Podíváme se, co to vůbec taková solární, nebo chcete-li, sluneční plachetnice je. Zjednodušeně řečeno je to velká plachta z lehkého, avšak pevného materiálu, která využívá ke svému pohybu tlaku slunečního světla. Stačí ji do vesmíru vynést běžnou raketou, tam ji rozložit, napnout a pak už ji jen nechat plachtit kosmickým prostorem, podobně jako kdysi námořníci brázdili moře s loděmi poháněnými plátěnými plachtami. Základní plachtění je dokonce jednodušší. Vzhledem k tomu, že se sluneční plachetnice pohybuje po balistické křivce, stačí pomocí tlaku slunečního záření plachtu zrychlit či zpomalit, čímž změníte trajektorii letu. Někdy se mylně uvádí, že sluneční plachtu žene vpřed sluneční vítr. Ten na plachtu sice také působí, ovšem jeho tlak je o tři řády nižší než tlak slunečního světla. Výrazněji ovlivnit plachetnici dokáže sluneční vítr, pouze jedná-li se o masivnější výtrysk hmoty.

Zvětšit obrázek

Obr 2 NanoSail-D2. Kredit: nasa.gov

Takový výtrysk ovlivnil první americkou sluneční plachetnici NanoSail-D2 (Nanosail-D byla neúspěšná kvůli havárii nosné rakety Falcon 1 v roce 2008). Nanosail-D2 byla čistě pasivní plachetnice s plachtou velkou 10 m². Ve výšce asi 650 km nad Zemí se oddělila od nosné rakety, rozvinula se a pak jen plachtila prostorem, udávajíc o sobě informace ohledně dráhy a úhlu natočení ke Slunci. Vědci tak měli možnost zjistit, jaké vlivy a jak silně na ni působí. Postupně se dráha NanoSail-D2 snižovala i díky tření o zbytky atmosféry. O definitivní pokles do hustých vrstev atmosféry se postaral právě silný výtrysk sluneční hmoty, který plachetnici zpomalil pod 1. kosmickou rychlost.

To japonská sluneční plachetnice byl výrazně sofistikovanější pokus, který se do vesmíru dostal dokonce dříve než americký. Plachetnice se jmenovala IKAROS podle známého bájného letce, jemuž Slunce roztavilo vosk na jeho křídlech z ptačích per. 170 m² velká plachetnice IKAROS se neomezila na oběžnou dráhu Země a navíc nebyla pasivní. Bylo (respektive stále je) ji možné řídit pomocí vetkaných pásů tekutých krystalů. Jsou to stejné tekuté krystaly, jaké se nachází v displejích kalkulaček. Pásy mohou být buďto průhledné nebo černé podle toho, jak jim počítač poručí. A protože se tím mění i schopnost pohlcovat a odrážet světlo, může díky tomuto efektu plachetnice měnit svůj směr. Zkušenosti získané misí IKAROS chtějí Japonci zúročit při konstrukci nové plachetnice s úhlopříčkou 50 metrů (plocha přibližně 1200 m² ), jež se má vydat k Jupiteru do roku 2020.
 

Zvětšit obrázek

IKAROSkredit:jaxa.jp

Stejně velkou plachetnici, jakou připravují do budoucna Japonci, Američané vypustí již příští rok. Jak bylo uvedeno v úvodu, nazývá se Sunjammer (doslova rušič Slunce). Někdy se tak nazývá celý projekt, i když oficiální název je Solar Sail Demonstration. To uvádím pro případ, že byste si chtěli dohledat po přečtení článku další informace.

Historie vývoje slunečních plachetnic v NASA sahá až do 70. let, kdy se uvažovalo o vyslání prototypu k Halleyově kometě. Z toho nakonec sešlo, a tak se se skutečnými pracemi na letu schopném exempláři začalo až krátce po nástupu 21. století. Realizace prvních plachet, jejich rozbalování, napínání, případně odolnost podmínkám panujícím v kosmu, se zkoušela od roku 2004 ve vakuové komoře v Glenn Research Center NASA Plum Brook. Na konstrukci se podílelo Marshallovo kosmické středisko, NOAA a také soukromá firma L’Garde. Ta není v oboru žádným nováčkem. Podílela se například na experimentu s nafukovací anténou pro misi raketoplánu STS-77 Inflatable antenna experiment (IAE). 

Sunjammer byl vyvořen na základě zkušeností s testovacími pozemními exempláři, ale také s plachetnicí NanoSail-D. Celá plachta je vytvořena z materiálu Kapton  od firmy DuPont, což je polyimidová fólie s velkou pevností a stálostí v širokém rozsahu teplot, v tomto případě potažená navíc odraznou hliníkovou vrstvou. Tloušťka fólie je pouhých 5 mikronů. Je tedy několikrát tenčí než lidský vlas. Proti tomu japonská plachta měla tloušťku 7,5 mikronů. Hmotnost plachty Sunjammeru je díky tomu jen 32 kg. K němu je připojen servisní modul o hmotnosti 80 kg. Ten by však měl být využit pouze při začátku mise a později bude odhozen.
 

