Jiný kosmický vizionář – Arthur C. Clarke – ve svém slavném románu Rajské fontány z roku 1979 zpopularizoval celkem podobnou koncepci cestování do vesmíru, tzv. vesmírný výtah. Již v roce 1959 jej však zcela nefiktivně popsal ruský vědec Jurij Nikolajevič Arcutanov a v průběhu 60. a 70. let se tento koncept vyvíjel i v „imperialistické“ části světa. Od přímočaré myšlenky vesmírné věže se kosmický výtah liší v několika podstatných detailech – především je to nutnost jej ve vesmíru ukotvit. Již ze svého principu proto vesmírný výtah dosahuje až na důležitou geostacionární dráhu. Pro tuto orbitu je charakteristické, že tělesu po ní obíhajícímu trvá každý oběh Země právě jeden den.
Z pohledu pozorovatele na povrchu Země se tak tělesa na této dráze zdánlivě nehýbají. Jsou tu proto umisťovány například telekomunikační družice (mimochodem – vynalezené rovněž A. C. Clarkem). Mezi nimi by mohla být „zavěšena“ konečná stanice výtahu. Od ní by vedlo k zemskému povrchu supersilné lano, kvůli odolnosti proti gravitačnímu zatížení systému veprostřed (podle jeho délky například i na geostacionární orbitě) mnohem silnější než na koncích. To, co vesmírný výtah drží pohromadě, však není jen samotné lano, ale i cílová stanice, obíhající Zemi ve výšce téměř 36 000 km. Celý systém by také mělo doplnit protizávaží, umístěné ještě dále od Země.
To na vlákno výtahu působí odstředivou silou a snižuje tak jeho napětí, působené zemskou gravitací. Mohl by jím být například asteroid, vesmírná stanice anebo jen dále protažené lano. Americká NASA se o tuto koncepci začala zajímat v 90. letech a nechala na ní pracovat několik studijních skupin. Ty došly k závěru, že budou-li se zdárně zdokonalovat stávající technologie, vesmírný výtah by neměl být problém skutečně vybudovat možná ještě v tomto století. Totiž – je tu ještě jeden problém. Odhad nákladů na takovouto stavbu se pohybuje kolem 50 miliard dolarů. Z ekonomického hlediska ale tento projekt vypadá slibně. Podobně jako u Ciolkovského věže by se náklady na dopravu nákladu do vesmíru okamžitě zmenšily zhruba o dva řády.
Postupem času by mohly klesnout ještě o další dva řády – tedy až na desetitisícinu současné ceny. Vesmírným výtahem by také bylo možno dopravovat větší náklady než dnes. V současnosti však stále ještě nedisponujeme dostatečně pevným materiálem. A. C. Clarke ve svém románu nechal lano výtahu vyrobit z „hyperfilamentu“, tvořeného jediným krystalem diamantu. A nebyl daleko od pravdy – díky objevu uhlíkových nanotrubiček se dnes tato koncepce kosmodromu pomalu přibližuje ze světa sci-fido kategorie „teoreticky možné“. Neradujme se však předčasně: nanotechnologie ještě budou muset urazit dlouhou cestu, než budou pro tento účel dostatečně spolehlivé a bezpečné. Pro přepravu lidí (i jiného nákladu) bude také zapotřebí důkladně odstínit kabinu výtahu před radiací ve Van Allenových pásech, jimiž by musela projíždět i několik dní.
Až budou tyto podmínky splněny, budeme se moci dát hned do práce. Experti NASA už teď vědí, že „nástupní“ stanici by bylo ideální postavit několik tisíc kilometrů západně od pobřeží Ekvádoru v blízkosti rovníku, nad nímž se geostacionární orbita nachází. Z ní by sem bylo spuštěno lano výtahu a ukotveno k plovoucí základně. V této oblasti je totiž minimální námořní i letecký provoz i výskyt hurikánů. Přejme jim, ať se naučíme potřebné technologie využívat dříve, než se tyto podmínky od základu promění…
Kruh na orbitě
Tento ambiciózní koncept se zrodil v hlavě britského astronoma a později především spisovatele Paula Birche na počátku 80. let 20. století. Vychází z principu vesmírného výtahu, který tehdy – více než deset let před objevem fullerenů a z nich odvozených nanotrubic – patřil zcela do domény vědeckofantastických snů. Birchovým cílem bylo tento koncept přiblížit skutečnosti s využitím již tehdy dostupných materiálů. Extrémní zátěž, kterou by muselo snést lano výtahu, chtěl Paul Birch minimalizovat využitím obrovské kruhové struktury, obíhající planetu na nízké oběžné dráze – LEO – asi 200 km nad zemí. Tento kruh prokluzuje skrze konečné stanice vesmírného výtahu na principu magnetické levitace a lana výtahu by nebyla vystavena tak drastickému tahu. Zároveň je možné takový orbitální kruh orientovat i jinak, než pouze podél nulté rovnoběžky, jak by tomu bylo u výtahu z Clarkeových představ.
