Techblog - Kosmonautika

Kosmická loď se opraví úplně sama

Nové materiály jsou čím dál tím schopnější a inteligentnější. Teď už umí opravit i samy sebe a ještě se tím zpevní. Otevřou nám cestu do vzdálených částí sluneční soustavy?

Nehostinné kosmické prostředí

Dutá vlákna samoopravitelného materiálu
Credit: ESA

Konstrukce kosmických lodí je ve vesmíru vystavována mnoha nepříznivým vlivům. Velkým problémem jsou změny teplot. Jednou je loď na oběžné dráze zahřívána slunečním svitem a dosáhne stovek °C, podruhé je ve stínu a její teplota klesne hluboko pod bod mrazu. K tomu se přidají ještě mikrometeority – prachové částečky narážející do konstrukce rychlostí několika kilometrů za sekundu, které způsobí vznik malých trhlin na povrchu. Zvláště u družic obíhajících Zemi je tato kombinace velmi nebezpečná.

Loď je cyklicky namáhána tepelnou roztažností a trhliny od mikrometeoritů mohou způsobit rychlou zkázu. Jedná se o podobný jev, jaký byl příčinou mnoha, zprvu nevysvětlitelných nehod prvního civilního proudového letounu De Havilland Comet. Tam byla kabina cyklicky namáhána změnami relativního tlaku v kabině na zemi a v letové hladině. Drobná trhlina vzniklá ve výrobě po přibližně tisíci letech, způsobila nečekané a nekontrolovatelné (trhlina se šíří rychlostí zvuku) roztržení trupu letadla. Tehdy muselo dojít ke třem nevysvětlitelným haváriím, než se problému začalo pořádně věnovat. Nyní už konstruktéři vědí, kde mohou čekat problémy, a tak požadují materiály, které by jim předcházely.

Krvácející materiál

Vlákno správně zacelené v oblasti zlomu
Credit: ESA

Materiáloví inženýři se nechali inspirovat přírodou. Když se poraníte, začne vám téct krev a rána se postupně zacelí. Výzkumníci tedy vytvořili materiál skládající se z mnoha trubiček (dutých vláken) o průměru 30 µm naplněných lepidlem. Aby se lepidlo při poškození snadno uvolnilo, musí být vlákna křehká a lepidlo dostatečně tekuté. Výzkumníci tedy zvolili určitou formu sklelných vláken naplněných dvousložkovým lepidlem. Zvolit vhodné lepidlo a vhodně umístit tvrdidlo v matrici z polymeru byl jistě jeden z klíčových problémů výzkumu. V běžných podmínkách lepidla reagují se vzduchem respektive kyslíkem nebo vzdušnou vlhkostí, a tak se vytvrzují. Ve vesmíru však vzduch ani vlhkost nejsou. Proto je nutné umístit pryskyřici i tvrdidlo tak šikovně, že se při poškození smísí, vyplní trhlinu a ztvrdnou dostatečně rychle namísto toho, aby se jednotlivě vypařili do vakua.

Prasklá mikrokapsle tvrdidla
Credit: ESA

Vědcům se to podařilo tak, že dutinu vlákna vyplnili pryskyřicí a do polymerové matrice vlákna obklopující přimíchali mikrokapsle tvrdidla. Při poškození se rozlomí jak matrice s mikroklapslemi, tak vlákno s pryskyřicí, která vyteče a reakcí s tvrdidlem z rozlomených kapslí se vytvrdí. Mechanické vlastnosti tohoto kompozitu (vlákna + matrice) jsou velmi dobré. Měřená pevnost v ohybu se pohybuje okolo 550 MPa a po vytvrzení je dokonce ještě o něco vyšší. Samozřejmě se vytvrzením o něco zvýší křehkost. Bohužel vědci neuvádí, v jaké formě se použití materiálu plánuje, zda jím bude kosmická loď z vnějšku obalena nebo bude vnitřní součástí nějakého vícevrstvého kompozitu.

Trvanlivější a bezpečnější kosmické lodě

Kosmické lodě, které se budou umět samy opravovat, umožní déle trvající a tím pádem levnější mise. Delší životnost satelitů na oběžné dráze sníží jejich ceny, a tak budou levnější satelitní hovory nebo datové a televizní přenosy. Každopádně bude nový materiál, pokud se osvědčí, přínosem i pro pilotované kosmické lety. Vyšší bezpečnost, lehčí a levnější konstrukce otevře cestu ke vzdálenějším cílům ve sluneční soustavě.

