18.04.2016-00:38:00   |   Marek Jurčík
#Kozmos
#In tech

(Ne)úspešné využitie atómovej energie

NASA spolu s americkou Komisiou pre atómovú energiu pracovala počas studenej vojny na motoroch, ktoré pripomínali jadrový reaktor. Technológia fungovala vďaka energii z rozpadu uránu 235, pričom štiepenie reguloval vodík a grafitové tyče. Vodíkový plyn sa po vstupe do reakcie zohrial a vysokou rýchlosťou prechádzal cez trysky do vonkajšieho prostredia. Pokusné prototypy s označením NERVA až stonásobne prevyšovali výkon klasických kyslíkovodíkových zmesí.

Z rovnakého obdobia pochádza návrh využitia atómových explózií.1 Loď môžu teoreticky rozhýbať rázové vlny z miniatúrnych náloží, ktoré by sa vypúšťali a následne odpaľovali v presných intervaloch.



Americká vláda spočiatku brala obe možnosti vážne. Neskôr od podobných projektov odstúpila. Ich prípadnú aplikáciu komplikovalo najmä vysoké riziko kontaminácie posádky žiarením.

Neúnavné ióny


-


V súčasnosti existuje šesť mierne odlišných typov iónového motora. Každý vychádza z rovnakej koncepcie. Horúce vlákno emituje elektróny, ktoré interakciou s atómami inertného plynu tvoria kladne nabité ióny. Elektrostatický prúd ich následne urýchľuje smerom cez výstupné trysky. Hoci unikajú takmer rýchlosťou svetla, sústavu urýchľujú len veľmi pomaly, ale vytrvalo. Vďaka nízkym nárokom na energiu môže pohon vo vzduchoprázde pracovať aj niekoľko rokov. V súčasnosti vesmírne agentúry inštalujú iónové motory do vedeckých družíc.

Plazmový silák VASIMR


-


Texaská spoločnosť Ad Astra Rocket Company spojila výhody iónového a bežného chemického paliva do systému VASIMR. Funguje tak, že vysokofrekvenčné elektromagnetické pole ionizuje plyn neutrálnych atómov vodíka alebo hélia na plazmu. Silné magnety ju presúvajú do druhej komory, kde sa ohrieva na približne milión stupňov. Pod vplyvom mikrovlnného žiarenia je ďalej sústredená v úzkom páse a nasmerovaná do výstupných trysiek.



Plazma vyvíja značne silný ťah. Kritické hlasy poukazujú na enormné množstvo energie potrebnej na premenu plynu. Vývoj kvôli nedostatku financií zamrzol v štádiu laboratórne testovaných prototypov.

Ako za dávnych čias


-


Energeticky nenáročnú a lacnú alternatívu k dnešným technológiám predstavujú vesmírne plachetnice. Pohyb zabezpečuje odraz fotónov od špeciálnej termoplastovej blany. Hoci tlak žiarenia objekt urýchľuje len veľmi pomaly, ďalšie zdroje energie nie sú potrebné. Koncept úspešne testovalo viacero agentúr. Vývoj doposiaľ najviac komplikovala samotná plachta. Rozmery a povrch musia totiž postačovať na zachytenie nepatrného náporu fotónov. Zároveň hmotnosť celej sústavy nesmie presiahnuť presne stanovený limit.

Trajektóriu vesmírnych plachetníc do veľkej miery ovplyvňuje gravitačné pole najbližších astromických objektov. Väčšinu problémov môžu budúce generácie odstrániť rozmiestnením silných svetelných zdrojov, napr. laserov, ktoré vyvolajú oveľa väčší tlak ako žiarenie z hviezd. Vyspelejšie plachetnice s najväčšou pravdepodobnosťou poslúžia pri dlhodobých expedíciách do najodľahlejších oblastí. Zatiaľ poháňajú len malé sondy umiestnené na orbite.

Aktualizácia: Práve tento koncept chce využiť výskumný projekt Breakthrough Starshot, ktorý nedávno ohlásil Stephen Hawking.

Bussardov náporový motor


Fyzik Robert W. Bussard, známy svojimi priekopnickými nápadmi, vymyslel systém s takmer neobmedzeným zdrojom energie. Predstavil si loď, ktorú vôbec nezaťažujú zásoby pohonných látok (vyobrazená na perexovom obrázku). Ako palivo totiž slúži všadeprítomný vodík. Silné elektromagnetické pole ho z okolia zachytáva priamo počas pohybu vesmírom. Kvôli nízkej hustote častíc v medzihviezdnom priestore by však zberné zariadenie muselo pôsobiť na ploche stoviek kilometrov štvorcových. Zhromaždená hmota by postupovala k stredu plavidla a súčasne naberala na teplote. Zvyšovanie koncentrácie atómov spojené s neustálym zahrievaním by viedlo k termonukleárnym fúziám a o pohyb by sa postarala uvoľnená energia.