Přesto ani tato představa není nikterak snadno realizovatelná. Pomineme- li možné mezinárodní diplomatické tahanice, způsobené celosvětovou povahou takovéto struktury, její stavba by byla značně obtížná. Na oběžnou dráhu by bylo nutné vynést 18 000 tun oceli a hliníku. To by znamenalo okolo tisíce startů současné kosmické techniky (raketoplány a běžné nákladní rakety unesou okolo 20 tun materiálu). Nosnost superraket Saturn (USA) a Eněrgija (Rusko) se sice blížila až 100 tunám, ovšem jejich provoz byl o to nákladnější a v současnosti již nejsou používány. Náklady na stavbu kruhu sám Birch odhadoval zhruba na 30 bilionů (nikoli miliard!) dolarů. Po jeho dokončení by však doprava jedné tuny materiálu na LEO stála směšných 50 USD. Vesmírných kolejí by navíc v případě potřeby mohly využívat i kolem letící lodě – cosi na způsob dopravního obchvatu planety…
Vypouštěcí smyčka
Z Birchových excentrických návrhů vyšel inženýr Keith Lofstrom, jinak specialista na integrované obvody. Ten v letech 1983 až 85 dále rozpracoval nejméně náročnou z Birchových představ – částečný orbitální kruh (Partial Orbital Ring System – PORS). V tomto případě už by šlo vlastně o pozemskou stavbu – pokud tedy lze 2000 km dlouhou strukturu táhnoucí se až ve výšce 80 kilometrů nad Zemí ještě stále považovat za „pozemskou“. Stejně jako ostatní Birchovy návrhy i tato koncepce využívá principu magnetické levitace. Na každém z konců tohoto gigantického oblouku, tedy 2000 kilometrů od sebe, je umístěn jeden „deflektor“ – smyčka kapkovitého půdorysu o průměru 28 kilometrů. Ty jsou určeny k otáčení tzv. „rotoru“ – feromagnetického jezdce, pohybujícího se po smyčce na maglevovém polštáři. Po dosažení plné rychlosti 14 km/s – neboli 50 400 km/h – rotor celou smyčku obkrouží za méně než 5 minut.
(Úniková neboli 2. kosmická rychlost činí u zemského povrchu 11,2 km/s.) Právě a pouze jeho rychlost drží vypouštěcí smyčku ve vzduchu. Dosažení této rychlosti však s 300MW silným zdrojem může trvat až dva měsíce. Kosmické plavidlo se jím nechá vyvézt do nejvyšší části zařízení, teprve tam použije motory k odpoutání a navedení na svou oběžnou dráhu. K tomu účelu musí být opatřeno i vlastní pohonnou jednotkou, která však nemusí být příliš silná. Zařízení je ve srovnání s konvenčními raketami téměř bezhlučné. Jeho gargantuovské rozměry jej však tak jako tak odsuzují k existenci daleko od civilizace, nejspíše nad oceánem. Pohyb rotoru po dráze musí být poháněn přinejmenším několikasetmegawattovou elektrárnou – spuštěný systém potřebuje neustále spotřebovávat okolo 200MW.
Například 500MW zdroj by pak vystačil na 35 kosmických startů denně. Teoretické technologické maximum „vypouštěcí smyčky“ poháněné zdrojem o výkonu 15–20 GW však leží až u desítek startů za hodinu. Od počtu startů za den se pak odvíjejí i náklady na vynesení jedné tuny nákladu na orbitu. Podle Lofstromových výpočtů by slabší zařízení vybudované za 10 miliard dolarů mohlo za rok do kosmu vypustit okolo 40 000 tun materiálu při ceně 300 USD za kilogram. Silnější model, jehož stavba by vyšla třikrát dráž, by měl roční kapacitu až 6 milionů tun a mohl by náklady snížit až ke 3 USD/kg.
Vystřelte to do kosmu!
Naopak pouze pro dopravu odolného materiálu by bylo možno použít vesmírný kanon. Na projektily, vypálené ze Země do vesmíru, totiž musí působit přetížení až 100 g, které by bylo pro člověka smrtelné. Slavnou vizi z Verneova románu Ze Země na Měsíc – jehož výtisk na palubě prvního evropského „kosmického náklaďáku“ třídy ATV Jules Verne přistál i na Mezinárodní vesmírné stanici ISS – nebo z Války světů H. G. Wellse se tak podle všeho vyplnit nepodaří. Způsobů, jak do vesmíru takový projektil vyslat, je však řada. Nabízí se cesta konvenční (chemická), elektromagnetická nebo mechanická. Mechanický způsob je z nich asi nejpozoruhodnější. Kromě prozaické dlouhé kolejnice, po níž by se kosmická loď rozpohybovala poháněna reakčním pohonem a po vstupu do vrchních částí atmosféry byla například zachycena nějakou variantou vesmírného výtahu, sem patří i pozoruhodný a rozporuplný projekt Slingatron (z angl. sling = prak).
Někteří vědci o něm tvrdí, že porušuje fyzikální pravidla. Tento koncept rozvíjí fyzik britského původu Derek A. Tidman. Jeho podstatou je dutá spirála, která má kosmický projektil urychlit až na únikovou rychlost. Celá spirála se přitom může pohybovat tak, že osciluje kolem svého středu. Projektil, nesoucí náklad, je na startu umístěn do jejího středu. Když se celý objekt rozpohybuje, na projektil v jeho nitru začne působit odstředivá síla a posunovat jej trubicí. Celý Slingatron osciluje v pravidelných intervalech. Projektil tak musí každý okruh opsat za stejnou jednotku času, ale jak se poloměr gigantické spirály zvětšuje, musí za stejný čas urazit stále delší a delší vzdálenost, až dosáhne únikové rychlosti a ze zařízení vyletí. Vědcům NASA a americké armády se zatím podařilo dosáhnout úsťové rychlosti 8 km/s – a zákony fyziky odolaly.
Projekt StarTram
StarTram je jedním ze zástupců elektromagneticky poháněných projektilů. Náklady na dopravu do vesmíru se snaží minimalizovat zejména obejitím odporu atmosférického vzduchu. Celá vesmírná loď (či chcete-li v tomto případě tramvaj) je uzavřena do více než 1000 km dlouhého tunelu vyplněného vakuem. Teprve ve vakuu totiž lze plně využít potenciálu magnetické levitace. Tunel musí být dostatečně dlouhý, aby rychlosti 8 km/s, kterou se má „hvězdná tramvaj“ pohybovat při jeho opuštění, bylo možno dosáhnout za konstantního přetížení pouze 2 g. Tunel StarTram pak má ústit 22 km nad povrchem Země, kde již je atmosféra mnohem řidší a odpor vzduchu adekvátně nižší. Náklady na realizaci tohoto projektu se odhadují na 60 mld. USD.
Elektromagnetický katapult
StarTram je vlastně jen jedním z typů elektromagnetického katapultu, pouze obohaceného o vakuem vyplněný tunel. Lineární motor na bázi elektromagnetismu však může nabývat řady podob a měřítek. Obecně lze říci, že se hodí spíše pro menší náklady – dopravovat do vesmíru například jednotunový náklad je tímto způsobem v současných podmínkách neefektivní. Širšího uplatnění by ovšem tato technologie mohla dojít na Měsíci, v jehož slabé gravitaci a nulové atmosféře bude dosahovat mnohem lepších parametrů. Pomocí této technologie by například mohlo být možné s relativně nízkými náklady vypravovat nákladní mise z Měsíce zpět na Zemi. Stejně jako většinu technologií popsaných v tomto článku i elektromagnetický katapult je možné kombinovat s dalšími.