Další informace

• Spacecraft, heal thyself (20. 1. 2006) – Kosmická loď, která se opraví sama – tisková zpráva
• Enabling Self Healing Capabilities (PDF 3,3 MB 174 str.) – Studie na téma samoopravitelných materiálů

Nový iontový motor je desetkrát účinnější

Nový iontový motor vystřeluje částice rychlostí 210 km/s a je tak desetkrát účinnější než současné. Otevře dveře ke snadnému cestování lidí do vzdálených částí vesmíru nebo zůstane pouze pohonem lehkých sond?

Vylepšení elektrostatického iontového motoru

Zvětšit
Schéma elektrostatického iontového motoru
Credit: viz Wikipedia

ESA ve spolupráci s Australskou národní univerzitou vyvinula a úspěšně otestovala vylepšení elektrostatického iontového motoru a nový motor pojmenovala DS4G. Klasický elektrostatický iontový motor funguje tak, že palivo, které představuje obvykle těžký netečný plyn xenon, je bombardováno elektronovým dělem, čímž se vyrazí elektrony z poslední slupky xenonu (To je, mimochodem, docela energeticky náročné.), a tak se z něj stane kladný iont. Postupuje poté k dvojici blízko sebe umístěných mřížek s vysokým rozdílem napětí (obvykle 5 kV), které oddělí volné elektrony od kladných iontů a ionty urychlí na vysokou rychlost – obvykle 20 až 30 km/s. Vyšší rozdíl napětí mezi mřížkami udělí větší rychlost, ale má to za následek vyšší opotřebení výstupní mřížky nárazy iontů. Je to nepříjemné, jelikož iontové motory mají velmi nízký tah, a musí proto pracovat bez přestání i několik měsíců až let, aby sondu urychlily na potřebnou rychlost. Na závěr jsou vystupující kladné ionty neutralizovány dalším elektronovým dělem, aby si motor zachoval celkovou elektrickou neutralitu.

Motor DS4G při testech
Credit: ESA

Vědci tento princip vylepšili tak, že použili dvě dvojice urychlovacích mřížek. První dvojice pracuji na vysokém napětí. Mezi ní je malý napěťový rozdíl např. první má 10 000 V a druhá 9 900 V. Tam se oddělí ionty od elektronů. Poté následuje větší mezera a dále je umístěn další pár mřížek na nízkém napětí (např. 200 a 100 V). Vysoký rozdíl napětí na velké dráze udělí iontům velkou rychlost a přitom nepoškozuje mřížku. Zde se přiznám, že mi není jasné, proč proč se nepoškozuje. Zdá se, že to nějak souvisí s oddělováním elektronů od iontů, ale skutečný důvod mi zůstává záhadou. Budu tedy vědcům slepě věřit.

Špičkové parametry

Motor DS4G při testech
Credit: ESA

Použité napětí 30 kV urychlí vystupující ionty na 210 km/s, a tak se desetkrát zvedne palivová účinnost oproti výstupní rychlosti 21 km/s. Vyšší palivová účinnost znamená, že s daným množstvím paliva (xenonu) může motor pracovat se stejným tahem desetkrát déle. Taková účinnost se vyjadřuje specifickým impulzem. Čím je větší, tím lépe. Iontové motory jej mají asi stokrát větší než klasické chemické. Nový iontový motor prý bude možné snadno zvětšit pro dosažení výkonu dostatečného pro těžší vesmírná plavidla.

Budoucnost letů sluneční soustavou

Nyní budou následovat dlouhodobé testy, které ukáží, zda je životnost motoru skutečně tak vysoká, jak vědci čekají. Pokud bude, určitě můžeme očekávat brzké nasazení v sondách zkoumajících sluneční soustavu. Po zastavení programu JIMO, jehož součásti byl projekt HiPEP zabývající se vysokovýkonným iontovým pohonem, v loňském roce zůstává ESA jedinou nadějí na to, že se dočkáme motorů, se kterými budeme moci dosáhnout jakýkoliv bod ve sluneční soustavě v dostatečně krátkém čase.

Mřížka výkonného iontového motoru z projektu HiPEP
Credit: NASA

Když G. W. Bush oznámil snahu o obnovení letů k Měsíci a let na Mars, byl jsem potěšen. Když se nyní dovídám detaily o zastavených projektech je mi smutno. JIMO (Ve stručnosti – sestavení velké sondy pro výzkum ledových měsíců Jupiteru poháněné iontovým motorem se zdrojem elektrické energie v podobě jaderné článku) je z dlouhodobého hlediska nesrovnatelně užitečnější, protože spotřebované peníze se investují do vývoje zcela nové technologie a ne do recyklace staré. Letem na Mars se vyhodí oknem značná část z utracených mnoha miliard dolarů, zatímco jinak by se celá částka investovala do budoucích letů modernějších sond. Výsledkem letu na Mars bude těžko měřitelný politický zisk. Nemůžeme přece dopustit, aby Čína byla na Marsu první, že? NASA postupně ztratí technologický náskok, když se bude plácat ve starých/osvědčených technologiích. Čína by mohla být na Marsu první, ale USA by mohly s pomocí špičkových iontových motorů být první na Titanu nebo i dál.

