Je kam letět?

První otázkou je, jestli by v případě možnosti mezihvězdného cestování bylo kam letět a zda by takové lety měly smysl. V této oblasti se v posledních letech podařilo učinit obrovský pokrok. Nové exoplanety jsou objevovány jako na běžícím pásu a mezi nimi se stále častěji objevují i planety, které by mohly mít podmínky blízké podmínkám na Zemi. Jde hlavně o to, aby měly pevný povrch a gravitaci na povrchu, která nebude příliš odlišná od té na povrchu Země. Také se na nich musí vyskytovat voda v tekutém stavu a to je možné jen v případě, že je na nich vhodné rozmezí teplot. Musí se tedy vyskytovat v takových vzdálenostech od mateřské hvězdy, která tyto teploty zaručuje.

Právě ocenění statistiky výskytu planet různých typů a mezi nimi i těch, které mají podmínky umožňující existenci života, byl hlavním úkolem vesmírného teleskopu Kepler.   Ten sledoval relativně malou, ale na hvězdy bohatou, oblast v souhvězdí Labutě. Přítomnost planety zjišťoval pomocí jemných poklesů jasnosti hvězd v době, kdy před jejich diskem přechází planeta. Čím větší je planeta a čím dále je od své hvězdy, tím je větší pokles jasnosti. V každém případě je však pokles velice malý, u planet blížících se rozměru Země pod desetiny až setiny procenta. Pro planety s rozměrem Jupitera může jít až o jednotky procent. Pokles trvá podle velikosti a tvaru dráhy planety od hodiny až několik dnů.

 

Dalším problémem je, že pro potvrzení existence planety a určení jejich parametrů je potřeba pozorovat několik jejich přechodů před mateřskou hvězdou. Musí se potvrdit, že pokles má vždy stejný charakter a opakuje se se stejnou periodicitou. To by mohlo naznačovat, že je způsoben oběhem tělesa kolem mateřské hvězdy a ne jinými jevy. Daleko lépe se tak hledají planety, které jsou blízko hvězdy a mají krátké doby oběhu. Planety, které naopak mají dobu oběhu delší než rok, už nemůže Kepler, jehož plánovaná doba aktivní služby byla okolo třech let, potvrdit. Lze pak planetu v systému, u kterého bylo jedno nebo více pozorování poklesu jasnosti mateřské hvězdy provedeno Keplerem, potvrdit jinými přístroji. Výhodou vesmírného dalekohledu Kepler je, že jeho pozorování není rušeno extinkcí vytvářenou zemskou atmosférou. Toto „mihotání“ hvězd způsobené nehomogenitami v atmosféře na dráze světla z hvězdy k dalekohledu ztěžuje pozorování malých poklesů intenzity světla. Zároveň je Kepler dalekohledem specializovaným čistě na pozorování exoplanet pomocí jejich přechodů před mateřskou hvězdou a jeho umístění ve vesmíru umožňuje nepřetržité celoroční pozorování sledovaných hvězd bez přestávky 24 hodin. To není možné pomocí jednoho pozemského dalekohledu.

Je jasné, že je třeba odlišit jiné zdroje změn jasnosti hvězdy a také vliv jiných jevů (oblaka plynu či prachu, slabě zářící hvězdy s malou hmotností a podobně). A to nelze úplně bez pozorování několika poklesů jasnosti. Velká část pozorování tak pochopitelně bude prozatím bez spolehlivého potvrzení. I tak by však měla umožnit splnit hlavní úkol projektu. Tím je zjištění statistiky přítomnosti planet u hvězd a hlavně posunu našich znalostí o přítomnosti planet k planetám menších rozměrů, tedy srovnatelných s velikostí Země a nacházejících se v takových vzdálenostech od hvězdy, aby byly v obyvatelné zóně. Což znamená, ve vzdálenostech větších a s oběžnými dobami delšími než u téměř všech exoplanet známých do vypuštění Keplerova dalekohledu.

Aby mohl Kepler splnit svůj úkol, muselo jít o přístroj s relativně velkým průměrem (1,4 m) a velmi velkým zorným polem. Jeho velikost je zhruba 12 obloukových stupňů a umožňuje současné pozorování a určování fotometrické jasnosti zhruba 100 000 hvězd. Hledání planet by mělo být možné u hvězd do vzdálenosti okolo 3 000 světelných let. Problémem při hledání planet pomocí přechodu před mateřskou hvězdou je, že jejich dráha musí být vůči Slunci správně orientována. A například u planet s podobnou velikostí a charakterem dráhy Země je pravděpodobnost takto vhodné geometrie menší než 1 %. U planet velikosti Jupitera a na drahách blíže ke hvězdě může být tato pravděpodobnost mezi 1 až 10 %. Pro velké planety na blízkých drahách k mateřské hvězdě tak Kepler nevidí 90 % existujících případů, ale pro planety typu Země v podobných vzdálenostech od mateřské hvězdy více než 99 % existujících. Jejich nalezení tak je mnohem a mnohem náročnější.

 

Katalog exoplanet obsahuje v současnosti (červenec 2013) 919 planet v 708 planetárních systémech. Mezi nimi je 132 potvrzených exoplanet z Keplera. Navíc tento dalekohled našel 2700 potenciálních kandidátů na exoplanety. Kepler pozoruje zmíněných 100 000 hvězd. Pokud se mu tedy podařilo zatím objevit téměř 3 000 potenciálních hvězd s planetou, znamená to se započtením i těch, které mají nevhodně natočenou dráhu svých planet, že skoro každá hvězda má planetu.

Dalekohled Kepler fungoval předpokládanou dobu překračující tři roky a v nedávné době musel s hledáním exoplanet kvůli poruše druhého gyroskopu skončit. I když, ještě není úplně ztracen. Právě v této době se pokouší NASA o opravu jednoho poškozeného gyroskopu a obnovení provozu Keplera. Je také třeba poznamenat, že je zatím zpracována pouze polovina získaných dat a tak lze očekávat potvrzení dalšího počtu z potenciálních exoplanet i nalezení nových kandidátů. Lze tak očekávat, že splní svůj hlavní cíl, který spočívá v tom, že poskytne statistická data o výskytu planet a to i v závislosti na jejich velikosti a dalších parametrech, jak planety, tak i mateřské hvězdy. První výsledky ukazují, že důvodem, proč většina exoplanet, které jsme zatím objevili, jsou velké a v blízkosti mateřské hvězdy, je výběrový efekt. Je dán tím, že se pozorují nejsnadněji. Ve skutečnosti je menších planet velikosti Země daleko více. Zároveň se ukázalo, že planetární systém je velice běžný a planet je v Galaxii obrovské množství.

Uveďme si několik konkrétních dat z Keplera. V dubnu letošního roku byly publikovány výsledky studia dvou velice zajímavých exoplanetárních soustav. Systém Kepler 62 je okolo hvězdy, která je menší a chladnější než Slunce. Její svítivost je pouze pětina svítivosti Slunce. Nalezeno u ní bylo pět planet, z nichž dvě leží v obyvatelné zóně. Jedna je o 40 % a druhá o 60 % větší než Země. Jde o nejmenší planety v obyvatelné zóně, které do té doby Kepler objevil. Druhá soustava je u hvězdy, která je velmi podobná Slunci. Jedna ze dvou jejich nalezených planet se nachází v obyvatelné zóně a je jen o 70 % větší než Země. Jde o zatím nejmenší planetu objevenou v obyvatelné zóně hvězdy slunečního typu.

 

Z hlediska statistických analýz může pro nás být nejzajímavější analýza přítomnosti planet typu superzemě v obyvatelných zónách červených trpaslíků. To jsou nejčastěji se vyskytující hvězdy v Galaxii i v okolí Slunce. V analýze založené na datech z Keplera, kterou publikovali  C. D. Dressing a D. Charbonneau, bylo nalezeno 3897 červených trpaslíků s teplotou nižší než 4000 K. Mezi nimi bylo 64 trpaslíků s náznaky existence exoplanet, u kterých bylo zjištěno celkově 95 kandidátů na exoplanety. Z průběhu transitů v těchto případech odhadli autoři rozměr a oběžnou dobu kandidátů na exoplanety. Potom přepočítali pozorování pomocí pravděpodobnosti existence vhodné geometrie pro pozorování transitů a zjistili celkovou pravděpodobnost výskytu daného typu planet u červených trpaslíků. Určili, že planety s rozměrem 0,5 až 4 rozměry Země s periodou oběhu kratší než 50 dní se u červených trpaslíků vyskytují v počtu 0,86 takové planety na jednoho trpaslíka. U hvězd s rozměry Země (0,5 až 1,4 jejího poloměru) je tento počet 0,47 planety na trpaslíka. V daném souboru se podařilo najít dvě planety s rozměrem blízkým Zemi v obyvatelné zóně mateřské hvězdy. Z toho vyplývá, že výskyt takové exoplanety je u červeného trpaslíka mezi 3 až 12 % (v rámci jednoho sigma) s nejpravděpodobnější hodnotou 6 %. Velice pěkný český server o exoplanetách je zde

 

Nejbližší hvězdy a pozorované planety

Kepler nám umožňuje získat první představu o statistice výskytu různých planet v Galaxii. Většina jím objevených planet je ve značných vzdálenostech stovek a tisíců světelných let od Slunce. Z hlediska možností budoucích mezihvězdných letů je však pro nás nejzajímavější nalezení planet do vzdálenosti řádově desítek světelných let a hlavně poznání jejich vlastností. A ocenění možností jejich využití jako cíle mezihvězdného letu a případně jako základnu pro další mezihvězdnou expanzi. Nejbližší hvězdy jsou ve vzdálenostech přes čtyři světelné roky. Do vzdálenosti 5 parsec, což odpovídá vzdálenosti 16,3 světelných let, je 55 hvězdných systémů (některé jsou násobné). V nich je 56 klasických hvězd na hlavní posloupnosti, z nich pak 46 červených trpaslíků, což je nejčastěji se vyskytující typ hvězdy. Dále je tam 15 hnědých trpaslíků, u nichž hmotnost nestačila k zapálení fúzních reakcí. A nakonec jsou zde 4 bílí trpaslíci, což jsou konečná stádia hvězd takového typu, jako je třeba i Slunce. Samotné Slunce je poměrně hmotná hvězda. Výskyt hvězd s takovou a větší hmotností je poměrně vzácný, takže do vzdálenosti zmíněných 16,3 světelných let jsou kromě Slunce jen tři: Alfa Kentaura A, Sirius A (Alfa Velkého psa) a Procyon A (Alfa Malého psa).

Do vzdálenosti 10 světelných let je pak pouze devět hvězdných systémů. U nich byl kandidát na exoplanetu nalezen zatím pouze u hvězdy Alfa Kentaura B. V širším okolí do 16,3 světelných let pak byl zatím nalezen náznak existence exoplanet dohromady pouze u šesti hvězd. I když v některých případech není identifikace zatím úplně jistá. V každém případě jde většinou o velké planety podobné Jupiteru. Nejbližší hvězda s náznaky existence exoplanety je zmíněná Alfa Kentaura B ve vzdálenosti zhruba 4,4 světelných let. V daném případě byly pozorovány náznaky existence planety, která má zhruba hmotnost Země, ale je mnohem blíže k mateřské hvězdě než Merkur od Slunce a její oběžná doba je 3,2 dne. Planeta byla pozorována metodou využívající pozorování změn radiálních rychlostí mateřské hvězdy měřených zařízením HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) umístěném na dalekohledu s průměrem 3,6 m organizace ESO na observatoři v La Silla (Čile). Pozorování provedla skupina astronomů a publikovala koncem minulého roku. Od té doby se objevila práce, která prováděla nové analýzy dat získaných pomocí spektrometru HARPS a předchozí objev zpochybňuje (Artie P. Hatzes). Je tak nutné další ověření tohoto objevu.

