21. januára 2020
Slnečná plachetnica vo vesmíre

Čo majú spoločné slnko a plachetnice

Ak ste sa už stihli tento rok niekde opalovať, asi ste si všimli, že vás slnečné lúče nerozpučili. Sme zvyknutí, že nás hrejú (teda, že na nás prenášajú energiu); no nikto z nás ešte nezažil, že by ho slnečné lúče citeľne tlačili (teda, že by na neho prenášali hybnosť).

V tomto kontexte je v poriadku si svetlo predstaviť ako prúd malých gulôčiek – fotónov. Látka môže fotón buď úplne pohltiť, vtedy sa javí ako čierna, alebo odraziť časť fotónov rôznych vlnových dĺžok – tak vznikajú z pôvodne bieleho svetla všetky ostatné farby.

Fotóny sú ako také balíčky energie, látka ich môže bezo zbytku pohltiť. Je to veľmi účinná forma prenosu, napríklad svetlocitlivé bunky v oku dokážu zareagovať na jediný fotón.

Fotóny majú (nulovú) pokojovú hmotnosť a pôsobia len veľmi slabým tlakom. Slabým, ale nenulovým. Tlak slnečného svetla je na povrchu Zeme asi päť milióntin Pascalu. Kým solárne panely dokážu nazbieranou energiou poháňať celé mestá, solárne mlyny by sa spoliehajúc na tlak svetla ani len nepohli.

Tlak slnečného svetla klesá so vzdialenosťou od Slnka (keďže redne do všetkých smerov). Naša vzdialenosť je zhruba 150 miliónov kilometrov – a tlak je prakticky zanedbateľný. Ak by bolo Slnko bodový zdroj, tak by platilo, že vo vzdialenosti 150 tisíc kilometrov by bol tlak svetla asi 5 Pascalov, stále takmer nič. Až vo vzdialenosti 150 kilometrov to začne byť sila, vtedy je to tlak asi 50 atmosfér (resp. tlak ako v hĺbke pol kilometra pod vodou). Keďže je Slnko obrovské, v tejto tesnej blízkosti cítime tlak len jeho malej časti a tak je to stále menej ako 1 Pascal!

Tlak slnečného svetla tak nie je malý vždy – to my sa len nachádzame vo veľmi veľkej (a bezpečnej) vzdialenosti.

Na povrchu Zeme nemá (zatiaľ) tlak slnečných lúčov veľmi veľké využitie – bledne v porovnaním s ostatnými silami. Jeho využitie však môže byť vo vesmíre, kde (takmer) žiadne iné sily nepôsobia.

Prekvapivo zaujímavá možnosť je pohon satelitov. Veľký problém rakiet ako takých je, že spaľovaním paliva nepoháňate len seba, ale aj palivo, ktoré použijete o minútu, hodinu či týždeň neskôr. Palivo tak prevažne poháňa len ďalšie palivo, reálny náklad je len niečo extra naviac.

Hmotnosť naplnenej rakety je takmer úplne tvorená palivom. Aj preto stojí vynesenie jedného kilogramu na orbit desaťtisíce dolárov. Ak si myslíte, že budete vnúčatám na Mars posielať zaváraniny a jahodovú bublaninu, je najvyšší časť začať šporiť.

Ak ste si zo začiatku pri slnečnom pohone ťukali na čelo, po prvej faktúre za bežné palivo sa asi prepnete do režimu: ‚‚Ok, počúvam.‘‘

Slnko vás nedostane na obežnú dráhu, to musíte spraviť za vlastné peniaze. No keď už ste raz tam a gravitačná sila Zeme je v rovnováhe s odstredivou silou, vynulujú sa. Hocijaká ďalšia sila už zostáva na váš úžitok. Ak si rozprestriete veľkú plachtu (pokojne stovky metrov širokú, miesta je dosť), môžete začať zachytávať/odrážať svetelné lúče.

Tlak je malý, no to viete kompenzovať dostatočne veľkou plachtou a riadnou dávkou trpezlivosti. Plachetnica s plachtou o rozmere kilometra štvorcového dokáže dostať niekoľkotonový náklad na najbližšie planéty za niekoľko stoviek dní až rokov. A to prakticky úplne bez paliva. Zrazu to neznie tak hlúpo, že?

Má to, samozrejme, niekoľko háčikov. Čím väčšia plachta, tým väčšia šanca, že ju niečo pretrhne. Čím ste ďalej od Slnka, tým slabší tlak. Cesta k ďalekým planétam či dokonca mimo Slnečnej sústavy, je oveľa zložitejšia. Zložitejšia, no nie nemožná – jeden z nápadov je, že plachetniciam môžeme pomôcť zo Zeme – stačí na nich svietiť vysoko koncentrovaným svetlom, teda laserom.

O pár dní, 25. júna, vynesie raketa SpaceX testovaciu plachetnicu LightSail2. Ide o Cubesat (malý kockovitý satelit vážiaci pár kíl) projekt The Planetery Society, mimovládnej spoločnosti nadšencov vesmíru, ktorú založil o.i. Carl Sagan (dnes tam pôsobia známi popularizátori ako Bill Nye či Neil deGrasse Tyson. Ďalšou zaujímavosťou je, že projekt je financovaný formou verejnej zbierky. Prispel som aj ja – “vlastním” jeden centimeter štvorcový z plachty. (Projekt sa nekonečne naťahoval a odsúval, na mail mi prišlo už takmer 100 mission updatov.)

Strašne ma teší táto chuť ľudí vymýšľať, ako skúmať vesmír stále novými spôsobmi. Dúfam, že tento projekt prinesie mnohé úspechy.

[Samuel]

Slnečný tlak
https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure

Slnečný pohon
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

Problém raketového saliva
https://www.nasa.gov/…/expedi…/expedition30/tryanny.html

Predošlé misie
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

Pridaj komentár