Co se dá dělat. Rodina Bushů má dávný sen zažít přistání lidí na Marsu. Když se to nepodařilo zařídit Georgi Bushovi staršímu, tak se o to pokusí mladší. Docela typické upřednostnění krátkodobého úspěchu před dlouhodobým. Co naděláme. Dobývat Měsíc či Mars je sice vzrušující, ale létání po celé sluneční soustavě ještě víc.

NASA se vrací na Měsíc

NASA dnes oznámila konkrétní plány pro návrat člověka na Měsíc. Chce to stihnout do roku 2018. Jaké kosmické dopravní prostředky použije? Zkopíruje lety programu Apollo nebo raketoplánu? Vybuduje trvale osídlenou základnu?

Inspirace programem Apollo

Credit: NASA

Jelikož George W. Bush naplánoval přistání na Měsíci do roku 2020, NASA se celkem rozumně rozhodla nesázet vše na zcela novou koncepci, ale vrátila se k úspěšnému programu Apollo. K Měsíci tedy nepoletí žádný vylepšený raketoplán, ale sestava zcela totožná s tou, která tam v šedesátých a sedmdesátých letech šestkrát bezpečně astronauty dopravila. Totožnost se projeví pouze v koncepci. Kosmické lodě budou samozřejmě zcela nové; nepůjde o čtyřicet let starý šrot. Ale také průběh startu bude poněkud odlišný.

Všechny lety Apollo vynášela na obří raketa Saturn V. Nyní dojde ke změně. Zvlášť bude startovat posádka a zvlášť náklad – v tomto případě měsíční modul a urychlovací motory pro let k měsíci. O konceptu oddělení dopravy materiálu a posádky se začalo hovořit hned po katastrofě raketoplánu Columbia. Je tak možné se při dopravě osob zaměřit na bezpečnost a při dopravě nákladu na nosnost.

Jak budou rakety vypadat

Zvětšit
Porovnání velikosti rakety Saturn V, raketoplánu, CEV a těžkého nosiče
Credit: NASA

Inženýři z NASA se rozhodli zužitkovat ze stávajících technologií, zejména konstrukce raketoplánu, všechno, co bude možné. Podle toho to také vypadá. Prvním stupněm nosiče, který vynese posádku na oběžnou dráhu, bude raketa na tuhá paliva vynášející raketoplán, druhým stupněm bude kyslíko-vodíkový raketový motor také shodný s tím, co je přímo v raketoplánu. S nosičem nákladu to bude obdobné. Jeho pohon budou tvořit dvě známé prodloužené rakety na tuhé palivo a pět kyslíko-vodíkových raketových motorů z raketoplánu. Je to vcelku efektivní a úsporné z hlediska nákladů na vývoj.

Malá raketa pro posádku vynese na oběžnou dráhu náklad až 25 tun a velký nosič až 125 tun, což je asi jeden a půl násobek hmotnosti raketoplánu. Teoretická bezpečnost tohoto systému letů (tedy spíše nosiče posádky nazývaného CEV) má být desetkrát větší než u raketoplánu – ke katastrofě se ztrátou posádky by mohlo dojít jednou z dvou tisíc letů.

Průběh letu k Měsíci

Oddělující se druhý stupeň těžkého nosiče
Credit: NASA

Nejdříve odstartuje nákladní raketa nesoucí měsíční modul a urychlovací motory, potom čtyřčlenná lidská posádka v přistávací kabině se servisním modulem. Posádka se pravděpodobně před spojením s měsíčním modulem připojí ke stanici ISS, aby tam dovezla nějaký náklad či vyměnila členy posádky. Poté se spojí s urychlovacím stupněm (přes lunární modul) a vydá se na třídenní cestu k Měsíci. Přistávací, servisní a lunární modul bude naveden na oběžnou dráhu Měsíce. Vzhledem k dostatku paliva nebudou odkázáni pouze na rovníkovou dráhu, ale budou moci dosáhnout i atraktivních pólů. Všichni čtyři členové posádky nastoupí do lunárního modulu a přistanou. Na měsíčním povrchu budou moci setrvat čtyři až sedm dnů, což je dvakrát déle než při letech Apollo. Po pobytu se spojí s přistávacím modulem, lunární odhodí a zamíří zpět k Zemi. Během letu se zbaví i servisního modulu a přistávací si to zamíří přímo do zemské atmosféry. Nebude přistávat do vody, ale na pevninu.