 

Další planetou, u které byly pozorovány náznaky existence exoplanet, je epsilon Eridani ve vzdálenosti 10,5 světelných let. Zde byla různými metodami, pomocí studia radiálních rychlostí s využitím HARPS a astrometrie (výkyvech v pohybu mateřské hvězdy) pomocí Hubblova teleskopu nalezena planeta velikosti Jupitera. Problém je, že mateřská hvězda je velmi aktivní a navíc je v soustavě rozsáhlý prachoplynný disk, který může existenci planety simulovat. Zmíněná planeta je tak pořád zpochybňována a její přítomnost nejistá. Existence další exoplanety v tomto systému byla dedukována z chování prachoplynného disku. I ta je však zpochybňována.

 

Koncem roku 2012 byl také publikován objev pěti exoplanet u hvězdy tau Ceti. I v tomto případě byly náznaky existence planet vyloveny pomocí zařízení HARPS z analýzy změn radiálních rychlostí. Jde však o velmi malé změny a signál se loví z šumu. Jistá skepse je tedy na místě.

Gliese 674 je červený trpaslík ve vzdálenosti necelých 15 světelných let. Pomocí studia změn radiálních rychlostí mateřské hvězdy zde byla opět s využitím systému HARPS objevena planeta s oběžnou dobou 4,7 dne a velikosti zhruba Neptunu či Uranu. Dalším červeným trpaslíkem, u kterého byly nalezeny také exoplanety je Gliese 876 zhruba ve stejné vzdálenosti. V tomto případě byly postupně pomocí měření radiálních rychlostí a astrometrických měření objeveny čtyři planety, které jsou však všechny větší než Země a některé dosahují hmotností Jupitera. Dvě se pohybují v obyvatelné zóně, která je u této slabě zářící hvězdy zhruba ve vzdálenosti 0,1 až 0,2 astronomických jednotek (astronomická jednotka je zhruba vzdálenost Země od Slunce). Poslední červený trpaslík v diskutovaném prostoru s pozorováním existence exoplanety je Gliese 832 ve vzdálenosti 16,1 světelných let. Byla zde opět pomocí změn radiálních rychlostí indikována exoplaneta velikosti Jupitera s oběžnou dobou necelých deset let.

Je vidět, že zatím je objevených blízkých exoplanet relativně málo. Existence některých z nich je dosud nejistá a čeká se na jejich potvrzení. Všechny objevy byly učiněny pomocí spektrometrie, která pomohla sledovat změny radiálních rychlostí mateřské hvězdy nebo astrometrií, která studovala nepravidelnosti v pohybu mateřské hvězdy způsobené gravitačním vlivem planety. Nepozorování transitů je dáno malým celkovým počtem hvězd v tomto nejbližším okolí Slunce a malou pravděpodobností, že geometrie dráhy planety okolo hvězdy a její poloha vůči Slunci splňuje podmínky, aby se ze Země transity pozorovaly. To, že spolehlivě jsou pozorovány planety hlavně u červených trpaslíků je přirozené. V tom případě je hmotnost hvězdy nižší, planeta tak způsobuje svým gravitačním vlivem větší změny dráhy a radiálních rychlostí mateřské hvězdy a její pozorování je snadnější.

 

Na základě měření získaných spektrometrem HARPS byla také provedena statistická studie výskytu exoplanet u červených trpaslíků podobná té, která byla popsána v přehledu výsledků projektu Kepler. V tomto případě bylo pomocí spektrometru HARPS pozorováno 102 červených trpaslíků. Bylo u nich nalezeno 9 planet velikosti superzemě (do hmotnosti 10 Zemí) a dvě z nich byly v obyvatelné zóně okolo mateřské hvězdy. Po přepočtení na účinnost metody hledání to znamená, že by se zhruba u 40 % červených trpaslíků měla taková superzemě vyskytovat v obyvatelné zóně (rozmezí dané nejistotou je mezi 28 % až 95 %). Připomeňme, že analýzou dat z Keplera se pro pravděpodobnost výskytu exoplanety zemského typu (rozměr 0,5 až 1,4 Země) v obyvatelné zóně červeného trpaslíka dostala pravděpodobnost 6 % (rozmezí dané nejistotou je mezi 3 % až 12 %). Tyto údaje nemusí být v rozporu. Studie využívající měření spektrometru HARPS pokrývá daleko rozsáhlejší rozmezí hmotností planet. Navíc jsou oba odhady poznamenány značnými nejistotami.

 

Pokud si připomeneme, že do vzdálenosti 16,3 světelných let od Slunce je 46 červených trpaslíků, tak by nám vycházelo z předchozích odhadů, že by zhruba u tří z nich měly být planety velikosti Země v obyvatelné zóně okolo mateřské hvězdy a u 18 z nich planety velikosti superzemě. Nejistota těchto odhadů je značná, přesto naznačují, že kandidát na „obyvatelnou“ planetu by se v tomto blízkém okolí Slunce mohl vyskytovat. Je však třeba připomenout, že vhodná velikost planety a její přítomnost v zóně, kde by svit mateřské hvězdy umožňoval existenci atmosféry a tekoucí vody, ještě neznamená, že na ní budou opravdu podmínky vhodné pro život. Problémem může být právě to, že exoplaneta je u červeného trpaslíka. Jeho svítivost je jen pětinou svítivosti Slunce a obyvatelná zóna je tak mnohem blíž mateřské hvězdě, než je tomu u Slunce. Vzdálenost obyvatelné exoplanety od červeného trpaslíka tak musí být zhruba 5 až 10krát menší. Exoplaneta bude kvůli tomu mít vázanou rotaci, jako má například Měsíc, a bude k mateřské hvězdě natáčet stále stejnou stranu. Teploty mezi přivrácenou a odvrácenou stranou planety může vyrovnávat atmosféra, ale i tak to může být problémem třeba v podobě velmi silných větrů. Pomalá vázaná rotace může také způsobit, že bude příliš slabé magnetické pole planety. To pak nemusí být dostatečnou ochranou před kosmickým zářením z mateřské hvězdy. Větší planeta typu superzemě by však i při pomalejší rotaci mohla mít magnetické pole dostatečně intenzivní. Dalším problémem je, že červení trpaslíci jsou hlavně v prvních dvou miliardách let svého věku intenzivním zdrojem ultrafialového i rentgenovského záření, což by také život ohrožovalo. V pozdějším věku se v tomto směru situace radikálně zlepšuje.  Je tedy vidět, že exoplanet v blízkosti Slunce bude patrně relativně hodně, ale nalezení exoplanety, která bude reálně obyvatelná, je stále hodně otevřenou otázkou.

 

Jak zajistit energii a pohon pro kosmické lodě?

Vypadá to, že potenciální cíle pro naše mezihvězdné lety by měly být i v bezprostředním, tedy z hlediska mezihvězdných vzdáleností, okolí Slunce. Podívejme se, jestli existují možnosti zajistit energii pro pohon mezihvězdné lodi a také pro zajištění životních podmínek při vesmírném letu. V našem rozboru se budeme věnovat pouze možnostem, které odpovídají našemu současnému přírodovědnému a zvláště fyzikálnímu poznání. A v tomto případě se musí jednat o zdroje jaderné. Velice podrobný rozbor možností jaderných zdrojů, způsobu i historie jejich využití byla popsána v  článku, který vyšel na Oslovi před pěti lety.  V současném článku bych se zaměřil na pokrok, který se v pětiletém období od napsání předchozího dosáhl. Pro další detaily a podrobnější rozbor některých principů a předchozí historie lze nahlédnout do zmíněného dřívějšího článku.

Pro využití ve vesmíru se nabízejí čtyři možné typy jaderných zdrojů energie. Jde o radioizotopové zdroje, které využívají energii uvolněnou rozpadem radioaktivních jader. Dalšími využívanými zdroji jsou jaderné reaktory založené na využití energie získané ve štěpení těžkých jader. V budoucnu se plánuje používat i termojaderné fúze, kdy se využívá energie uvolněná při fúzi velmi lehkých jader, a ve vzdálenější budoucnosti i anihilace, kterou známe třeba právě i ze světa Star Treku.

Získaná energie se ve vesmíru využívá k pohonu kosmických lodí a aparátů i k výrobě elektřiny a zajištění tepla a podmínek pro život posádek i práci přístrojů. Jednou z možností pohonů jsou tepelné motory fungující na základě expanze horkého plynu a plazmy nebo pulzní motory, které využívají mikro či minivýbuchy. Druhým směrem jsou pak motory, které k vytvoření směrovaného výtoku nabitých částic využívají elektrická a magnetická pole, těm se říká iontové motory.

 

Radioizotopové zdroje

Radioizotopové zdroje využívají energii uvolněnou v rozpadu radioaktivních jader. V kosmických aparátech se využívaly dva radioizotopy. V dřívějších dobách se využíval izotop polonia 210. Ten má poločas rozpadu 0,38 roku a hodí se tak spíše pro kratší mise. Rusové jej například využili v radioizotopových zdrojích u svých lunochodů. U nich však nesloužily pro výrobu energie pro pohon, k tomu sloužily fotovoltaické články, ale k ohřívání vozítka hlavně během měsíční noci. Dominantně se však využívá izotop plutonia 238. Ten má poločas rozpadu zhruba 88 let a umožňuje tak dlouhodobý stabilní výkon zdroje. Je třeba připomenout, že plutonium 238 má na rozdíl od plutonia 239 sudý počet neutronů (je jich 144) a není tedy štěpným materiálem, který by se dal využít jako palivo v jaderných reaktorech nebo bombě.
Radioizotopové zdroje využívající plutonium 238 byly na všech sondách, které se vydávaly k vnějším velkým planetám Sluneční soustavy. V odkazovaném článku z roku 2008 se popisoval zdroj GPHS-RTG (General Purpose Heat Source – Radioisotope Thermoelectric Generator) s tepelným výkonem 4400 W využívající 10,9 kg oxidu plutoničitého. Ke konverzi tepelné energie na elektrickou se u něj používal termoelektrický článek. Elektrický výkon byl 290 W a tedy účinnost konverze 6,6 %. Rozpadem radioaktivního materiálu klesá aktivita i tepelný výkon zdroje. Tím se snižuje i elektrický výkon a to rychleji než tepelný, protože s poklesem teploty a rozdílu mezi teplotou ohřívané a chlazené části klesá i účinnost konverze tepelné energie na elektrickou.
Tyto radioizotopové zdroje byly na sondách Galileo, Ulysses, nebo Cassini. Poslední zdroj tohoto typu byl namontován na sondu New Horizons, která odstartovala v lednu 2006 a za dva roky v červenci 2015 dorazí k mrazivému Plutu s jeho soustavou měsíců. Po průletu zamíří dále do Kuiperova pásu těles a pokusí se některé z nich prozkoumat.

V minulém desetiletí byl vyvinut radioizotopový zdroj nové generace.  Jeho označení je MMRTG (Multi-Mission RTG). V tomto případě je hmotnost použitého plutonia méně než poloviční oproti předchozímu zdroji, jde o 4,8 kg oxidu plutoničitého rozděleného do osmi modulů GPHS (General Purpose Heat Source). Zdroj má na počátku celkový tepelný výkon 2000 W. Ke konverzi tepelné energie na elektrickou se opět využívá termoelektrický článek. Elektrický výkon je zhruba 125 W a účinnost konverze tedy okolo 6,3 %.