Podľa Bussarda technológia umožňuje dosiahnúť 70 % rýchlosti svetla. Bižšia analýza však odhalila chyby vo výpočtoch. Dizajnér precenil energetický výťažok z reakcie protón-protón. Štúdie naznačili skromnejšiu rýchlosť, okolo 360 000 km/hod. Uviedli aj ďalší problematický bod návrhu, dostatočne malý a zároveň výkonný zdroj schopný zabezpečiť adekvátny magnetický potenciál.

Delá

Počas pretekov v zbrojení 20. storočia americké námorníctvo testovalo koľajnicové delo ako potenciálnu zbraň. V zariadení je projektil umiestnený vnútri trubice alebo medzi dva rovnobežné hranoly z kovu. Extrémne zrýchlenie počas výstrelu vyvolávalo okolité magnetické pole, prípadne pravidelne rozložené výbušniny. A spojitosť s vesmírnymi letmi? Ako napísal Jules Verne, dostatočne veľké delo dokáže predmety vystreliť až na Mesiac.

Civilní konštruktéri skôr uvažovali o vynášaní užitočného nákladu k orbitálnym staniciam. Vysoké finančné náklady spojené s prácami vo vesmírnom priestore by klesli na minimum. Vybudovaniu bráni jedine rýchlosť - predmety vnútri projektilu neprežijú ani len opustenie hlavne. Zrážka so vzduchom totiž na ne pôsobí rovnako ako náraz o stenu.

Výťah do nebies

Čoraz viac výskumných ústavov prejavuje seriózny záujem o iný spôsob dovážania objektov na obežnú dráhu, a to o výťah spájajúci povrch Zeme, ideálne rovníkové či vysokohorské územia, s geostacionárnym telesom.

V prípade takéhoto „výťahu do nebies“ máme lano, ktoré drží napnuté odstredivá sila otáčania planéty. Kabínu k cieľu dopraví systém podobný magnetickým rýchlovlakom.

Uskutočnenie týchto vízií brzdí nemálo ťažkostí. Lano z klasickej ocele určite nezvládne enormné sily, ktorým by muselo čeliť.2 Nové svetlo na situáciu vrhá objav novej štruktúry uhlíka - uhlíkových nanotrubičiek. Materiál vydrží ťah šesťdesiatkrát väčší ako oceľ. Doposiaľ najdlhšie vytvorené vlákna však merajú pár milimetrov.



Nadsveteľnou rýchlosťou

Warpový pohon poznajú najmä fanúšikovia sci-fi. Do vedeckých kruhov prenikol zásluhou mexického fyzika Miguela Alcubierra. Ten vychádzal z kozmologických hypotéz - počas inflačnej fázy krátko po vzniku vesmíru prakticky neexistovala horná hranica rýchlosti rozpínania časopriestoru. To znamená, že ak vesmírne plavidlo vytvára vlastné priestorové deformácie, môže cestovať rýchlejšie ako svetlo a zároveň stále dodržiava základné princípy teórie relativity (nepresiahne svetelnú rýchlosť pohybu v priestore, pretože podstate celý čas nehybne stojí vnútri warpovej bubliny a hýbe okolitým vesmírom).


-



Loď s warpovým pohonom ohromným silovým pôsobením zmršťuje priestor pred sebou a na opačnom konci ho opätovne vyrovnáva. Od okolia ju izoluje vzniknutá bublina. V jej vnútri nedochádza k žiadnym časovým anomáliám a všetky fyzikálne zákony platia bezo zmeny.

Tento pohon napriek prvým prebiehajúcim výskumom ešte dlho ostane víziou ďalekej budúcnosti. Vytvorenie warpovej oblasti vyžaduje zásoby energie porovnateľné zhruba s hmotou planéty Jupiter.

Proti gravitácii

Z ríše sci-fi pochádzajú taktiež rôzne druhy antigravitačných technológií. Najreálnejšie vyzerá verzia so supravodivými cievkami, ktoré tvoria silné magnetické pole. Intenzívne pôsobenie magnetických síl vyvoláva zmeny v štruktúre časopriestoru, čo vedie k odstráneniu vplyvu gravitácie. Podľa výpočtov energia potrebná na dosiahnutie popísaných účinkov 100 000-násobne prevýšuje kapacity našej planéty.

Ďalšie systémy schopné rušiť gravitačné účinky patria skôr do oblasti pseudovedy. Patentové úrady na celom svete dostávajú každoročne množstvo rozličných plánov. Niektoré využívajú tmavú energiu, iné antičastice, alebo dokonca perpetuum mobile. Všetky zdieľajú jeden spoločný znak. Nikdy nebudú fungovať.