Nové kosmické lodě budou větší než ty ze sedmdesátých let, díky velkému skoku elektroniky budou také mnohem lépe vybaveny. Přistávací modul bude až desetkrát opakovatelně použitelný, vždy se vymění pouze tepelný štít. Při pobytu na Měsíci nebude v lodi na jeho oběžné dráze nikdo čekat, ale bude řiditelná ze Země.

Budování měsíční základy a další vývoj

Lety na Měsíc by měly probíhat dvakrát ročně. Zároveň by se měla postupně budovat měsíční základna pro stálé osídlení. "Kolonisté" by se střídali po půl roce. Základna pravděpodobně bude umístěna poblíž Měsíčního jižního pólu, jelikož je téměř neustále osvětlen Sluncem a pravděpodobně se tam vyskytuje voda. Dlouhodobý pobyt lidí na mimo Zemi by byl přípravou pro lety k Marsu.

Současná situace

Sestava lunárního, návratového
a servisního modulu na oběžné dráze Měsíce
Credit: NASA

NASA počítá, že obnova letů k Měsíci ji přijde na 104 miliardy dolarů. To je 55 % ceny programu Apollo (se zohledněním inflace). Takový odhad mi připadá reálný, jelikož není nutné vše vyvíjet od nuly. Vývoj byl a je vždy to nejdražší, samotná výroba letových prostředků již tak nákladná není. To ovšem znamená, že peníze investované do obnovy letů se z velké části "projí". Apollo bylo výbornou investicí. Peníze se vložily především do výzkumu nových technologií. Podle některých odhadů se USA každý dolar vložený do Apollo vrátil desetinásobně. V novém programu to nebude tak slavné, ale i přesto je to krok kupředu.

Rozpočet NASA se kvůli letům na Měsíc příliš zvyšovat nebude. Navíc nyní panují obavy, že nedávné hurikány financování ještě ztíží. Šéf NASA Michael Griffin je však vyvrací.

Vesmírný program je dlouhodobá investice do naší budoucnosti. Musíme se vyrovnat s našimi krátkodobými problémy a neobětovat dlouhodobé cíle. Když máme hurikán, tak nerušíme letectvo. Nerušíme námořnictvo. A také se nechystáme zrušit NASA.

Druhá věta má obecnou platnost. Měl by si ji každý politik přilepit na stůl, každý den si ji třikrát přečíst a řídit se podle ní. Pak by politika vypadala úplně jinak a všem by se vedlo mnohem lépe. Je-li volební období čtyřleté, těžko se v tomto dočkáme změny.

Zajímalo by mě, jaká je motivace touhy opětovného dosažení měsíce. NASA na tuto otázku odpovídá ve svých FAQ velmi mlhavě frázemi o pokroku a rozvoji technologií. Je jasné, že na to se v politice nehraje. Pravým důvodem je obava z možného opanování vesmíru Čínou. Žádný prezident USA nemůže dopustit, aby se jiná země dostala dříve Měsíc. NASA při vesmírných závodech trvalo 8 let, než od letu prvního svého člověka do vesmíru vyslala astronauty k Měsíci. Dobře motivovaná Čína člověka na oběžnou dráhu dostala v roce 2003 a USA se nyní oprávněně bojí, že by je mohla předběhnout. Těšme se na nové vesmírné závody.

Další informace

• How We'll Get Back to the Moon – Tisková zpráva NASA k novému vesmírnému dopravnímu prostředku
• Stránka výzkumu Sluneční soustavy
• Flash prezentace o návratu na Měsíc

Radarový obrázek pobřeží Titanu

Sonda Cassini zaznamenala na Titanu, měsíci Saturnu, pobřeží. Jedná se o oblast, kde se pevnina stýká a mořem zkapalněných plynů. Je to první fotka podobné oblasti mimo naší planetu.

Titan má pobřeží

Sonda Cassini při svém posledním průletu kolem měsíce Titan vyfotografovala pomocí svého radaru se syntetickou aperturou (SAR) místo, které je rozhraním mezi pevninou a oceánem na Titanu. Radar je schopen rozlišit detaily až 0,35 km velké.

Snímek pokrývá plochu 330 x 170 km. Vlevo je světlé pobřeží s množstvím zátok a vpravo hladká hladina moře kapalných uhlovodíků případně mořské dno.
Credit: NASA

Světlá oblast na obrázku je pevnina s nepravidelným povrchem, od které se velká část záření radaru odrazí zpět k sondě, kdežto tmavá část je hladká plocha – pravděpodobně hladina oceánu metanu a etanu, případně hladké mořské dno po nedávném ústupu hladiny – která odráží paprsky radaru pryč.