 

Tento nový typ radioizotopového zdroje byl poprvé použit na marsovské pohyblivé laboratoři Curiosity, která startovala v listopadu 2011 a na Marsu úspěšně přistála v srpnu 2012. Hlavním úkolem této laboratoře je průzkum podmínek na Marsu a hlavně hledání současných i minulých projevů existence vody. Právě pro geologický průzkum je vybavena přístroji, které ji umožňují získávat vzorky nejen sběrem, ale i vrtáním a komplexně je analyzovat. Sonda již v počátečním stádiu své mise dosáhla řady velmi významných objevů. Do současné doby už urazila při své cestě vzdálenost jednoho kilometru. Je však třeba poznamenat, že překonaná vzdálenost není to podstatné. Na své cestě se sonda velmi často zastavuje a provádí velmi různorodé průzkumy. Asi nejzajímavějším výsledkem je několik stop existence tekoucí vody na povrchu Marsu v minulosti. Tak komplexní laboratoř by nemohla pracovat bez zdroje elektřiny s dostatečným výkonem. A dostatečný výkon umožní právě radioizotopový generátor.

 

 

Další mise, které by tyto zdroje využily, nejsou závazně určeny. Zatím jediným horkým kandidátem je nová pojízdná marsovská laboratoř, která by měla být dokonalejší než Curiosity a startovala by v roce 2020. Obsahovala by mnohem dokonalejší sestavu přístrojů zaměřených i na astrobiologický průzkum a hledání života na Marsu. Intenzivní geologický a další průzkum by měl vytvořit podmínky pro cestu kosmonautů na Mars. Další vhodné mise nejsou zatím v plánu.

 

Pro budoucí mise se také pracuje na vylepšení zdroje v oblasti konverze tepelné energie na elektrickou. Termoelektrický článek by se v tomto novém zdroji vyměnil za Stirlingův motor a vznikl by zdroj s označením ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator). U Stirlingova motoru je účinnost konverze okolo 30 % a zdroji s elektrickým výkonem 140 W by stačil tepelný výkon zhruba 470 W a využíval by dva moduly GPHS s pouhými zhruba 1,2 kg oxidu plutoničitého. Každá ASRG jednotka by měla dva Stirlingovy motory. Celková hmotnost ASRG bude 22 kg. Jistou nevýhodou využití Stirlingova motoru je to, že obsahuje pohyblivé části, takže je větší riziko poruchy. S tímto typem radioizotopového zdroje se počítá právě k misím do vnějších částí Sluneční soustavy. Jedná se například o projekt (TiMe) Titan Mare Explorer - sondy, která přistane na povrchu největšího měsíce Saturnu Titan a bude zkoumat hlavně jeho moře. Sonda by potřebovala dva ASRG. Původně šlo o samostatný projekt, který se později stal součástí mise TSSM (Titan Saturn System Mission). Ovšem před touto misí dostal přednost projekt nové mobilní marsovské laboratoře zmíněný před chvílí. Je tak otázkou, jestli vůbec a kdy k realizaci projektu dojde. Stejně tak je otevřená otázka realizace projektu sondy HORUS, která by se stala oběžnicí Uranu a využívala by tři ASRG generátory. Sonda „Jupiter Europa Orbiter“ by pracoval v systému měsíců Jupitera a využíval by čtyři ASRG generátory.

 

Jedním z hlavních důvodů vývoje ASRG je také nutnost úspory izotopu plutonia 238. Tento radioizotop plutonia se produkoval jako vedlejší produkt výroby zbraňového plutonia. Ovšem zbraňové plutonium se přestalo v USA produkovat v devadesátých letech. A zásoby plutonia se vypotřebovávají, zůstává zhruba okolo 17 kg. Organizace NASA tak hledá možnosti, jak plutonium 238 pro radioizotopové generátory zajistit. Potřebuje vyrábět jeden až několik kilogramů plutonia 238 ročně.

Plutonium 238 se získává ozařováním neptunia 237 neutrony z reaktoru. Vzniklé neptunium 238 se s poločasem rozpadu 2,1 dne přeměňuje beta rozpadem na plutonium 238. Problémem v tomto případě je, že neptunium 238, které má lichý počet neutronů a je štěpným materiálem, má velký účinný průřez štěpení při záchytu neutronu. Nejlepší tak je odebírat produkované neptunium 238 se zóny ozařované neutrony, aby se nerozštěpilo ještě před tím, než se přemění na plutonium 238. Neptunium 237, které se pro výrobu plutonia 238 využívá, má poločas rozpadu přes dva milióny let. Vzniká v reaktorech dominantně ve dvou typech reakcí. Jednak vzniká z uranu 238, ze kterého po reakci s neutronem vyletí neutrony dva. Vzniklý uran 237 se s poločasem rozpadu zhruba 7 dní rozpadá na neptunium 237. Druhou možností je dvojitý záchyt neutronu na uranu 235. Izotop uranu 235 se při prvním záchytu neutronu může v 15 % případů zbavit energie vyzářením fotonu záření gama a nerozštěpí se. Vzniklý uran 236 pak může zachytit další neutron a vznikne už zmiňovaný uran 237, který se rozpadá na neptunium 237.

Jednou z možností pro výrobu plutonia 238 je využití amerických výzkumných reaktorů. Uvažuje se o provedení potřebných úprav a dobudování potřebných zařízení na reaktorech v laboratořích Oak Ridge a Idaho National Laboratory v Idaho Falls. Hlavně bude potřeba vybudovat boxy, které umožní pracovat s neptuniovými terči (ze zmíněného neptunia 237), které se k výrobě plutonia 238 budou používat. Předběžné odhady ukazují, že potřebné úpravy v těchto laboratořích by si vyžádaly zhruba 100 milionů dolarů a mohly by zajistit po roce 2017 produkci zhruba 1,5 kg plutonia 238 ročně. Je však otázkou, zda toto množství bude pro potřeby NASA stačit. Další možností je tak postavení speciálního flexibilního reaktoru TRIGA navrženého organizací CSNR (Center for Space Nuclear Research) v Idaho Falls.

V případě budoucích radioizotopových zdrojů s větším výkonem by se mohly využít místo Stirlingových motorů i plynové turbíny, které by mohly ještě zvýšit účinnost konverze tepelné energie na elektrickou. Iontové motory zatím vždy byly zásobovány slunečními bateriemi. Pokud by se však začaly využívat pro cesty do oblastí vzdálenějších od Slunce, mohly by se využít právě třeba radioizotopové zdroje. Ovšem radioizotopové zdroje jsou spíše určeny pro nižší výkony. Pro další úvahy a srovnání s možnostmi dalších zdrojů bude dobré připomenout, že, kdybychom hypoteticky potřebovali získat elektrický výkon 10 GW, potřebovali bychom 340 tisíc tun oxidu plutoničitého s plutoniem 238.

 

Jaderné reaktory

Jaderné reaktory jsou vhodné pro vyšší výkony, než poskytují radioizotopové zdroje. A po počátečním optimismu se ukázalo, že rozvoj kosmonautiky bude mnohem pomalejší, než se původně očekávalo. Nebyly a nejsou tak mise, které by odpovídající velké energetické výkony potřebovaly. Z toho důvodu se jaderné reaktory v kosmu využívaly jen na ruských špionážních družicích, které pomocí radaru sledovaly americké jaderné ponorky. Radar potřeboval velký výkon, hlavně v době, kdy Rusové zaostávaly v elektronice (i úsporné) a neměly problémy s vynášením těžkých nákladů. Původní reaktor BOUK (BES-5) vážil 0,9 tuny a jeho tepelný výkon byl 100 kW, tedy více než dvacetkrát větší než u radioizotopového zdroje GPHS-RTG. Jednalo se o rychlý reaktor využívající uran s velmi vysokým obohacením. Ke konverzi tepelné energie na elektrickou se využíval opět termoelektrický článek a elektrický výkon reaktoru byl až 4 kW. Nový reaktor TOPAZ byl dokončen koncem osmdesátých let a do vesmíru se dostal dvakrát. Jeho hmotnost byla 1,2 tuny a tepelný výkon 150 kW. Jeho vylepšená varianta TOPAZ-II už se do vesmíru nedostala. V devadesátých letech jej odkoupila NASA k urychlení vývoje svého reaktoru, ale program byl hlavně z finančních důvodů zastaven. Celkově se v rámci ruského vesmírného programu před ukončením využívání reaktorů pro výzvědné radarové družice dostalo do vesmíru třicet reaktorů.

Ani v současné době se neplánuje mise, která by potřebné velké výkony vyžadovala. I to je důvodem, proč je pokrok v této oblasti relativně pomalý. Ve zmiňovaném článku z roku 2008 se popisovaly také práce na nových typech vesmírných reaktorů, které se prováděly od roku 1994 v Laboratoři Los Alamos. Tam se vyvíjejí kompaktní rychlé reaktory s velmi vysokým obohacením typu HPS (Heatpipe Power Systém). Název pochází od technologie, která slouží k přenosu tepla mezi reaktorem a zařízením, které konvertuje tepelnou energii na elektrickou. Tímto zařízením je buď Stirlingův motor nebo plynová turbína pracující s využitím Braytonova cyklu. K přenosu tepla slouží kanálky procházející aktivní zónou reaktoru. V nich dochází k fázovému přechodu chladícího média. Na teplém konci se kapalina vypařuje a na chladném konci kondenzuje a kondenzací velice efektivně předává teplo. Vzniklá kapalina se pak transportuje na bázi gravitace nebo povrchového napětí k teplému konci. Velkou výhodou je, že tento systém chlazení nemá žádné pohyblivé části, které by se mohly poškodit, a razantně se tak snižuje možnost havárie. Základní vyvíjený model byl SAFE-400 o tepelném výkonu 400 kW a elektrickém 100 kW pracujícím po dobu deseti let. Využíval 145 kg paliva na bázi nitridu uranu s obohacením uranu 97 %. Výstupní teplota tepelného výměníku je v tomto případě 880°C. Reaktor SAFE-400 byl testován i jako zdroj elektřiny pro iontové motory. Na podobných principech se vyvíjel i menší reaktor HOMER-15 s tepelným výkonem 15 kW a elektrickým 3 kW. Podrobněji je o parametrech obou reaktorů ve zmíněném starším přehledu.

V roce 2003 vyhlásila NASA program vývoje jaderných zdrojů pro vesmírné mise pod označením Prometheus, který byl zaměřen jednak na vývoj už popsaných nových radioizotopových zdrojů, ale také na vývoje reaktorů navazující na předchozí modely. Jedním z hlavních úkolů byl vývoj výkonného energetického zdroje pro práci na povrchu Měsíce a Marsu. Ovšem neexistence mise, která by takové reaktory vyžadovala, a odkládání návratu lidí na Měsíc a cesty na Mars způsobily drastické snížení financování této části projektu.