Zvětšit obrázek

Sunjammer. (Kredit: nasa.gov)

Hmotnost celé plachetnice v poměru k ploše její plachty čili plošná hustota je jeden ze základních údajů, který nám napoví, jaké rychlosti s ní můžeme dosáhnout. Označuje se malým řeckým písmenem σ (sigma). Budeme to samozřejmě porovnávat při shodném dopadajícím slunečním záření. Hmotnost zejména u budoucích rozměrných plachetnic ovlivní nejvíce hustota materiálu, ze kterého je plachta vyrobena. Kapton použitý na Sunjammeru má 12 g/m². Mylar, z něhož byla vyrobena jedna z neúspěšných předchůdkyň, Cosmos-1,   je na tom se 7 g/m² lépe. Sunjammer se svými 32 kg má plošnou hustotu 26 g/m² . Japonský IKAROS na tom byl ještě výrazně hůře, jednak měl silnější plachtu, a hlavně poměrně robustní servisní modul. I tak dokázal za půl roku zvýšit svoji rychlost o 100 m/s.

Při zvolení vhodné dráhy okolo Slunce tak, aby se využilo maximum dopadajícího slunečního světla, by už Sunjammer mohl konkurovat meziplanetárním sondám s klasickým pohonem využívajícím gravitační praky. S tím blízkým průletem okolo Slunce by se to nesmělo přehnat. Jako bezpečná vzdálenost se uvádí 0,2 AU. Tuhle jednotku budu ve zbytku článku ještě několikrát uvádět, protože je možné si pomocí ní dobře představit vzdálenosti ve sluneční soustavě. AU je tzv. astronomická jednotka (Astronomical unit) a určuje střední vzdálenost Země od Slunce. Dnes je pro přesná měření definována její hodnota na 149 597 870 700 metrů. Sunjammer se ovšem na poměry sluneční soustavy bude pohybovat poměrně blízko u Země. Odhadovaný maximální tah, jež jeho plachta vyvine, tak bude 0,01 Newtonu. Pro srovnání sonda DeepSpace-1 s poměrně slabým iontovým pohonem měla tah 0,09 N.

Teď si představte, že místo mylaru a kaptonu použijeme nějaké exotičtější materiály. Materiálové inženýrství nabízí aerogely, což jsou ultralehké materiály vyrobené z oxidu křemičitého. Vyrobit je lze i z dalších sloučenin například uhlíku nebo hliníku (ten by mohl velmi dobře odrážet sluneční světlo). Nabízí se i dnes velmi populární nanomateriály na bázi uhlíku. Jeden z posledních rekordů na poli minimální hustoty má aerogel z niklu a fosforu.  Jedná se o pouhých 0,9 kg/m³ (toho je docíleno vyráběním materiálu za nižšího než běžného atmosférického tlaku) . Aerogely však nebudou moci být tenké 5 mikronů, takže pouhý přepočet, byť vyzní fantasticky, je bohužel nereálný. Ovšem i kdyby byl aerogel 1000x silnější než kapton použitý na Sunjammeru, přesto bude mít menší plošnou hustotu, konkrétně 4,5 g/m² . Pokud bychom se dostali na plošnou hustotu 1 g/m², pak vězte, že taková plachetnice by při použití výše uvedené dráhy okolo Slunce za rok urazila 30 AU, tedy téměř vzdálenost k Plutu. Pro porovnání, sonda New Horizons  na to potřebuje 9 let. Efektivnější sluneční plachetnice by se mohly dokonce vydat k nejbližším hvězdám, kde by zabrzdily pomocí světelného záření cílové hvězdy.

To jsou ale vyhlídky na budoucnost. Teď se vraťme k plachetnici Sunjammer. U japonského IKAROSE proběhlo rozvinutí plachty odstředivou silou díky závažím, které po rozrotování celé sondy plachtu napnuly a dále ji držely napnutou. Sunjammer musí použít odlehčenou nosníkovou konstrukci, po které se plachta rozvine. Ono mu ani nic jiného nezbyde, když chce na konci každého ramene mít klapky, které budou celou plachetnici aktivně řídit svým naklápěním. Tato metoda řízení stabilizace a drobných korekcí dráhy se neobjevuje u vesmírného plavidla prvně. Už sonda Mariner 4 měla podobné klapky na konci slunečních panelů. I sonda Messenger momentálně operující u Merkuru ušetřila mnoho paliva díky podobným mechanismům. U ní díky blízkosti Slunce stačily na řízení samotné solární panely.

Rozložením plachty Sunjammeru

Na Sunjammeru se bude testovat různé budoucí použití slunečních plachet:
Sluneční plachetnice by mohla být aktivním odstraňovačem kosmického odpadu z oběžné dráhy, případně by budoucí družice nesly lehký balíček se složenou plachtou a při konci mise by jej jen aktivovaly, čímž by mohly svoje palivo využívat do úplného vyčerpání nádrží a nemusely by si nechávat rezervu na deorbitaci (snížení rychlosti pro vstup do atmosféry). Toto se sledovalo už na Nanosailu-D2, ale tady to bude prováděno v 1.části mise společně se získáváním zkušeností ohledně řízení plachetnice.