Kanály a záplavová období

Vědci předpokládali, že Titanu objeví velké oceány, ale zatím se tak nestalo. Velká množství kanálu na jeho povrchu však naznačují, že se střídají období suchá, kdy většina uhlovodíků u povrchu je v pevném stavu, a mokrá, kdy je povrch zaplaven velkým množstvím vody vyvěrající z podzemí nebo deštěm metanu a etanu z atmosféry. Voda je na Titanu vždy v pevném stavu.

Takové rychlé a časté proměny podmínek na povrchu Titanu nenahrávají vzniku a přežití života. Suchozemské organismy by byly spláchnuty do moří a mořské by zanikly při vysychání. Jen nějaké by se mohly udržet v malých "vodních" plochách kapalných uhlovodíků. Cassini proletí v blízkosti Titanu ještě 37 krát, a tak uvidíme, jaké dálší informace nám přinese. 15. října se zaměří na oblast, kde přistál modul Huygens. Budeme tak moci porovnat data a fotografie získané modulem s tím, co zjistí radarový snímek sondy.

Sonda Hayabusa přistane na asteroidu

Japonská sondy Hayabusa se přiblížila k asteroidu Itokawa. Přistane na něm a vyšle minirover, aby se kolem rozhlédnul. Poprvé přinese vzorky z mimozemského tělesa na Zemi.

Problematický počátek mise

Hayabusa na asteroidu Itokawa
Credit: JAXA

Japonská kosmická agentura JAXA vyslala 9. května 2003 sondu Hayabusa k asteroidu pojmenovaném Itokawa. Zajímavé je, že pro svůj pohon používá primárně iontové motory a klasické pouze k jemným korekcím. S tím byl také spojen poměrně závažný problém poškození jejích solárních článků silnou sluneční erupcí v listopadu roku 2003. Jelikož zdrojem energie pro iontový motor je právě elektřina těmito články produkovaná, musel být jejich výkon snížen, a tak sonda dorazila na místo určení až nyní místo v červenci. Vzhledem k tomu, že je nutné, aby sonda odletěla zpět v listopadu tohoto roku. Pozdním příletem jsme tak přišli nejméně o dva měsíce zkoumání.

Co bude Hayabusa u asteroidu dělat

Asteroid Itokawa ze vzdálenosti 20 km
Credit: JAXA

Nyní je sonda zaparkovaná u asteroidu, zkoumá jej a hledá vhodná místa pro přistání. Vzájemná rychlost sondy a asteroidu je asi 0,25 mm/s. Hayabusa přistane na Itokawě dvakrát (jedno přistání bylo kvůli pozdnímu příletu zrušeno). Při jednom z přistání bude do asteroidu vystřelen náboj, který vyhloubí malý kráter a rozprášený materiál sonda zachytí a doveze zpět na Zem. Také kolem ní bude poskakovat malý rover Minerva vážící asi půl kilogramu a bude nám přinášet fotky z okolí (obdoba prvního marsovského vozítka Sorjourner). Sonda se vzorky by se měla vrátit 10. června 2007

Najde něco zajímavého?

Já osobně považuji tuto kosmickou misi za nejvýznamnější ve zbytku tohoto desetiletí. Informace, které přinášely (a přinášejí) Spirit a Opportunity z Marsu, mohou být bezvýznamné oproti tomu, co může přinést Hayabusa. Asteroid Itokawa je slepenec hmoty, ze které vznikla sluneční soustava a v takové hmotě se může skrývat mnoho zajímavého. Předně nás zajímá, zda se v horninách nevyskytují nějaké organizmy případně organické látky. Pokud ano, podpoří to teorii zavlečení života na Zemi z vesmíru. Ale i prostá anorganická hmota nám může poskytnout mnoho zajímavých informací o historii naší sluneční soustavy.

Itokawa je asteroid o délce 600 m a hmotnosti 48 miliónů tun křižující dráhu Země. Jestli do nás někdy narazí, bude to proto, že k němu Haybusa přiletěla a střelila do něj náboj. Nebo nás právě díky tomu mine?

Další informace

• Japonská sonda Hayabusa se blíží k planetce Itokawa (16. 8. 2005) – Článek popisující misi
• Hayabusa – Popis sondy a průběhu mise na Wikipedii
• Hayabusa u JAXA – Domovská stránka sondy u JAXA
• Současná poloha sondy v sluneční soustavě (gif 17 kB)