Vývoj reaktorů pro vesmír je tak ve Spojených státech v podstatě v utlumené fázi. Přesto se dosahuje jistého pokroku. Koncem minulého roku (2012) proběhl DUFF (Demonstration Using Flattop Fission) experiment, který poprvé demonstroval uplatnění zmíněného systému pro chlazení reaktoru a dodávky tepla pro Stirlingův motor v podobě systému kanálků.  Teplo z reaktoru bylo pomocí kanálků transportováno ke dvojici Stirlingových motorů.  V demonstračním experimentu byla testována funkce pouze jedné jednotky produkující z tepla produkovaného reaktorem elektřinu. Ve skutečném zdroji jich bude několik. Navíc bude teplota na výstupu tepelného výměníku mnohem vyšší než v současném testu. To byly důvody, proč elektrický výkon testovací jednotky dosahoval zatím pouhých 24 W. V konečné variantě by se reaktor měl skládat ze šesti částí: aktivní zóna s 23 kg vysoce obohaceného uranu, reflektor okolo aktivní zóny odrážející neutrony, jedna kontrolní tyč z materiálu pohlcujícího neutrony, stínění absorbující radiaci a osm kanálků, které budou zásobovat teplem osm Stirlingových motorů. Celá jednotka bude velmi kompaktní a pasivně bezpečná.

Jedním z hlavních cílů experimentu bylo ukázat, že lze díky přesně zacílenému a schopnému týmu realizovat praktické testování reaktoru s takovým systémem během pouhých šesti měsíců a náklady menšími než milion dolarů. I to naznačuje, jak je vývoj v této oblasti v současných USA podfinancován. A bez toho, aby se dramaticky zvýšily ambice v oblasti vesmírného výzkumu a stanovily jasné cíle a priority zvláště v oblasti výzkumu Měsíce a planet, se situace nezmění. Jedině tak se totiž objeví projekty, které reálně výkonné reaktory budou potřebovat.

Taková situace není jen ve Spojených státech. Proto je většina studií, které se v oblasti nových vesmírných reaktorů v posledním desetiletí prováděly, pouze v oblasti návrhů a simulací. Takovými studiemi se i za pomocí studentů zabývá i zmíněné středisko CSNR v Idaho Falls a další výzkumné instituce.

V roce 2010 podpořila ruská vláda částkou zhruba 170 milionů dolarů projekt vývoje vesmírného reaktoru s výkonem v oblasti řádově jeden megawatt. Na vývoji se podílejí Rosatom a Roskosmos. Mělo by se jednat o malý kompaktní plynem chlazený rychlý reaktor, který by dodával teplo turbíně produkující elektřinu třeba i pro iontový motor. Vývoj reaktoru by měl umožnit jeho testy v roce 2018 a první nasazení v roce 2020. Teprve budoucnost však ukáže, jak jsou tyto představy reálné. Stejně jako v americkém projektu se využití reaktorů předpokládá pro vytvoření podmínek pro návrat lidí na Měsíc, pobyt na Marsu a zrychlení meziplanetárních cest. Problém není ani tak v nákladech na vývoj a výrobu reaktoru, ale v tom, zda se najdou finance na vesmírné mise, které by jej využily.

Stejně jako u radioizotopových zdrojů se pro další srovnání podívejme na to, kolik paliva by potřeboval hypotetický zdroj s výkonem 10 GW. Pokud vezmeme parametry jaderného reaktoru SAFE-400, dostáváme pro zdroj fungující deset let s výkonem 10 GW potřebu 14 500 tun nitridu uranu. Ovšem tento zdroj není koncipován na co největší stupeň vyhoření použitého paliva. V případě speciálního reaktoru například na tekuté palivo s průběžnou separací izotopů pohlcujících neutrony by se mohlo množství palivo násobně až řádově snížit.

 

Znalosti důležité pro vývoj jaderných reaktorů k využití ve vesmíru se však získávají i při vývoji nových reaktorů jak pro energetické účely tak výzkumných. Z toho hlediska nastává relativně pozitivní vývoj, protože v současnosti se zdá, že nastává renezance rozvoje jaderné energetiky a rozvoje nových typů reaktorů. A to hlavně rychlých reaktorů. Na vedoucí pozici jsou Čína, Rusko a Indie, kde se kromě rychlých reaktorů chlazených sodíkem chystá nebo už zahajuje i budování rychlých reaktorů chlazených plynem či olovem. Velmi zajímavým konceptem, který by mohl být užitečný i pro některé vesmírné aplikace, je reaktor využívající tekuté soli. Nový prototyp takového reaktoru se připravuje jak v Číně, tak v Indii i Rusku. Pracuje se i na malých reaktorech s dlouhým pracovním cyklem bez výměny paliva. Je pochopitelné, že na vesmírné reaktory jsou kladeny jiné požadavky než na ty pozemské. Jejich konstrukce tak je odlišná, ale spousta parametrů, vlastností využívaných materiálů a technologií je stejná nebo podobná a zkušenosti se dají využít.

Rozvoj jaderné energetiky je důležitý i z dalšího hlediska. Vesmírné technologie a lety jsou energeticky velmi náročné a může si je dovolit pouze civilizace, která dokáže produkovat efektivním a ekologickým způsobem dostatek energie. Přehled současného stavu v jaderné energetice je zde/. Podrobněji se k tomuto tématu vrátíme v závěru.

V oblasti vývoje tepelných či pulzních motorů založených na štěpení se v současnosti vývoj úplně zastavil. Předchozí snahy a dosažené úspěchy například s vývojem motoru NERVA byly popsány v dřívějším zmiňovaném článku. V současné době se dominantně v případě pohonu uvažuje o využití iontových motorů, které bude reaktor zásobovat elektrickou energií.

 

 

Využití termojaderné fúze

Ještě větší výkony by nám mohla poskytnout jaderná fúze. V ní se využívá energie uvolněná při slučování lehkých prvků. V případě úvah o pozemském energetickém využití termojaderné fúze se spíše uvažuje o využívání slučování deuteria a tritia, v případě vesmírných aplikací se spíše uvažuje o slučování deuteria a helia 3. Zatímco deuteria je na Zemi dostatek, tritium ani helium 3 se zde ve využitelném množství nevyskytují. Pro pozemskou termojadernou energetiku by se tritium získávalo z lithia, které by ozařovaly neutrony produkované ve slučovací reakci deuteria a tritia. Za tím účelem by termojaderná elektrárna měla kolem místa, kde by probíhaly fúzní reakce, blanket z lithia. Nevýhodou tritia je, že je radioaktivní a s poločasem rozpadu 12,3 let se rozpadá na helium 3. To zhoršuje manipulaci s ním a možnost jeho dlouhodobého skladování.  Na Zemi lze helium 3 velmi těžko získávat, ale na Měsíci či velkých planetách, jako je třeba Jupiter, by ho měly být značné zásoby. Otázkou však je, jestli budou dosažitelné.

 

Bohužel zatím neexistuje konkrétní příklad vesmírné realizace a nepodařila se zatím realizovat ani termojaderná elektrárna. Současnými klíčovými projekty jsou v této oblasti tokamak ITER (the International Thermonuclear Experimental Reactor), který se staví ve francouzském Cadarache u Marseille a již fungující zařízení NIF (National Ignition Facility) v americké laboratoři LLNL (Lawrence Liwermore National Laboratory).

 

Tokamak ITER a testovací neutronové zařízení IFMIF

Tokamak ITER využívá magnetické udržení plazmatu, při kterém stačí sice menší hustota, ale plazma se musí udržet při potřebné teplotě okolo 100 milionů stupňů relativně dlouho v řádu sekund i více. V případě tokamaků se k tomu využívá toroidní magnetické pole. To musí být velmi intenzivní, v řádu jednotek Tesla, takže u velkých moderních tokamaků se využívají supravodivé magnety. Podrobný popis různých principů, na kterých je založena snaha o dosažení termojaderné fúze, je z hlediska kosmického využití rozveden v předchozím zmiňovaném článku a velmi podrobně z hlediska dosažení termojaderné energetiky v tomto přehledu.

 

Zmíněný tokamak ITER by měl být prvním zařízením, které pomocí termojaderné fúze vyprodukuje více energie a to násobně, než se spotřebuje na vytvoření plazmatu potřebných parametrů. Měl by tak prokázat, že lze prakticky získávat pomocí termojaderné fúze energii. Nepůjde zatím o termojadernou elektrárnu, k tomu chybí dvě základní komponenty. První je produkce paliva, tedy tritia z lithia pomocí neutronů vznikajících ve fúzních reakcích. Druhou je konverze vznikající tepelné energie na elektrickou. Produkce tritia z lithia a odolnost různých komponent budoucích termojaderných elektráren se bude testovat na zařízení IFMIF (the International Fusion Materials Irradiation Facility), které se buduje v japonském Rokkashu. Tam je však zdrojem neutronů zařízení využívající urychlovač deuteronů a jejich reakci na terči z lithia. Skutečným prototypem termojaderné elektrárny by měl být až následující projekt DEMO, který by se měl vybudovat na základě zkušeností získaných na zařízeních ITER a IFMIF.

 

 

Práce na budování tokamaku ITER se po počátečním váhání rozjely naplno a v posledních letech je vidět intenzivní pokrok. Řada podpůrných zařízení i některé budovy jsou už dokončeny. Jde například o budovu, kde se budou sestavovat a testovat cívky velkých supravodivých magnetů tokamaku ITER. To je důležité z toho důvodů, že řada komponent budoucího tokamaku, včetně částí magnetů, už je postupně vyvíjena, vyráběna a bude dodávána do areálu. Před očima rostou základy hlavní budovy, ve které bude umístěn samotný tokamak. Počet dělníků, kteří se na s ní spojených stavebních pracích účastní, postupně roste. Ze dvou set jich na hlavní budově do konce roku bude pracovat tisíc. Celkový počet pracovníků podílejících se na budování areálu zařízení ITER i jeho zařízení, který byl v roce 2011 zhruba 1400, vzroste v době maxima intenzity budování v letech 2014 až 2015 až na 5000.

Pro zajímavost, celková hmotnost tokamaku bude 23 000 tun a pro výrobu cívek jeho supravodivých elektromagnetů se využije 80 000 km drátu ze slitiny niobu a cínu (Nb₃Sn), jeho celková hmotnost bude 400 tun. Hmotnost budovy s tokamakem, která bude „odstíněna proti zemětřesení“, je zhruba 360 000 tun. Celý areál, kde se komplex ITER buduje, má plochu 180 hektarů. Výška budovy samotného tokamaku bude 73 m, z toho 60 m bude nad zemí.

 

Relativně podle plánu probíhá i vývoj a výroba různých komponent budoucího zařízení po celém světě. Některé japonské dodavatele sice postihlo zemětřesení a cunami v březnu 2011, ale celkové termíny tím nebyly ohroženy. Platí tak termín získání první plazmy v tokamaku ITER v roce 2020. Je třeba připomenout, že se sice na ITER testuje řada novinek, ale základní principy byly ověřeny na řadě existujících tokamaků stejné konstrukce, z nichž nejmodernější v Číně a Jižní Koreji (KSTAR) mají také všechny magnety supravodivé. Je tak jasné, že zařízení bude fungovat podle očekávání.

Řada tokamaků a dalších fúzních zařízení ve světě umožňuje rozšiřovat naše znalosti o chování plazmatu i nyní. Například zmíněný nový tokamak KSTAR v roce 2012 dokázal udržet stabilní plazma o teplotě 50 milionů stupňů celých 17 s. Výzkum, který určitě pomůže rychlejšímu a efektivnějšímu startu využívání tokamaku ITER, probíhá na řadě zařízení na celém světě. A je potěšující, že se na něm podílejí i čeští vědci, kteří využívají tokamak COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu AVČR.