Vlastný výskum vedie americký fyzik Franklin Felber. Riešil Einsteinove rovnice pre hmotu pri vysokých rýchlostiach. Vypočítal, že od 57,7 % rýchlosti svetla začne gravitácia na častice pôsobiť odpudivo. K jeho výsledkom zaujíma väčšina vedcov skôr skeptický postoj.



Antihmota

Jav anihilácie dostali do širšieho povedomia najmä prehnané filmové stvárnenia. Pravdou ostáva, že reakcia častice a jej opačného dvojníka predstavuje asi najúčinnejší a najefektívnejší spôsob získavania energie vôbec. Otázka, ako obrovský potenciál skrotiť do podoby použiteľnej pre budúce vesmírne misie, však zostáva aj naďalej otvorená. Priestor dostávajú najrozličnejšie nápady.

Členovia Britskej medziplanetárnej spoločnosti prišli s konceptom nukleárneho motora, v ktorom vodíkové izotopy deutérium a trícium obklopuje rádioaktívny urán 235. Jeho rozpad spustia antiprotóny. Záplava energie vyvolá fúziu izotopov, pričom regulovaný výtok produktov syntézy by mal stačiť na rozhýbanie vesmírneho korábu.

Iné plány vychádzajú z princípu plazmového pohonu s tým rozdielom, že plynné látky nezahrieva magnetické pole, ale teplo z anihilácie. Keďže ani v jednom z návrhov neslúži antihmota priamo ako hnacie médium, vznikajú aj 40-percentné straty energie. V konečnom dôsledku by takéto zariadenia výkonom dorovnali maximálne plazmový motor.

Syntéza častíc s antičasticami bez ďalších medzireakcií vystupuje u piónových plavidiel. V tomto prípade pióny utvára reakcia protónu a antiprotónu. Disponujú vysokou energiou a hýbu sa takmer svetelnou rýchlosťou. Ich pohyb koriguje magnetické pole smerom do vonkajšieho prostredia3 a loď začne okamžite prudko zrýchľovať. Z dosiaľ známych návrhov ide o najsilnejší pohon, aký môže ľudstvo v budúcnosti postaviť.

-

Poznámky:
1. NASA počítala s pohonom vrámci projektu Orion. Okrem skúšobných modelov rakiet vznikol aj plán vesmírnej lode Super Orion. Dizajnéri „mierne“ precenili dobové možnosti. Išlo o gigantický koráb, ktorý by vážil osem miliónov ton! Pomocou 1000 vodíkových bômb mal pasažierov voziť až k Plutu.
2. Lano, ktoré spája Zem a konečnú stanicu vo výške 58 000 km, sa v prvom rade nesmie pretrhnúť pod vlastnou váhou, kabínou s nákladom a pnutím odstredivej sily. Ďalej je nutné zahrnúť vplyv poveternostných podmienok a prípadnú kolíziou s drobnými predmetmi. Výsledný tlak môže dosiahnuť 60 až 100 GPa. Na porovnanie, oceľ sa trhá pri hodnote 2 GPa.
3. Aj pri piónových pohonoch sa objavujú minimálne straty energie. Reakciou protónu s antiprotónom vznikajú celkovo tri druhy piónov. Kladné, záporné a neutrálne. Elektromagnetické pole, ktoré častice usmerňuje, nevplýva na neutrálne pióny. Tie bez využitia unikajú do vonkajšieho prostredia. Navyše, prakticky okamžite zanikajú v spŕške vysokoenergických fotónov. Ich spracovanie nie je možné, pretože predmetmi prenikajú ľahšie ako röntgenové žiarenie.

Zdroje
http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Clovek/Orion.htm
http://ovesmire.webzdarma.cz/technology/technologie-motory.html#vnm
http://ovesmire.webzdarma.cz/technology/technologie-pohon-alternativny.html
http://vesmir.stoplusjednicka.cz/jak-funguje-iontovy-motor-proc-se-vyuziva-pro-velke-vzdalenosti
http://www.hitechweb.genezis.eu/pohon2.htm
http://www.nasa.gov/vision/space/travelinginspace/future_propulsion.html
http://www.icarusinterstellar.org/project-bussard-launch-icarus-project/
https://en.wikipedia.org/wiki/Bussard_ramjet#cite_note-3
http://www.czechnationalteam.cz/?q=content/vesmirny-vytah
http://www.national-geographic.cz/clanky/nadsvetelny-warp-pohon-je-mozny-nasa-uz-na-nem-pracuje.html
http://discovermagazine.com/2006/apr/cell-phone-stress
http://phys.org/news/2006-02-physicist-exact-solution-einstein-gravitational.html
http://www.scienceworld.cz/neziva-priroda/budoucnost-vesmirnych-letu-3-vyuziti-antihmoty-4112/
http://www.space.com/17537-antimatter-fusion-engines-future-spaceships.html
Michio Kaku - Fyzika nemožného, Argo, Dokořán (2010)

Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail