Ptáme se

Kolonizace okolních planet? Až ovládneme jadernou fúzi

...říká přední český odborník na leteckou dopravu docent Daniel Hanus. Při příležitosti 150. výročí založení Spolku architektů a inženýrů v Království Českém (od roku 1920 SIA) jsme hovořili o možnostech dopravy nejen na oběžnou dráhu Země, ale i ke vzdáleným planetám.

Doc. Ing. Daniel Hanus - jediný český vědec, který je členem Amerického institutu pro letectví a astronautiku, AFAIAA Associate Fellow. Foto: Tomáš Tesař

Doc. Ing. Daniel Hanus - jediný český vědec, který je členem Amerického institutu pro letectví a astronautiku, AFAIAA Associate Fellow. Foto: Tomáš Tesař
Doc. Ing. Daniel Hanus - jediný český vědec, který je členem Amerického institutu pro letectví a astronautiku, AFAIAA Associate Fellow. Foto: Tomáš Tesař

Je pro vás coby odborníka na leteckou dopravu reálná představa, že by na Mars v dohledné době doletěla lidská posádka?

Možné to je, ale ještě jde o to, co je cílem té cesty. Jestli pouze doletět k Marsu, nebo se ještě také vrátit zpět. Protože návrat by rozhodně představoval problém. Ono mnoho věcí lze dnes vyřešit automatem nebo robotem, kdežto cesta lidské posádky je přece jen nákladná a riskantní. Museli by získat palivo tam, na Marsu, což ale malá posádka nezvládne. Nejdříve by tam museli základnu připravit roboti, dopravit tam technologii, najít vodu… a až potom by se tam mohli vypravit lidé. Ale ano, do budoucna si umím představit, že lidstvo bude potřebovat expandovat, třeba za 100, 200 let, a bude-li mít vše k dispozici, technologii, materiály, pohonné hmoty, tak dojde i na kolonizaci Marsu.

Mars ? Nejdříve by tam roboti museli připravit základnu, dopravit technologii, najít vodu…Foto: Wikipedia.org

Jaký je hlavní předpoklad pro cesty do vesmíru?

Určitě musíme napřed získat mnohem efektivnější zdroje energie. Jakmile lidstvo získá přístup k vhodnému zdroji energie, mohou se i věci, které teď vypadají nereálně, stát skutečností. A zdaleka nejde jen o lety do vesmíru, ale i o životní prostředí obecně. My zatím pálíme fosilní paliva, což je naprosto šílené plýtvání. Osmdesát procent energie na Zemi vyrábíme spalováním! Ta fosilní paliva jsou úžasné chemické látky, které lze využít mnohem lépe. Navíc ničíme životní prostředí. Obnovitelné zdroje energie jsou samozřejmě významné a budou stále významnější, ale asi nebudou úplně stačit. Možná pro Zemi ještě ano, ale určitě ne pro lety do vesmíru.

Osmdesát procent energie na Zemi vyrábíme spalováním! Foto: Fastcoexist.com

Ve kterém zdroji energie tedy vidíte budoucnost?

V jaderné fúzi. Pokud ji časem zvládneme, nebudeme nijak limitovaní, energie bude dostatek. Nejen pro Zemi, ale i na levnou výrobu paliv pro letadla a kosmické lodě. K pohonu raketových motorů potřebujete vodík a kyslík, přičemž obojí je ve vodě. A produktem hoření je zase vodní pára. Je to nekonečný zdroj. Ani chemická syntéza paliv, i uhlovodíkových, i leteckého kerosinu a mnoha dalších látek by pak nebyl problém. Musíte k tomu ovšem dosáhnout v reaktoru vysokých tlaků a teplot, k výrobě uhlovodíků potřebujete minimálně energii 42 milionů joulů na kilogram.

Není to rizikovější než jaderná energie?

Není, protože tam odpadá radiace i radioaktivní odpad.

Zdroj energie budoucnosti ? Jaderná fúze.Foto: Nerdist.com

Mohla by si třeba kosmická loď vyrábět palivo sama pomocí jaderné fúze?

To ne. Jaderná fúze nemůže probíhat v té raketě. Potřebujete obrovský reaktor. Taková loď by byla velká jako menší planeta.

Jaké rakety se používají dnes pro cesty do vesmíru?

V současné době probíhá výzkum blízkého i vzdáleného vesmíru a využívání blízkého kosmického prostoru kolem Země od nízkých oběžných drah satelitů po geostacionární dráhu pro účely komunikační, navigační a monitorovací, jakož i pro účely využití ve speciálních technologiích.
Pro dopravu kosmických lodí, družic s přístroji a nákladem na oběžné dráhy kolem Země i pro vzdálené cesty k planetám sluneční soustavy, jejich měsícům, asteroidům a kometám a rovněž dopravu přístrojového vybavení, materiálu i posádek na Mezinárodní kosmickou stanici ISS, se v současné době používá klasických raketových nosičů startujících kolmo, stejně jako v počátcích kosmonautiky.
Klasické raketové nosiče produkují potřebný tah k pohonu v tak zvaných chemických raketových motorech, ve kterých je mechanická energie potřebná k pohonu získávána transformací chemické energie paliva a okysličovadla spalováním ve spalovacích komorách raketových motorů za vysokých tlaků a teplot. Tah motoru je pak realizován expanzí vysoce stlačených a horkých spalin při jejich průtoku hnacími tryskami do okolního prostředí, v případě kosmické dopravy do vakua, do kterého vytékají velmi vysokými rychlostmi. V současné době jsou jako nejefektivnější využívané raketové motory, které pracují se zkapalněným kyslíkem a vodíkem, případně i leteckým petrolejem či jinými chemickými látkami.

Jak vypadal ve srovnání s ruskou raketou americký raketoplán?

Vzhledem k vysokým nákladům, kdy se celá raketa použije pouze jednou pro daný let, vyvinula americká NASA nový systém, založený na vícenásobně použitelných hlavních částech dopravního raketového systému sestávajícího z raketoplánu s hlavními motory na kryogenní kyslíko-vodíkové palivo a dvou pomocných startovacích stupňů na pevné palivo. Raketoplán startoval kolmo jako standardní raketa, přičemž pomocné startovací stupně se zhruba po dvou minutách letu od raketoplánu oddělily a dále pokračoval raketoplán v letu sám. Po dosažení oběžné dráhy a splnění dané mise se potom vracel na Zemi jako letadlo a přistál klouzavým letem na příslušně vybaveném letišti. Pomocné startovací stupně se po oddělení od raketoplánu vracely na Zemi pomocí padáků a po opravě se dále použily pro další let raketoplánu.

Kam dopadly oddělené části?

Pokud jde o období letů s využíváním raketoplánů, prázdné pomocné startovací stupně se po oddělení od raketoplánu vracely na padácích zpět na Zemi. Vzhledem k tomu, že po startu z kosmodromu na Floridě se směr letu raketoplánu obracel k východu ve směru rotace Země, oddělené části tak padaly do oceánu. Americké návratové moduly z doby projektu výzkumu Měsíce Apollo se rovněž vracely do oceánu.
Návratové ruské moduly z Mezinárodní kosmické stanice se na padácích vracejí do kazašské stepi v oblasti kosmodromu Bajkonur.

V čem spočívala výhoda amerického raketoplánu oproti ruským raketám?

Výhodou raketoplánu je jednak možnost jeho vícenásobného použití, tedy významné snížení nákladů. Další výhodou je jeho řiditelnost ve fázi návratu v atmosféře, kdy podobně jako klasický, i když bezmotorový letoun může zajistit bezpečné přiblížení na vzletovou a přistávací dráhu a přistát. Odpadá tedy neurčitost místa přistání, která je vždy v případě pasivního návratového modulu kuželového tvaru.

Proč už USA neinvestuje do dalšího raketoplánu?

NASA se při vývoji nového kosmického dopravního systému vrací zpět k původním technologiím kolmo startujících raketových nosičů, které by sloužily jak k dopravě posádek a nákladu na Mezinárodní kosmickou stanici ISS, tak i k letům do vzdálených oblastí vesmíru naší sluneční soustavy. Nově vyvíjený víceúčelový servisní modul Orion pro dvou až čtyřčlennou posádku a náklad by měl mít až desetkrát větší míru bezpečnosti než současné systémy.
Důvod, proč současná administrativa USA dala přednost k návratu ke dříve odzkoušeným technologiím, je zřejmě otázka peněz, ale i času potřebných k vývoji, je to tedy do velké míry otázka politická. Lidé chtějí raději praktické věci, které jim usnadní život, než projekty, které je daleko přesahují, jako je právě investice do vesmírných letů.

Nově vyvíjený víceúčelový servisní modul Orion pro dvou až čtyřčlennou posádku a náklad by měl být až desetkrát bezpečnější, než současné systémy. Foto: Wikipedia.org

Jak budou podle vás vypadat rakety, které budou ze Země startovat v budoucnosti?

Vždycky říkám, že je škoda, že není dost prostředků na vývoj horizontálně startujících vesmírných letadel. Obrovskou nevýhodou kolmo startujících raketových nosičů je totiž to, že pro vzlet a první fázi letu raketový motor překonává svým tahem tíhu celé rakety. Dále pak během letu v atmosféře překonává tíhu a aerodynamický odpor a odpory zrychlování urychlováním pohonných látek uskladněných v příslušně dimenzovaných objemných nádržích, které činí raketu velmi objemnou a hmotnou.
Podstatnou část objemu i hmotnosti rakety lze ušetřit náhradou první fáze letu v atmosféře horizontálním letem, kde výrazně větší část tíhy je nesena aerodynamickým vztlakem křídel a přibližně 95 % pohonné látky rakety může být využito pro tah v proudovém pohonu letadla využívající atmosférický vzduch.
Vesmírný dopravní prostředek budoucnosti by tvořil systém dvou letadel vzájemně spojených, nosného letadla s hybridním turbo-náporovým motorem a kosmického raketoplánu. V první fázi letu od vzletu až po dosažení letové hladiny v horních vrstvách stratosféry a dosažení vysoké nadzvukové rychlosti letu by byl systém poháněn nosným letadlem s pohonem využívajícím vzduch. Po dosažení nejvyšší možné letové hladiny by se raketoplán oddělil od nosného letadla a dále by pokračoval s vlastním raketovým pohonem. Nosné letadlo by pak přistálo na letišti a bylo připraveno pro vynesení dalšího raketoplánu. Raketoplán po splnění mise se jako letadlo vrátil zpět na Zemi.
Je zřejmé, že uvedený dopravní systém výrazně snižuje spotřebu pohonných hmot, neboť při letu v atmosféře využívá k pohonu vzdušný kyslík jako okysličovadlo a také dusík, který je urychlován v hnacích tryskách motoru společně se spalinami paliva a vzdušného kyslíku.
I když náklady na vývoj systému budou značné, provozní náklady při dalším využívání systému zajistí návratnost do vývoje vložených prostředků. Je ale zřejmé, že takovýto projekt bude vyžadovat širokou mezinárodní spolupráci.

Obrovskou nevýhodou kolmo startujících raketových nosičů je to, že pro vzlet a první fázi letu raketový motor překonává svým tahem tíhu celé rakety. Foto: NASA

Umí dnes někdo hybridní motor vyrobit?

NASA to umí. Před deseti lety jsem byl v Nevadě na letecké a kosmické konferenci. NASA při ní informovala o probíhajícím vývoji hypersonického náporového motoru s nadzvukovým spalováním včetně videozáznamu experimentálního modelového letadla, které ve vysokých vrstvách atmosféry bylo účinkem hypersonického propulzního systému urychleno až na Machovo číslo 10, tedy na desetkrát větší rychlost, než je rychlost zvuku.

Jak by podle vás, pokud by na mě bylo dost peněz, vypadaly v budoucnosti lety na vzdálené planety? Startovaly by tyto kosmické lodě dále ze Země?

Ne, pravděpodobně se časem bude startovat z Měsíce, protože je tam malá gravitace. Ale to bychom tam nejdříve museli postavit základnu.

Myslíte, že je reálný vesmírný výtah na oběžnou dráhu nebo na Měsíc jako v knihách A. C. Clarka?

Obávám se, že ne. Je to přece jen science fiction, i když myšlenka to je zajímavá. Myslím ale, že realizaci projektu brání řada dosud nevyřešených překážek. A domnívám se, že i v budoucnosti mu bude bránit mnoho nepřekonatelných materiálových a provozních omezení. Do vesmíru budeme proto i nadále létat s využitím dopravních systémů produkujících tah urychlováním pohonných látek.
Kdyby se takto ušetřilo palivo pro vzlet, byla by zpáteční letenka na Mars reálná?
Asi ano, ale let by to byl pořád velmi dlouhý, což není pro lidskou posádku dobré. Délka letu je opět záležitost energie. Potřebujete účinné motory pro zajištění co nejkratší doby letu. Cesta zpět je v současné době obrovský problém.

Takže stejně potřebujete spalovací motor?

Ano, budete potřebovat kyslíko-vodíkový motor. Ale můžete motory kombinovat, využít i motory na letecký petrolej kerosin.
Existuje ještě jeden druh pohonu, a to je iontový motor čili urychlovač iontů. Iont je v tomto případě kladně nabité jádro nějakého prvku, například osmia nebo jiných hodně těžkých prvků, například rtuti, které jsou urychlovány silným elektrostatickým polem motoru na výstupní rychlost 40 kilometrů za sekundu. V současné době jsou ve vývoji nové motory urychlující ionty až na rychlost 210 kilometrů za sekundu. Ionty pohonné látky se tvoří v motoru tak, že se látka v elektromagnetickém poli nebo za vysoké teploty v elektrickém oblouku přemění na plazma, ve kterém se elektromagnetickým působením oddělí elektrony a ionty se pak urychlí působením několika nabitých a od sebe vzdálených mřížek na vysokou rychlost, přičemž se ve výstupu elektricky neutralizují proudem elektronů, který je vystřelován zvláštním emisním dělem. Elektrickou energii potřebnou k výrobě iontů a k jejich urychlování získává motor ze slunečního záření ve fotovoltaických panelech. Proti chemickému motoru tak elektrický raketový motor výrazně šetří palivo. Protože iontové motory produkují nesrovnatelně menší tah než klasické chemické motory, není možno je zcela nahradit. Výhodou iontových motorů proti motorům chemickým je ale jejich schopnost dlouhodobé práce, a proto jsou využívány pro dálkové lety výzkumných sond k vnějším planetám sluneční soustavy.

Nemohla by loď tankovat palivo až na Měsíci, abychom ho nemuseli vozit za Země?

Kdyby byla na Měsíci voda, tak by to myslitelné, ale museli bychom tam dopravit tu obrovskou elektrárnu na jadernou fúzi. To je ještě hodně daleko.

Další problém, se kterým by se posádka potýkala při delším letu, je gravitace, která je cestou na Mars nulová. Pak gravitační pole Marsu, které je slabší než zemské. Poté zase nulová gravitace a nakonec opět Země. Myslíte, že bude možné v budoucnu vyrobit kosmickou loď s umělou gravitací?

Asi to bude nutné pro dlouhé kosmické lety, protože lidské tělo potřebuje gravitaci k tomu, aby normálně fungovalo. Umělou gravitaci vyrobíte pomocí rotace. Lze si představit kosmickou loď například ve formě rotujícího prstence, ostatně řada vědeckofantastických literárních děl i filmů takové řešení uvádějí. Stavba takové lodi ale je hudbou budoucnosti. V případě prstence o středním průměru 20 metrů by pro vyvolání umělé zemské gravitace bylo zapotřebí zhruba rotace o deseti otáčkách za minutu.
Vedle celé řady nesmírně složitých technických problémů mise je neméně závažný problém psychický při dlouhodobém pobytu posádky ve velmi stísněném prostoru kosmické lodě.

Dokážou si ho lidé podmanit ? Foto: NASA

Jaká jsou další úskalí dlouhých vesmírných letů?

Vedle působení kosmického záření, slunečního větru a v případě výbuchu supernovy i zničujícího silného záření je dalším nebezpečím srážka s rychle letícími meteority i úlomky dříve vypuštěných satelitů a tak zvaného kosmického smetí. Když do vás narazí malý meteorit rychlostí několika desítek kilometrů za vteřinu, tak ten plášť rakety propálí. Takže by loď musela být rozdělena na mnoho sekcí, aby když dojde k poškození pláště a dekompresi, byl zbytek lodi dál funkční. Spousta tlakových nádob, průchody. Jako v ponorce.

Neprorazitelný materiál neexistuje?

Ne. Příkladem může být více než 10 centimetrů silný ocelový pancíř tanku, který bez problému propaluje kumulativní nálož protitankového granátu, využívající koncentrace tlakové energie vyvolané výbuchem vhodně tvarované výbušniny. V případě ochrany posádky kosmické lodi samozřejmě takovýto pancíř nepřipadá v úvahu. Hmotnost lodi je velmi omezena a její stěny jsou tedy relativně tenké. Využívá se zde také velmi lehkých materiálů. Energie dopadu mikrometeoritu o hmotnosti jednoho gramu a rychlosti 80 kilometrů za sekundu je srovnatelná s energií výbuchu téměř jednoho kilogramu trinitrotoluenu.

Když do rakety narazí malý meteorit rychlostí několika desítek kilometrů za vteřinu, její plášť zaručeně propálí.Foto: Wikipedia.org

Jaké vlastnosti musí mít materiály používané při stavbě kosmických lodí?

Především musí být co nejlehčí, mít vysokou pevnost a dlouhou životnost. Takže se tam uplatňuje hodně kompozitních materiálů na bázi uhlíku, lehké kovové materiály jako dural s příměsí lithia, vysokopevnostní oceli, vzácné kovy, například zlato pro odrazné fólie – to jsou velmi tenké fólie, které chrání těleso proti působení slunečního záření. Mikroelektronika používá další specifické kovy…
Pro exponované součásti motorů se využívají vysoce pevné a odolné za vysokých teplot slitiny niklu, chromu, kobaltu, wolframu, titanu a také vzácné prvky jako je hafnium, zirkon, niob, yttrium a další. Třeba v turbínách raketových motorů, kde jsou extrémně vysoké teploty. A ještě jsou chráněny proti erozi a korozi tenkým povlakem keramických materiálů, jako jsou oxidy hafnia, zirkonu… ty vrstvy se tam napařují ve výrobě ve vakuu za vysokých teplot. Jsou tenké několik desetin milimetru. Zároveň slouží jako izolace, mají nízkou tepelnou vodivost.
Pro návraty na Zemi se používají ochrany keramickými materiály. Modul, který se vrací na Zemi, musí být chráněn proti velmi vysokým teplotám nad 3 000 stupňů. Žádný kovový materiál to nesnese, pouze uhlíkové kompozity a keramické materiály. Náběžné části raketoplánu měly jednotlivé keramické destičky ukotvené na povrchu. U těch návratových modulů s posádkami se to řeší i odvodem tepla, tedy chlazením povrchu odtavováním materiálu. Materiály, které se úspěšně používají v astronautice, navíc zpětně nacházejí využití v letecké dopravě za Zemi.

Zdroj: ESA

Pracují dnes někteří čeští vědci v oboru letectví a astronautiky například pro NASA?

Zatím jsme na začátku velmi slibné spolupráce s USA ve vědě a technologiích v rámci bilaterální smlouvy v rámci našeho členství v NATO. Například v rámci spolupráce s NASA, Federálním úřadem pro letectví FAA a US Army byl na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze vyvinut unikátní simulační systém AGENTFLY, umožňující simulaci civilního leteckého provozu a provozu bezpilotních létajících prostředků v širokém rozsahu, který dovoluje vysokou provozní bezpečnost, optimalizuje ekonomiku provozu a zajišťuje ochranu proti kolizím.
Další možná spolupráce se nabízí v rámci našeho členství v Evropské kosmické agentuře ESA, kde se začínáme dobře uplatňovat v oblasti vývoje přístrojů v rámci výzkumných projektů.
Kosmonautika či jinak také astronautika je podobně jako letectví věc široké mezinárodní spolupráce. Patří mezi nejnáročnější obory, které přinášejí nová poznání a technologický pokrok.

Doc. Ing. Daniel Hanus, CSc., EUR ING, AFAIAA, vedl posledních 7 let Ústav letecké dopravy Dopravní fakulty ČVUT. Zároveň již 12 let předsedal Českému svazu vědeckotechnických společností, následnické organizace někdejšího Spolku inženýrů a architektů Československé republiky (před r. 1918 Spolek architektů a inženýrů v Království českém). Jako jediný český vědec je členem Amerického institutu pro letectví a astronautiku, AFAIAA Associate Fellow.