 

 

Také budování zařízení IFMIF v japonském Rokkashu pokročilo. V současnosti byla zahájena instalace prototypu lineárního urychlovače deuteronů LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator), který má otestovat technologie pro budoucí hlavní urychlovač zařízení IFMIF. Prototypové zařízení produkuje deuterony s nižší energií 9 MeV, ale intenzita svazku by měla být podobná budoucí konečné verzi, tedy 125 mA. Konečná verze urychlovače by měla být schopna dodávat dva svazky deuteronů o energiích 40 MeV a intenzitě 125 mA. Po dopadu těchto deuteronů na lithiový terč se produkuje velmi intenzivní svazek neutronů s energií okolo 14 MeV. Což do značné míry simuluje situaci, která bude v budoucí termojaderné elektrárně. Zde budou muset komponenty vydržet velmi intenzivní svazek neutronů s podobnými parametry. Prototyp urychlovače byl vyvíjen ve Francii, kde se jeho části i funkce otestovaly. Byl pak převezen do Rokkasho a nyní začala jeho instalace. Také budování této důležité komponenty fúzního výzkumu nasadilo správné tempo.

Pravděpodobnosti reakcí neutronů s různými materiály a odolnost různých materiálů proti radiačnímu poškození intenzivním svazkem neutronů se zkoumají na řadě pracovišť, které mají neutronové zdroje. Tato data jsou důležitá nejen pro vývoj fúzních zařízení, ale také pro vývoj pokročilých typů reaktorů nebo urychlovačem řízených transmutorů. Také v mém mateřském ústavu je několik zdrojů neutronů založených na využití našeho cyklotronu. Velká část jejich využití tak spočívá právě ve výzkumu nutného pro vývoj pokročilých fúzních i štěpných zařízení. I naši studenti se podílejí na těchto výzkumech u nás i v zahraničí (drobná ukázka této práce je ve formě populárního článku zde, diplomové a PhD práce zde, zde a zde a posledního z našich odborných článků v této oblasti zde). Tyto naše neutronové zdroje jsou přístupné pro české i evropské uživatele v rámci projektu CANAM a spolu s dalšími evropskými neutronovými zdroji v rámci projektu ERINDA a navazujícího projektu CHANDA.

 

 

Zařízení pro studium inerciální fúze NIF

Zařízením, které lze přímo spojit s vývojem pohonu pro mezihvězdné lety, je americký NIF. V tomto případě, označovaném jako inerciální udržení plazmatu, jde vlastně o termojaderné mikrovýbuchy. Pomocí laserů v případě NIF (lze použít třeba i svazky elektronů či jiných částic) se u inerciálního udržení stlačí a ohřeje mikrokulička zmrzlé směsi deuteria a tritia (případně helia 3) až k hustotám větším než 10²⁶ m^-3 (případně dokonce 10³¹ m^-3 v případě rychlého stlačení). Stačí tak velmi krátké doby jeho udržení. Větší než 10^-6 s (v případě zmíněných vysokých hustot stačí okolo 10^-11 s).
O budování zařízení NIF, jehož nejdůležitější částí je vysoce výkonný laser, se psalo v předchozím článku o vývoji v oblasti termojaderné fúze. Od té doby bylo toto zařízení dokončeno a spuštěno, i když vše probíhalo se značným zpožděním a zatím se termojadernou fúzi v režimu inerciálního udržení zapálit nepodařilo. Ta je definována tím, že fúzní reakce začnou probíhat hromadně a poměr mezi energií vyprodukovanou fúzí a vnesenou při stlačení a ohřevu překročí jedničku. Jakých úspěchů se zatím podařilo dosáhnout?

 

 

Nejdůležitější je, že se podařilo zprovoznit laser tak, že jeho 192 svazků dodává energii symetricky a do velmi malého objemu. Podařilo se standardně produkovat rekordní laserové výstřely ultrafialového světla s celkovou energií přesahující 1,8 MJ a trvajícími řádově miliardtinu sekundy. Výkon tak dosahuje až 500 TW. Tuto energii se daří homogenně dodat do prostoru o rozměrech okolo 2 mm.

Jako terčíky, jejichž implozi a tím i extrémní stlačení a ohřátí mají laserové paprsky způsobit, se používají duté kuličky o průměru 2 mm. Většinou jsou z plastu. Uvnitř je pak směs deuteria a tritia. Vše je ochlazeno na teplotu zhruba 18 K (tedy jen 18 stupňů nad absolutní nulou). Tlak v tomto pouzdře a zmíněná teplota vytváří takové podmínky, že uvnitř plastové kuličky je sice vodík v plynné podobě, ale velká jeho část vytvoří na vnitřním jeho povrchu vrstvu zmrzlého vodíku o tloušťce zhruba 0,1 mm. Hustota zmíněných izotopů vodíku tam je až desetkrát větší než u plynu v centru kuličky.

 

Kulička je uchycena pomocí dvojice blán z ultratenkého polymeru v dutině. Není ozářena přímo laserovým světlem, ale to dopadá na vrstvu materiálu, která se ohřeje tak, že se stane intenzivním zdrojem rentgenovského záření. Teprve to stlačí a ohřeje zmiňovaný terčík v podobě dvoumilimetrové kuličky. Dopadající rentgenovské záření odpaří a stlačí vnější obálku z plastu a stlačí také palivo na 1/35 původního rozměru. Objem se tak zmenší na 1/40 000 původní hodnoty. Uvnitř paliva se vytvoří velmi hustá a horká zóna s teplotou 100 milionů stupňů (to je skoro o řád více než je teplota v nitru Slunce).

 

 

Jádra deuteria a tritia, které se ve srážkách slučují, produkují proud neutronů a heliových jader. Jádra helia se srážejí s jádry v palivu, které je stlačeno na hustoty převyšující stonásobně hustotu olova. Pokud se dosáhne vhodných podmínek, které spočívají hlavně v dosažení homogenního předávání energie a co nejsymetričtějším stlačení, dochází k takovému ohřevu paliva, že se dosáhne zážehu termojaderné fúzní reakce. Energie uvolněná při fúzních reakcích totiž převýší energii, která byla na terčík deponována.

Jak už bylo zmíněno, zatím se zažehnutí termojaderné fúze nepodařilo. Problém je právě v tom, jak dosáhnout potřebných geometrických podmínek umožňujících co nejsymetričtější stlačení paliva a co největšího snížení ztrát energie během popsaných procesů, které ke stlačení vedou. Ovšem situaci se daří postupně zlepšovat, jak pracovníci NIF získávají se svým zařízením zkušenosti. Velmi důležitá je právě třeba diagnostika rentgenovského záření, neutronů i dalšího záření z oblasti terče, která umožňuje získat informace o kvalitě každého výstřelu.

 

 

Informaci o počtu reakcí deuteria s tritiem a uvolněné energii nesou neutrony, které se vyprodukují. Jako příklad může sloužit nedávný experiment z konce června 2013, kdy se použilo místo plastového diamantové pouzdro na palivo. Při výstřelu s energií v laserovém světle 1,24 MJ, který trval 10 ns, vzniklo v reakcích deuteria s tritiem přes 10¹⁵ neutronů. Celková energie těchto neutronů byla zhruba 5 kJ.

Zatímco v době, kdy se před dvěma lety s výstřely na popsané terčíky začínalo, byl poměr mezi získanou energií a energií, která dopadla na terčík, zhruba 0,001, nyní se blíží k hodnotě 0,1 a je stále dost prostoru pro vylepšování. Je tak předpoklad, že se opravdu během následujících pár let na tomto zařízení první inerciální zažehnutí termojaderné reakce podaří.

V souvislosti s předpokládaným využitím jak pro termojadernou energetiku, tak i ve vesmírných pohonech je však kromě inerciálního zažehnutí termojaderné fúze nutné vyřešit ještě řadu dalších problémů. Jedním z nich je i frekvence výstřelů. Ta je nyní u NIF jeden výstřel za den, frekvence výstřelů u reálných zařízení bude muset být v řádu desítek i stovek Hertz. Také hmotnost paliva v jednom terčíku bude muset být mnohem větší.

Pokrok je tak potřeba i v oblastech spojených s velmi výkonnými lasery nebo urychlovači jiných částic, které by se využívaly k inerciálnímu zážehu termojaderné fúze. Ovšem taková zařízení se staví, a to i u nás. Jde například o projekt zaměřený na velmi výkonné lasery ELI, jehož jedno centrum se buduje v Česku. Vývoj laserů a urychlování pomocí laserových svazků by mohlo v nejbližších letech přinést i důležitý zvrat v cestě za funkčním vesmírným pohonem, založeném na fúzi.

 

 

Je možné uskutečnit mezihvězdný let pomocí fúze?

V článku z roku 2008 se široce rozebíral projekt Daedalus (česky Daidalos), v rámci kterého se v letech 1974 až 1978 provedla inženýrská studie realizace letu automatické sondy k blízké hvězdě. Uvažovalo se o Barnardově hvězdě a později o Alfa Kentaura. Základním požadavkem bylo, že projekt musí být založen na známých technologiích a sonda musí dosáhnout hvězdy v rámci doby lidského života, přesněji řečeno v rámci její pracovní části. Výsledná studie byla publikována v Časopise Britské meziplanetární společnosti v roce 1978. Řešením se stala dvoustupňová loď využívající termojaderný pohon založený na mikrovýbuších kapslí ze směsi deuteria a helia 3 iniciovaných svazkem elektronů. Po čtyřech letech urychlování by loď dosáhla 12 % rychlosti světla a svého cíle v případě Barnardovy hvězdy by dosáhla za 40 let. Potřebovala by 50 000 tun paliva a helium 3 by se získalo z Jupitera. Informace o projektu na stránkách Britské meziplanetární společnosti je zde.

 

 

V roce 2009 zahájila Britská meziplanetární společnost nový projekt, který by se měl na základě současných znalostí pokusit vytvořit podobnou inženýrskou studii v principu realizovatelného mezihvězdného letu na základě současných technologií. Projekt dostal název Icarus (česky Ikarus, syn Daidala). Hlavním úkolem projektu je navrhnout věrohodnou koncepci sondy, která by doletěla a prozkoumala některou z nejbližších hvězd a byla by realizovatelná v dohledné budoucnosti, ideálně v tomto století. Je snaha umožnit srovnání s projektem Daedalus a dokumentovat pokrok v potřebných technologiích. To je důvod, proč se opět v zadání objevuje využití fúzního pohonu. Hlavně však má projekt vzbudit a podpořit zájem o mezihvězdné lety mezi odborníky, veřejností a mládeží. A inspirovat práce nad reálnými projekty vedoucími v budoucnosti, byť i vzdálené, k možnostem jejich uskutečnění. Zadání projektu pak obsahuje tyto body:

 

1. Připravit věrohodný návrh mezihvězdné automatické sondy, která je schopná získat užitečná data o cílové hvězdě a jejím planetárním systému, stejně tak i o vlastnostech slunečního okolí ve velmi velkých vzdálenostech od Slunce a mezihvězdného prostoru.

2. Návrh musí využívat současné technologie nebo technologie, jejichž realizovatelnost je představitelná v blízké budoucnosti. Projekt by měl být uskutečnitelný co nejdříve.

3. Vesmírná loď by měla dosáhnout hvězdy co nejdříve. Doba letu nesmí překročit století, v ideálním případě by měla být značně kratší.

4. Projekt musí dovolovat operativně změnit cíl cesty podle toho, jaká hvězda bude nejzajímavější.

5. Pohon lodi musí být dominantně založen na fúzi (zde je spojení s projektem Daedalus).

6. Projekt musí, na rozdíl od projektu Daedalus, umožnit alespoň jisté brzdění před cílem, aby se prodloužila doba průletu okolo cílové hvězdy

 

Zaměření na fúzní pohon se může zdát jistým omezením, ale, jak bylo ukázáno v předchozích částech a ještě rozebráno později, jde z hlediska dohledné realizovatelnosti podle současných znalostí asi opravdu o jedinou variantu. Výrazným rozdílem oproti projektu Daedalus je, že projekt Icarus je koncipován jako mezinárodní a Britská meziplanetární společnost se snaží nalákat ke spolupráci co nejvíce odborníků i nadšenců z celého světa. Popis projektu je zde a stránky projektu zde. V detailním návrhu projektu jsou kromě základní koncepce i přesný časový plán, schéma pracovních sekcí i limitní hodnoty (minimální a maximální verze) pro různé parametry budoucí lodě.

Podívejme se na tyto parametry z hlediska hodnot, které se dosahují na zařízení NIF. Výkon motoru by měl být minimálně 0,3 TW a maximálně 285 TW, u projektu Daedalus byla 285 TW. Je třeba zdůraznit, že jde o kontinuální výkon a ne výkon v píku. Frekvence zážehů by měla být minimálně 10 Hz a maximálně 1000 Hz, u projektu Daedalus byla 250 Hz. Poměr mezi energií vyprodukovanou fúzí a energií dodanou má být minimálně deset maximálně několik tisíc, u projektu Daedalus byl 63 u prvního stupně a 35 u druhého stupně. Je vidět, že od v současnosti dosažitelných parametrů na NIF nás čeká ještě hodně náročná cesta.

 

 

Využití anihilace

„Náznak další poruchy,“ rychle pronesl Spock. „Výkon energetického zdroje narůstá exponenciálně. Přetížení a náhlá přeměna veškeré antihmoty na energii proběhne za …„

 

Gene DeWeese: Star Trek – Enterprise v ohrožení

 

Ve většině vědeckofantastických děl, včetně světa Star Treku, se využívá antihmota. Při setkání hmoty a antihmoty dojde k anihilaci, při které dojde k uvolnění obrovského množství energie. V ideálním případě lze využít až celou energií ukrytou v hmotnosti anihilované hmoty a antihmoty, kterou lze lehce spočítat podle známé rovnice E=mc². Díky tomu jde opravdu o ideální typ pohonu s extrémně vysokou efektivitou. Anihilace je dobře známý proces, který nejen při experimentech na urychlovačích pozorujeme běžně. Při úvahách o reálném využití anihilace se však naráží na dva základní problémy a technologie pro jejich vyřešení zatím nevidíme ani v náznaku.

Prvním problémem je, jak si antihmotu obstarat. V našem vesmíru se běžně nevyskytuje a její výroba v makroskopických množstvích je energeticky velice náročná. Antihmota se nejčastěji produkuje pomocí urychlovačů protonů, které jsou urychleny na kinetické energie, které jsou násobně větší, než je jejich energie klidová. Při srážce s jádrem terče tak může dojít k tomu, že se zrodí pár částice a antičástice. Z našeho hlediska je nejzajímavější vznik protonu a antiprotonu. Tyto částice jsou nabité a lze tak antiprotony pomocí magnetických a elektrických polí shromáždit v akumulačním prstenci. Takto se hmota ve formě antiprotonů produkuje například v laboratoři CERN u Ženevy. Problém je, že produkce antihmoty tímto způsobem je energeticky velmi neefektivní a náročná. V předchozím článku bylo podrobněji ukázáno, že poměr mezi energií, která se z vyprodukované antihmoty může získat anihilací, k energii, která se dodá svazku protonů dopadajícího na terč, je 10^-8. Celkově se tak produkují ročně pouze nanogramy antihmoty. Je pochopitelné, že při stavbě zařízení, která by se na produkci a akumulaci antihmoty specializovala, by bylo možné efektivitu jejich produkce zvýšit o několik řádů. Stejně by však bylo pro výrobu antihmoty potřebné k mezihvězdnému letu obrovské množství energie.

Ještě větším problémem může být skladování vyrobené antihmoty. Každý kontakt antihmoty s hmotou vede k anihilaci. Musíme tak za každých okolností oddělit hmotu od antihmoty. V případě nabitých protonů to není tak těžké. Už byly zmíněny akumulační prstence. Jedná se o zařízení, ve kterých jsou nabité částice přinuceny magnetickým polem obíhat ve vakuu v trubici po přesně definované dráze. Může tak jít třeba právě o antiprotony. Jak dlouho takto vydrží antiprotony cirkulovat, záleží hlavně na kvalitě vakua (při rozptylu na atomech zbytkového plynu totiž dochází ke ztrátám akumulovaných částic) a kvalitě udržování antiprotonů na stabilních drahách (jestliže máte shluky stejně nabitých částic, vzájemně se odpuzují a to tím více, čím je jich větší množství a čím jsou blíže). Podobně mohou fungovat i jiné pasti na nabité částice, které je drží oddělené pomocí elektrických a magnetických polí. V současné době lze takto uchovávat antiprotony dny a v principu je možné je udržovat i měsíce a léta.

 

 

Ovšem hustota a množství antihmoty, kterou lze takto v podobě plazmatu uchovávat, jsou velmi omezené. Jen těžko se může jednat o makroskopická množství. Tento problém vystupuje do popředí už z toho důvodu, že výroba antihmoty potřebné pro mezihvězdný let bude trvat pravděpodobně dost dlouho a stejně tak i samotný let a doba potřebná pro práci motorů.

Problém s hustotou by se vyřešil v případě, že budeme produkovat neutrální antihmotu. Zatím jediný atom antihmoty, který jsme schopni vyprodukovat, je antivodík. Podrobněji o vlastnostech antihmoty a produkci antivodíku pojednává tento přehledový článek. Produkce a studium antivodíku se dominantně provádí v laboratoři CERN. Antiprotony vyprodukované popsaným způsobem se zpomalí zpomalovačem, který funguje na opačném principu než urychlovač. Takto zpomalené a ještě silně „ochlazené“, aby i rychlosti jejich vzájemného chaotického pohybu byly co nejnižší, se vstřiknou do magnetické pasti. K nim se vstřiknou „ochlazené“ pozitrony, které se získají z rozpadu beta plus. Záchytem pozitronu antiprotonem pak vznikne antivodík. Ten se však stane neutrálním, z magnetické pasti uniká a anihiluje. Tomu se dá zabránit speciálním typem pasti. Antivodík má totiž magnetický moment a je malým magnetem. A ten se dá magnetickým polem zachytit. Ovšem past na magnetky neutrálních antivodíků musí být velice speciální. Její magnetické pole musí mít velmi vysokou intenzitu a být silně proměnné. Její vybudování je tak velmi náročné.

A právě v této oblasti se podařil v posledních letech největší pokrok. Právě na tuto problematiku je zaměřen experiment ALPHA v laboratoři CERN. Jeho speciální magnetická past umožnila v roce 2010 první zachycení a delší udržení neutrálních antivodíků. Zachytilo se a udrželo po dobu 170 ms 38 antiatomů. V roce 2011 už se podařilo v pasti zachytit 309 antivodíků a 19 z nich vydrželo 1000 s. To připravilo cestu k tomu, že se v minulém roce 2012 podařilo změřit první přechody ve spektru záření antivodíku. Srovnání přesných měření spekter vodíku a antivodíku by tak mělo umožnit zjistit, zda a jak se liší hmota od antihmoty.

Udržování stovek neutrálních antivodíků v magnetické pasti umožnilo také první měření toho, jaká je gravitační síla mezi hmotou a antihmotou. Studoval se pád či případně stoupání 434 antivodíků zachycených v pasti. Měření vyloučila možnost, že by přitažlivá síla hmoty na antihmotu byla 111krát větší než hmoty na hmotu. Stejně tak vyloučila možnost, že by mezi hmotou a antihmotou byla odpudivá síla více než 65krát větší, než je ta přitažlivá mezi dvěma tělesy s hmoty. Je jasné, že rozmezí možných hodnot je stále obrovské, ale jedná se o první krok. Na určování velikosti gravitační síly mezi hmotou a antihmotou se chystá i experiment AEGIS. Podrobněji o tomto problému se lze dočíst zde a zde. Koncem minulého roku proběhla instalace nového zařízení ALPHA II, které umožní zachytit daleko vyšší počet antivodíků a udrží je mnohem déle. To umožní zmíněná velice přesná spektrometrická měření, která pomohou zjistit, do jaké míry jsou hmota a antihmota stejné. Tato měření mají fundamentální význam pro pochopení našeho světa. Je však otázkou, do jaké míry nám zlepšení schopnosti produkce a manipulace s neutrálními antivodíky pomůže při cestě za vesmírnými loděmi poháněnými antihmotou.

 

 

K tomu, abychom mohli antivodík skladovat, je potřeba jej mít ve formě hustého plynu pod vysokým tlakem či ještě lépe ve formě kapaliny. Jakým způsobem jej však v tomto případě udržet od kontaktu s hmotou si zatím nedovedeme ani představit. Jistou možností by bylo jeho uchování v nádrži z vhodného materiálu z antihmoty, který by měl magnetické vlastnosti. Dala by se tak v principu zajistit jeho levitace v magnetickém poli ve vakuu. Ovšem k tomu by bylo potřeba získat makroskopická množství odpovídajících antiatomů a příslušně je zpracovat do potřebné podoby. A to je dnes nepředstavitelná utopie. V současné době totiž dokážeme připravit jen ta nejlehčí antijádra, nejtěžším je antihelium 4, a to v minimálních počtech (podrobněji zde).

V nejbližší a spíše i vzdálenější budoucnosti lze očekávat vylepšování produkce antiprotonů a manipulace s nimi v souvislosti s tím, že se budou používat v základním výzkumu (zařízení pro produkci a akumulaci antiprotonu by mělo být součástí nového komplexu FAIR, který se buduje nedaleko německého Darmstadtu) a případně i aplikacích. Také by mělo pokročit poznání vlastností antivodíku. Pokrok v možnosti využití antihmoty pro vesmírný pohon se však neobejde bez nějakého radikálního principiálního průlomu.

 

 

 

Jaký typ motoru použít?

Nejbližší hvězdy jsou ve vzdálenosti přes 4 světelné roky, pro dobu trvání v řádu desítek let je potřeba dosáhnout rychlosti nejméně 0,1 rychlosti světla, ale lépe 0,2 rychlosti světla či dokonce více. Motory, které se k tomu použijí, musí mít dostatečný tah a výtokovou rychlost. Podrobné vysvětlení těchto veličin je v předchozím článku.

Tepelné motory využívají tepelnou expanzi horkého plynu nebo plazmatu. Výtoková rychlost pak závisí na jejich teplotě. Mezi tepelné motory patří i motory pulzní, které využívají mikrovýbuchy. Takovým typem jsou i motory využívající fúzi, s jejichž uplatněním se počítalo i na sondách Daedalos a Icarus. Podrobně byly tepelné motory a různé jejich koncepty rozebrány v předchozím článku a v následujícím období se neobjevilo příliš nového.

Podíváme se tak podrobněji na iontové motory. V této oblasti totiž proběhlo několik praktických testů. V praxi se zatím využívají pouze elektrostatické iontové motory. U nich dochází k urychlení nabitých iontů elektrostatickým polem, když elektrodou je mřížka. To má svou nevýhodu v tom, že intenzita urychlovaných iontů nesmí být příliš vysoká. Jinak by tuto mřížku poškozovala. V současné době se urychlují ionty inertního plynu xenonu. Jeho výhodou je dobrý poměr mezi nábojem a hmotností, jedná se o stabilní jádro a má nízkou hodnotu první ionizační energie. Režim práce motoru pak probíhá ve třech stupních. Nejdříve ionizací pomocí srážek elektronů s elektrony vznikají ionty. Ionty jsou urychleny k záporně nabité mřížce a za ní zachycují elektron a neutralizují se.

 

 

Koncem září 2007 startovala sonda Dawn, která využívá tři iontové motory typu NSTAR. I když v daném čase vždy funguje jen jeden z nich. Motor NSTAR má výtokovou rychlost 30 km/s. Celková hmotnost 450 kg xenonu umožňuje celkovou změnu rychlosti o 18 km/s. Tah tohoto motoru je pouhých 92 mN. Chemický motor má sice tah až 500 N, ale potřebuje pro změnu rychlosti sondy Dawn o 1 km/s místo 25 kg okolo 300 kg paliva. Ale zatímco by chemický motor tuto změnu udělal za 20 minut, iontový na to potřebuje 100 dní. Každý ze tří iontových motorů sondy Dawn potřebuje ke své činnosti v maximu výkon 2,6 kW, které mu dodávají sluneční baterie.

V květnu a červenci roku 2008 proběhly dlouhodobé úspěšné testy všech tři motorů. Po celou následující dobu letu byly po většinu doby iontové motory v činnosti. Průlet okolo Marsu, který se využil pro gravitační urychlení, proběhl 17. února 2009. A také docílení jeho ideálního průběhu umožnily iontové motory. Následně se pak využívaly během dalšího letu k prvnímu cíli sondy, kterým byla planetka Vesta, i pro její zaparkování na oběžné dráze okolo ní 16. července 2011. Studium Vesty prováděla sonda Dawn celý rok a pomocí iontových motorů uskutečnila řadu manévrů na oběžné dráze kolem planetky. K opuštění Vesty začátkem září 2012 využila zase iontové motory. Ty používá i na své cestě k planetce Ceres. Koncem května tohoto roku 2013 ukončila sonda zatím nejdelší nepřetržitou práci motorů, která trvala 31 dní. Ke svému dalšímu cíli, planetce Ceres, by měla dorazit na jaře roku 2015.

 

 

Vyvíjí se a testuje nový typ iontových motorů NEXT s tahem 240 mN a výtokovou rychlostí 40 km/s. Potřebný výkon je 6,9 kW. Spolehlivě by měly pracovat až 5 let. K ověření této spolehlivosti probíhal dlouhodobý experiment, který byl zahájen v roce 2005 a až do letošního roku byl motor v činnosti dohromady celkově pět a půl roku. Test před pár měsíci byl ukončen za situace, kdy byl motor stále v dobré kondici. Motory NEXT mají nahradit motory NSTAR.

Iontový motor Dual-Stage 4-Grid podobného typu testovala i ESA v letech 2005 a 2006. Podařilo se u něj zvýšení výtokových rychlostí až na 210 km/s při zajištění spolehlivé práce, která by měla být u reálných motorů nejméně už zmíněných 5 let.

Trochu na jiném principu fungovala produkce iontů u motoru HiPEP (High Power Electric Propulsion), jehož příkon byl 25 kW a vyvíjela jej NASA pro sondu Jupiter Icy Moons Orbiter. Projekt této sondy však byl v roce 2005 zrušen. To znovu ukazuje největší překážku, která i v tomto případě brání rychlejšímu rozvoji vývoje iontových motorů. Je jí už několikrát zmiňovaný současný nedostatek vesmírných ambicí a tím nedostatek projektů, které by je potřebovaly.

 

 

Elektrostatické iontové motory jsou ideálním nástrojem pro zrychlení a zefektivnění pohybu automatických sond ve Sluneční soustavě. Pro radikálnější zrychlení však mají malý tah. Ten by mohly zajistit iontové motory typu VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Využívají vysokofrekvenční radiové vlny pro ionizaci a ohřev plazmatu a proměnné magnetické pole pro její urychlení. Plazma se ohřívá až na teploty milion stupňů a magnetické pole pomáhá přeměnit tepelný pohyb částic na uspořádaný a získává se tak proud plazmy opouštějící trysku a zajišťující tah. Společně se pohybují jak elektrony, tak ionty. Magnetické pole musí plazmu efektivně oddělit od vnitřních stěn motoru a zabránit jejich poškození. Problémem může být i efektivní odvod tepla. VASIMR může fungovat jak v režimu s malým tahem a vysokou výtokovou rychlostí tak i s vysokým tahem a nižší výtokovou rychlostí. Motor neobsahuje elektrody, což eliminuje problém s jejich poškozením, který se objevuje u předchozích elektrostatických iontových motorů.

První experimenty se uskutečnily v roce 1998 a postupně se testovala produkce plazmatu a jeho urychlování na zařízeních se stále větším příkonem (označována postupně jako VX-10, VX-25 a VX-50, čísla v závorce ukazují zmíněný příkon). Zlomový byl rok 2005, kdy se na zařízení VX-50 podařilo dosáhnout efektivní produkce plazmatu i jeho urychlování. Dosažitelný tah tohoto modelu je 0,5 N. V roce 2007 se začalo pracovat s modelem VX-100 a vývoj převzala firma AARC, která se přesunula z budov NASA. Od roku 2008 se pracuje na modelu VX-200 s příkonem 200 kW. Jeho tah by měl být 5 N a výtoková rychlost 50 km/s. V dalších letech se studovala stále se zvyšující efektivita produkce plazmatu i jeho ohřevu a urychlení. V roce 2009 se model testoval s využitím supravodivých magnetů dosahujících intenzity magnetického pole 2 T. V letech 2010 a 2011 probíhal další vývoj a testy zmíněného modelu VX-200.

 

 

V červnu minulého roku se podařilo efektivitu zvýšit o dalších 10 % a hlavně se ukázala možnost průběžně měnit poměr mezi tahem a výtokovou rychlostí bez ztráty účinnosti práce motoru. U tohoto modelu se počítá s testy ve vesmíru na ISS. Tam by měl být dopraven v roce 2015. Trochu problém je, že elektrický výkon, který může ISS pro tyto účely poskytnout, nedosahuje 200 kW. Proto se využije baterií a motor bude pracovat v režimu pulzů trvajících 15 minut. Další možností je testování motoru na samostatném tělese na oběžné dráze. V obou případech by testy probíhaly zhruba tři roky. V červnu 2013 byla dokončena přehledová studie, která detailně rozebírá návrh modelu VX-200 určeného pro vesmírné testy. Byla vytvořena na základě dosavadních experimentů a obsahuje přehled nutných testů v následujících obdobích.

Cílem snahy firmy AARC a NASA je vyvinout motor, který by umožňoval dlouhodobé korekce drah i velmi hmotných objektů na oběžné dráze okolo Země a hlavně radikálně zrychlil a zefektivnil dopravu ve vesmírném prostoru. To by umožnilo opravu, zásobování a návrat satelitů v případě potřeby a zásobování základen na Měsíci, planetách i v meziplanetárním prostoru. Předpokládá se, že potřebný elektrický příkon plánovaných motorů bude v rozmezí 100 kW až 1 MW a zde už začíná být prostor pro jaderné reaktory. Takový motor by mohl zkrátit cestu k Marsu ze 7 až 10 měsíců na 2 měsíce. To má velký význam hlavně v případě přepravy kosmonautů, u kterých se tak dramaticky sníží obdržená dávka a riziko, které přináší kosmické záření.

 

 

Budoucí pokročilé iontové motory založené na ukázaných principech, které se testují v současnosti, by mohly radikálně zvýšit rychlost a efektivitu dopravy v rámci Sluneční soustavy. A v principu umožnit třeba i kolonizaci Marsu. Ovšem pro mezihvězdné cesty je nutná principiální a radikální změna konstrukce, které by dokázaly radikálně zvýšit tah, výtokové rychlosti i další parametry.

 

Závěr

„Podíval se dozadu k obzoru. Směrem tam, kde nízko nad kopcem, který právě přešli, zářil rudý trpaslík. Připadalo mu, že je níže, než tomu bylo včera. Věděl však, že místní slunce visí pořád na stejném místě. I sem do závětří doléhalo svištění vichřice. Ta na rozhraní oblastí, které byly stále osvětleny, a těch, které byly stále ve tmě, téměř neustávala. Teď už to byl ale slabý odvar toho, co před třemi dny smetlo jejich přistávací modul. Nevěděl, jestli to bylo tornádo, ale v každém případě se ocitli ve zničeném modulu hodně daleko od základny, ke které směřovali.

Stále nemohl usnout. Věděl, že si musí pořádně odpočinout, zítra je čeká hodně náročný den. Musel se v duchu usmát. Tyto pojmy ve světě, kde místní slunce sedělo pořád na stejném místě, neměly moc smysl. Elen už usnula, určitě ji pomohly utišující léky, které ji naordinoval její skafandr. Těžká bolest nohou a spící dcera probudili zasutou vzpomínku. Už je to hodně dávno, kdy s tátou uskutečnili pěší pochod do rakouského Lince. Bylo to tenkrát přes tři sta kilometrů a zvládli to za sedm dní. Museli to zvládnout, protože táta si nemohl vzít delší dovolenou. Poslední den ve Vyšším Brodě plánovali večer další cestu a také ho tak bolely nohy. Uvědomil si, že teď je mu tolik, co tenkrát bylo tátovi a dceři tolik, co tenkrát jemu. Vlastně jen fyzicky, ve skutečnosti byli o hodně starší, pokud se započítají ty roky hibernace při letu. Táta už je dávno pryč. Pousmál se. Do toho Lince to tenkrát zmákli. Teď to musí zvládnout taky. Táta jim určitě drží palce. Pak už konečně usnul a opravdu to nebylo utišujícími léky ze skafandru.“

 

Kroniky hvězdných kolonizací

Pro dosažení nejbližších hvězd, které jsou ve vzdálenosti okolo 10 světelných let, v čase, který nepřekračuje století, je potřeba radikální zlepšení používaných pohonů. Pro dokumentaci se opět podívejme na parametry uváděné v zadání projektu Icarus. Uveďme si rozsah minimálních a maximálních hodnot pro klíčové parametry. Už dříve zmiňovaný rozsah pro požadovaný výkon motoru byl mezi 0,25 TW až 285 TW. Pro tah motoru je to rozmezí od 10 kN až 10 MN a výtokové rychlosti 5000 km/s až 26 500 km/s. Takové parametry bude motor muset udržovat kontinuálně řadu let. Připomeňme si, že současné výtokové rychlosti iontových motorů jsou okolo 50 km/s a maxima u testovaných modelů jsou 200 km/s. Tah motorů typu VASIMR je v řádu několika Newtonů. Je vidět, že je nutný opravdu principiální kvalitativní skok.

Ovšem kruciální problém je v daném případě energetický. Připomeňme, že současné největší jaderné reaktory mají výkon řádově 1 GW. A výkon všech současných jaderných bloků na světě je zhruba 370 GW. A takový výkon by měl pracovat na jedné lodi. V části o radioizotopových zdrojích jsme si ukázali, že pro elektrický výkon 10 GW by bylo potřeba 340 000 tun oxidu plutoničitého. A to ještě máme ztráty při konverzi elektrické energie na výkon motoru a kinetickou energii lodi. Navíc i palivo musí být s lodí urychlováno a i jeho potřeba s jeho množstvím dále rychle roste. Je tak jasné, že radioizotopové zdroje nemohou umožnit mezihvězdné lety, protože by pro ně bylo potřeba i v případě dopravy malé pár tunové sondy v minimální verzi projektu Icarus miliony tun radioizotopu.

Pokud se podíváme na štěpné jaderné reaktory, dostaneme se k příznivějším číslům. Pokud extrapolujeme parametry reaktoru SAFE-400, dostaneme potřebu pro desetiletou práci zdroje o elektrickém výkonu 10 GW zhruba 14 500 tun paliva. Pokud by se podařilo radikálně zvýšit efektivitu vyhoření paliva a konverze energie, šlo by v ideálním (asi nedosažitelném) případě snížit toto množství až téměř o dva řády. Je jasné, že při přímé konverzi tepla na pohon v tepelném jaderném motoru se vyhneme konverzi tepla na elektřinu a ztráty konverzí se zmenší. I tak je však reálnější spíše možnost zlepšení situace se spotřebou paliva zhruba o řád, tedy na hodnotu okolo 1500 tun paliva. Pokud započteme uváděný potřebný výkon motoru a efektivitu převodu výkonu jaderného zdroje na výkon motoru a kinetickou energii pohybu vesmírné lodi, dostaneme požadavky pro sondu typu Icarus, které se nemohou dostat pod hodnoty stovek tisíc tun paliva. I to je důvod, proč ani štěpné jaderné zdroje nejspíše neumožní dosáhnout ani nejbližších hvězd.

 

 

Mezihvězdné cesty by mohly umožnit až zdroje termojaderné a anihilační. Výpočty sloužící jako základ pro projekt Daedalus a návrh podmínek pro studii Icarus ukazují, že by bylo potřeba v případě termojaderného pohonu množství paliva mezi 37 000 tun (pro sondu o hmotnosti 2 tuny) a 460 000 tun (loď o hmotnosti 450 tun). Je třeba připomenout, že v tomto případě jsou započteny reálné hodnoty ztrát, které vznikají při konverzi energie vznikající fúzí na kinetickou energii pohybu lodi. To je sice množství velké ale v dlouhodobějším výhledu snad reálně dosažitelné.

Radikální zlepšení může nastat v případě, že by se využila antihmota. Efektivita uvolnění energie z ní je skoro o dva řády větší než v případě fúze. Znamená to, že množství paliva klesá do oblasti stovek tun. A to rychleji než prostým přeškálováním údajů z projektu Icarus pro fúzní pohon, protože se neztrácí energie na urychlování velké hmotnosti paliva. V tomto případě však narážíme, kromě technologických problémů popsaných v části o antihmotě, i na obrovský problém energetický. I kdyby se podařilo zvýšit efektivitu produkce antihmoty o čtyři řády, což by snad bylo realizovatelné i představitelným způsobem (řešení problému skladování však zatím představitelné není), tak by se k výrobě potřebného množství antihmoty potřebovala energie 10¹⁴ TJ energie (bez započtení řady ztrát při tomto procesu). Současná celková roční produkce elektrické energie v zemích OECD je však pouze zhruba 3,6∙10⁷ TJ. Je tak vidět, že vytvoření zázemí pro let k nejbližší hvězdě využívající antihmotu je pro naší současnou civilizaci i z čistě energetického hlediska nepředstavitelný. Jen bych ještě zdůraznil, že uvedená čísla jsou jednoduché odhady a pochopitelně neaspirují na přílišnou přesnost. Pro naše úvahy však stačí tyto kvalitativní řádové odhady.

 

 

Je tak jasné, že kruciální pro možné budoucí mezihvězdné lety je vyřešení problému se získáním dostupných, efektivních a udržitelně ekologickým způsobem provozovatelných zdrojů energie. A to si nelze představit bez masivního nasazení jaderné štěpné energetiky s vyřešením uzavření jejího palivového cyklu, případně také termojaderných elektráren. A pokrok v potřebných technologiích zlepšuje i parametry jejich vesmírných aplikací. Pochopitelně vše také v kombinaci s efektivním využíváním dalších zdrojů, hlavně obnovitelných, a nalezení způsobu masového efektivního ukládání energie. Je tak vidět že zaměření priorit lidstva na řešení pozemských problémů a jisté odstoupení od pohledu vzhůru nemusí být zase tak na škodu. To se týká nejen energetiky ale dalších oblastí. Dlouhý mezihvězdný let bude vyžadovat bezprecedentní nárůst spolehlivosti použitých technologií, velmi vysoké nasazení automatizace a umělé inteligence. Miniaturizace umožňuje snížení hmotnosti a nároku na palivo. Pokud se budou letu účastnit lidé, je třeba vyřešit řadu dalších problémů spojených s dlouhodobým letem. Jedním z nich je ochrana před kosmickým zářením. To bude ještě náročnější v mezihvězdném prostoru, kde je větší intenzita té vysokoenergetické části kosmického záření. Podrobně jsou rizika spojená s kosmickým zářením a ochrana před nimi rozebrány v tomto článku. Bude potřeba pokroku ve vytváření udržitelných umělých prostředí, dlouhodobém přežití malých kolektivů s omezeným zázemím a řešení dalších překážek, které jsou s takovým letem spojeny. Část problémů by se pro let lidské posádky dal vyřešit alespoň částečnou hibernací. A ve všech těchto oblastech se dá čekat dosažení pokroku i při řešení čistě pozemských problémů.

Je třeba také zdůraznit, že lidská expanze, byť jen na nejbližší tělesa v Sluneční soustavě, není myslitelná bez vyřešení problémů na Zemi. Tedy situace, kdy se zde dosáhne ekologicky i sociálně udržitelného života. V některých sci-fi románech, zmiňme třeba Rudý Mars od Kim Stanley Robinsona, je popsána expanze do vesmíru a kolonizaci jiných planet jako řešení kolapsu pozemského ekosystému či společnosti a útěk po tom, když lidé učinili svou mateřskou planetu neobyvatelnou. Ovšem tato představa je nereálná. Všechna místa v naší Sluneční soustavě mají pro život nesrovnatelně náročnější podmínky, než jsou i na těch nejvíce nehostinných částech Země. Kolonie na jiných tělesech Sluneční soustavy včetně Marsu, který má podmínky nejvhodnější, budou hodně dlouho úplně závislé na podpoře ze Země. Je také nemyslitelné, aby úspěšné vytvoření stabilních a udržitelných podmínek či dokonce úspěšnou „terafikaci“ planet dokázala civilizace, která není schopna udržet ekologickou rovnováhu a udržitelný rozvoj za nesrovnatelně příznivějších podmínek na Zemi. I z toho důvodu musí být pro naši civilizaci prioritou zachování životního prostředí a všech půvabů na naši zelené a modré kolébce. Další prioritou musí být co nejefektivnější řešení existujících sociálních i společenských problémů. Případná vesmírná expanze bude potřebovat využití co nejširšího intelektuálního i dalšího potenciálu všech složek lidského společenství.

 

 

Podle mého názoru jsou současné technologie dostatečné na to, aby lidstvo dokázalo v relativně krátké době zahájit expanzi do svého nejbližšího okolí ve Sluneční soustavě. Základny na Měsíci či na Marsu jsou řešitelné už současnými technologiemi a dostatečně rychlou dopravu mezi Zemí a Marsem jsou schopny zajistit už pohony, které se vyvíjejí a testují v současné době. Něco jiného už jsou mezihvězdné lety. Ty k nejbližším hvězdám jsou sice nejen z fyzikálního hlediska principiálně představitelnými technologiemi realizovatelné, ovšem jejich energetické a technologické nároky jsou daleko mimo možnosti současné civilizace a k jejich realizaci je potřeba dosáhnout řady technologických skoků. Otestování možností v naší Sluneční soustavě je důležité ještě z jednoho důvodu. Pokud bude chtít lidstvo pro mezihvězdné lety využít fúzi helia 3 s deuteriem, bude pro něj muset buď na Měsíc, nebo ještě dál, k Jupiteru.

V každém případě však určitě máme ve svém okolí cíle, které se dají pro případnou další expanzi využít. S největší pravděpodobností prvním takovým cílem bude planeta větší než Země v obyvatelné zóně některého z více než 40 červených trpaslíků, kteří se nacházejí do 15 světelných let od Slunce. Není pravděpodobné, že by na ní byly pro život příznivější podmínky než třeba na Marsu, takže i z tohoto hlediska je možné k realizaci tohoto skoku přistoupit spíše v době, kdy už bude lidstvo doma alespoň právě na tom Marsu, případně i v jiných místech Sluneční soustavy. Takovými postupnými skoky od jedné vhodné planetární soustavy by lidstvo mohlo postupně kolonizovat napřed nejbližší a potom i vzdálenější okolí Slunce. A to i v případě, jestli se ukáže, že nelze přechytračit rychlost světla takovými fintami, jako jsou hyperpohon, warp pohon, červí díry, antigravitace či jiné metody ze světa sci-fi.

 

 

Hvězdná kolonizace je tak v principu možná, i když ani nová fyzika v budoucnu žádnou z těchto možností nepovolí. Co by ji však určitě zabránilo, by bylo to, kdyby lidstvo jako celek ztratilo touhu po poznání. Kdyby na jedné straně ztratilo smysl pro fantastické vize a na straně druhé schopnost racionálního vědeckého poznávání. Ale v tom případě by se ztratila i možnost řešit ekologické, energetické a ostatně i společenské problémy, které před ním leží. Protože jedině co nejrozsáhlejší poznání a znalost faktů získaných racionálním vědeckým poznáním mohou umožnit řešit problémy nejen ekologické a energetické a umožnit udržitelný rozvoj společnosti. Pokud se budou opatření opírat místo o vědecké poznání, hluboké znalosti a reálná fakta o iracionální ideologické představy bez znalostí, povede to většinou k opaku toho, co je potřeba a v konečném důsledku ke katastrofě. Je paradoxem, že právě Evropa, která je kolébkou vývoj založeného na vědeckém poznání, je stále více ovlivňována skupinami, které se místo o vědecké poznání opírají o iracionální ideologie a pavědecké metody. Co mám na mysli, jsem na české situaci v energetice popsal nedávno na Neviditelném psovi.

Přesto osobně věřím, že lidská civilizace i obrovská úskalí a rizika, která před ní stojí, překoná. Svůj optimismus v oblasti kosmické budoucnosti lidstva jsem vyjádřil už v jednom ze svých prvních článků na Oslovi z roku 2007, který se podrobně tomuto tématu věnuje. A asi bych na něm ani nyní moc neměnil. Ostatně, jestliže se Evropa od racionality a vědeckého poznání odvrátí, vůdčí silou rozvoje se stane třeba Čína či Indie. V historii lidstva už takové změny proběhly několikrát. Zdá se, že přítomnost inteligence ve Vesmíru v našem okolí je spíše vzácná. Je tu dokonce možnost, že jsme zde samotní. A zvláště v tomto případě může být cesta ke kolonizaci vesmírného okolí pro lidstvo velice smysluplným cílem. Trvala by nejspíše tisíciletí, ale například osidlování Tichomoří, ostrov po ostrovu, našimi předky trvalo ještě mnohem déle a určitě nebylo s tehdejšími prostředky menší výzvou. Je jasné, že během tak dlouhé doby se změní nejen technologie, ale i člověk, společnost i její vize. To však už je na jiné vyprávění.