Tak jako StarTram je možné pomocí něj dopravit vesmírnou loď „na půl cesty“, odkud bude pokračovat s využitím vlastního pohonu. Už překonání prvních pár desítek kilometrů nejhustší pozemské atmosféry dokáže výrazně ušetřit drahé raketové palivo. Lze jej také spojit například s některým druhem vesmírného výtahu nebo „nebeského věšáku“ (angl. skyhook), který nedosahuje až k zemskému povrchu a může případně i rotovat kolem své osy tak, aby se konec jeho lana v dolní úvrati pohyboval vůči přilétající lodi relativně pomaleji. (Tato modifikace je nazývána „rotovátor“.)
Vesmírná letadla
Jedna technologie, které se daří snižovat náklady na vstup do vesmíru, však existuje již dnes. Jsou to letouny schopné běžného letu v atmosféře, které však dokážou vystoupat dostatečně vysoko k hranici vesmíru. Zde pak vypustí paraziticky přenášenou kosmickou loď, která se po odpoutání může dostat do kosmu s podstatně menšími náklady na palivo, než by tomu bylo u tradičních reaktivních raketových nosičů. I současné lodě by se tímto způsobem ještě mohly nějakou dobu udržet na výsluní. Reprezentantem tohoto přístupu je letoun White Knight soukromé firmy Scaled Composites, který pod svým trupem vynáší SpaceShipOne do výše 16 km. Scaled Composites už v letech 2005 a 2006 smluvně poskytla své služby výzkumné agentuře amerického ministerstva obrany DARPA. White Knight tehdy vynášel do vzduchu experimentální „vesmírný“ letoun Boeing X-37, který má dosahovat rychlosti až okolo Mach 25. Je možné, že jsme právě zde svědky nového, úsporného trendu v kosmonautice?
Připravovaná SpaceShipThree by již měla být schopna letu po oběžné dráze… Velkým krokem ke zlevnění vesmírných letů by měl být i připravovaný bezpilotní raketoplán Skylon. Ten bude schopen vystoupat do vesmíru a vrátit se zase zpět „svými vlastními silami“ – bez přídavných nosných raket, které dnes ohrožují a prodražují provoz dosluhujících raketoplánů typu STS.
Kosmický výtah
Studie NASA Vesmírné výtahy: Pokročilá infrastruktura Země-Vesmír pro nové milénium z roku 2000 došla mimo jiné k těmto závěrům:
Ano
Vesmírný výtah je jednou z mála možností, jak snížit náklady na vypuštění nákladu ze Země na orbitu pod 10 USD/ kg. Vesmírný výtah z povrchu Země na geostacionární orbitu (GEO) může být jediným způsobem, jak budovat velké vesmírné kolonie a expandovat do vesmíru. GEO může udržovat rozsáhlá města s minimálním rizikem kolize s jinou kosmickou technikou. Vesmírné výtahy mezi Zemí, Měsícem a Marsem by mohly vytvořit dopravní infrastrukturu uvnitř sluneční soustavy, v níž by bylo zapotřebí jen naprosté minimum raketových systémů.
Ne
Pokud cestovní doba přesáhne 24 hodin, mohlo by to být pro veřejnost nepřijatelné. Dlouhé cesty po laně budou vyžadovat dopravní kabiny o velikosti železničních vagonů, vybavené toaletami, jídelnami i možností noclehu. Plánování každého projektu v horizontu přes 20 let je zbytečné, neboť nelze předvídat, jak se mezitím vyvine technika.
Turistika ve 20 000 m n. m.
Přestože je časné odpoledne, obloha nad vaší hlavou postupně tmavne – nekonečný, temný vesmír. Již dost hluboko pod vámi se nad líně plynoucími mraky občas zaleskne dopravní letadlo. Prosklenou kabinou s vysunutou pokovenou sluneční clonou jen lehounce chvějí nárazy vzdušných „jetstreamů“, přesahujících rychlosti 60 m/s. Teplota vzduchu v okolí kabiny pomalu klesá pod –50 °C. O dvě hodiny později, když po 6hodinovém výstupu dosáhnete vrcholku věže, vás však odmění královský rozhled. Na všech stranách je velmi dobře patrné zakřivení zeměkoule. V hlubině pod sebou rozeznáváte sotva viditelné barevné flíčky – mnohamilionové metropole. Pohlédnete vzhůru a pokocháte se záplavou hvězd, bohatší, než jste kdy v životě viděli. Ještě jeden snímek na památku z nejvyššího místa, kam se dá na Zemi vůbec vypravit, a kabina začne zase pomalu klesat. Přistane dávno po setmění.