Zvětšit obrázek

Pole sitter – plachetnice “visí” nad zemským pólem. Kredit: strath.ac.uk

 
Solární plachetnice by se mohly usadit nad některým z polů Země a šířit odsud signál na Zem. Obyvatelé polárních oblastí by tak získali výhody, jaké mají běžní uživatelé geostacionárních satelitů (např. Astra). Kdyby toto chtěl dokázat konvenční satelit, stálo by ho to neuvěřitelné množství paliva. Plachetnici de facto přichází “sluneční palivo” stále. Může tak pomocí něj eliminovat gravitační účinky Země a Slunce. Dobře je to vidět na obrázku, kde plachetnice obíhá virtuální bod nad oběžnou drahou Země a oběh je synchronizován s dobou oběhu Země okolo Slunce. Z pohledu člověka na pólu tak vlastně plachetnice visí na jednom místě.
Proč se ale omezovat na virtuální body v prostoru jen v blízkosti Země? Plachetnice si podobným způsobem může vytvořit pseudolibrační centra. Sunjammer se vydá otestovat své pilotní schopnosti nejprve do libračního centra L1 soustavy Země-Slunce. To se nachází ve vzdálenosti 0,993 AU, pak se zkusí přesunout blíže ke Slunci do vzdálenosti 0,98 AU a tam “zakotvit”. Podobný manévr může v budoucnu provést nástupce Sunjammeru, který bude disponovat aparaturou pro včasné varování před slunečními erupcemi ohrožujícími Zemi. Proto se právě v projektu Solar Sail Demonstration angažuje NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), která má na starosti projekt GEOSTORM. Říkáte si možná, že 0,993 AU a 0,98 AU není velký rozdíl, ale vězte, že se to rovná půlhodině až hodině, o kterou můžeme být informováni dříve. Tedy se můžeme i lépe připravit.

Zvětšit obrázek

Sunjammer na Falconu 9. (Kredit: L Garde)

O start Sunjammeru se postará raketa Falcon 9 s vylepšenými motory Merlin 1D. Zatím se mluví o třetím čtvrtletí roku 2014. Sunjammer vzhledem ke svým malým rozměrům ve složeném stavu a nízké hmotnosti bude pouze sekundárním nákladem. Oddělí se po vyhoření druhého stupně rakety na nízké oběžné dráze. Primární náklad (některá z družic Asiasat) by měl pokračovat na GTO. Po oddělení Sunjammer rozvine sluneční plachtu. Kontrolu rozvinutí provede přibalený fotoaparát servisního modulu. Díky Sunjammeru se dočká splnění svého posledního přání autor slavné série StarTrek, Gene Roddenberry. Na palubu umístila společnost Celestis, Inc., zpopelněné ostatky Gena i jeho manželky.

Zvětšit obrázek

Sunjammer a budoucí. (Kredit: L Garde)

Sunjammer by měl definitivně prokázat schopnosti slunečních plachetnic. Po něm určitě přijdou další větší plachetnice. L’Garde na svém webu představuje koncepty plachetnic o rozměrech 4 800 m² (opět sekundární náklad Falconu 9) , 10 000 m² (raketa Taurus), a dokonce 62 800 m² (raketa Delta II).
 

Zdroje informací:
http://www.nasa.gov/home/hqnews/2011/aug/HQ_11-272_TDM_Selections.html
http://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/solarsail/solarsail_overview.html
 http://www.nasa.gov/vision/universe/roboticexplorers/solar_sails.html
http://www.lgarde.com/  http://www.lgarde.com/programs/space-propulsion/sunjammer/#gallery[pp_gal]/4/
http://www.space.com/  http://www.space.com/19565-worlds-largest-solar-sail-sunjammer.html
http://en.wikipedia.org/  http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail
http://trs-new.jpl.nasa.gov/  http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/15866/1/00-1644.pdf
http://www.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=30&t=224
http://www.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=38&t=84
Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/images/content/600199main_solar_sails2_226.jpg
http://www.dvice.com/sites/dvice/files/styles/content_panes_media/public/sunjammer-solar-sail-prototype.jpg
http://www.strath.ac.uk/media/faculties/engineering/advancedspaceconceptslab/research/astrodyn/projects/pole-sitter/pole-sitter_coneSynodic.PNG
http://hobbyspace.com/Blog/wp-content/uploads/2013/01/SunjammerScale.jpg
http://a5812dc8bd9140d242e5-6a6d461ce122a15fb2cf3be7c57b2f08.r88.cf2.rackcdn.com/wp-content/uploads/2013/01/Sunjammer_launch.png
http://apod.nasa.gov/apod/fap/image/1101/NanoSailD900.jpg
http://www.jaxa.jp/countdown/f17/special/img/ikaros_wp01.jpg
Psáno pro Kosmonautix a Osel.cz