Gerald Bull
Kanadský balistický inženýr Gerald Bull je velmi rozporuplnou postavou. Jeho specialitou byly dělostřelecké zbraně extrémně dlouhého dostřelu – a neustálé rozmíšky s nadřízenými důstojníky. Nejstrměji začala Bullova hvězda stoupat s projektem HARP. Dodnes drží výškový rekord dostřelu konvenční zbraní a polovina dnes dostupných meteorologických údajů o vrchních vrstvách atmosféry pochází z jeho měření z poloviny 60. let. Po diplomatické roztržce mezi kanadskou a americkou stranou však byl projekt zastaven. Bull později dodal „své“ zbraně rasistické Jihoafrické republice, na niž bylo uvaleno zbrojní embargo. Po pádu prezidenta Nixona za to byl Bull zatčen a na půl roku uvězněn; posléze se odstěhoval do Bruselu. Dalším (jediným), kdo mu přislíbil financovat další vývoj vesmírného kanonu, byl Saddám Husajn. Vznikl projekt Babylon – 150metrové dělo, které mělo dokázat na orbitu vystřelit 2tunový objekt. Oplátkou však Bull musel přislíbit, že vylepší irácký raketový systém Scud. Krátce před dokončením projektu Babylon byl Bull nalezen mrtev před svým bruselským bytem. Zda se o něj postarali Íránci či izraelský MOSSAD, můžeme jen hádat…
Van Allenovy pásy
Van Allenovy radiační pásy jsou prstence energeticky nabitých částic (plazmatu), které v okolí Země drží její magnetické pole. (Posléze byly obdobné pásy nalezeny i u jiných planet.) Nesou jméno objevitele vnitřního pásu, profesora Van Allena, který jej odhalil na základě měření sondy Explorer 1. Vnější radiační pás objevil Rus Věrnov podle dat sondy Luna 1. Táhnou se od 400 km nad povrchem Země až do vzdálenosti 50 000 km od planety a jsou orientovány symetricky kolem její magnetické osy. Siločáry geomagnetického pole vytvářejí zrcadlový efekt, jehož následkem jsou částice v poli dlouhodobě uvězněné. Pod některými úhly z něj ale mohou uniknout i do atmosféry, kde vyvolávají polární záři. Alfa- a betazáření částic je člověku smrtelně nebezpečné, za hranicí 400 km od povrchu Země se musí chránit několikadecimetrovou vrstvou olova nebo lokálním magnetickým polem.
Asi 600 let př. n. l. – byl v Babyloně stavěn zikkurat, který dal vzniknout pověsti o babylonské věži sahající až do nebe.
1895 – Konstantin Eduardovič Ciolovskij zpracovává teoretickou možnost postavit věž ze Země až na geostacionární dráhu ve výšce 35 786 km. Uvědomuje si ale, že neexistuje žádný dostatečně odolný materiál, který by při takové výšce unesl sám sebe.
1959- ruský vědec Jurij N. Arcutanov navrhuje spustit z družice na geostacionární dráze lano směrem k Zemi.
1975 – americký vědec Jerome Pearson znovuobjevil princip kosmického výtahu a publikoval o něm článek v časopise Acta Astronautica.
1977 – rakouský futurolog Hans Moravec publikuje článek nazvaný „Nesynchronní orbitální Skyhook“, kde rozvádí podobnou myšlenku.
1979- vychází kniha Rajské fontány od A. C. Clarka, díky níž se dostává princip kosmického výtahu do obecného povědomí
Začátek 21. století – rozvoj nanotechnologií, vzniká snaha vytvořit dostatečně pevné lano z uhlíkových nanovláken.
2009 – Brendan Quine, Raj Seth a George Zhu z York University v Torontu se vracejí k teorii kosmické věže. Navrhují postavit věž z modulů nafouknutých nosným plynem. Díky tomu je možné podobnou stavbu uskutečnit s využitím již existujících materiálů.
20 km je v současnosti navrhovaná výška nafukovací věže.
200 km je předpokládaná výška, které by bylo možné s touto technologií dosáhnout.