Katedra fyziky FPV UKF v Nitre

Prvá slnečná plachetnica IKAROS. Svoje meno dostal z bájneho Ikara (anagrama na Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun, vo voľnom preklade Medziplanetárny vetroň urýchlený žiarením Slnka). Veľmi tenká zrkadliaca membrána odráža slnečné žiarenie, ktoré ho poháňa vo vesmíre bez nutnosti akéhokoľvek iného paliva. Do tejto "slnečnej plachty" je zavesená malá sonda, ktorá putuje vesmírom. .

Uznanie: Alan Friedman

Tlak slnečného žiarenia

Svetlo, a akékoľvek elektromagnetické žiarenia je formou energie, ktorá sa vo vákuu šíri rýchlosťou svetla (300 000 km/s). O prenose energie sa môžeme presvedčiť každý deň, keď nastavíme našu tvár slnečným lúčom a cítime ako nás zahrieva. Slnečné (elektromagnetické) žiarenie je formou energie a ako také má aj hybnosť. Ak je niečím pohltené, získa hybnosť pohltených fotónov. Ak je odrazené, získa dvakrát takú hybnosť, lebo dorazené fotóny sú ako odrazené zrnká energie, ktoré po odraze majú opačnú hybnosť, než mali pred odrazom. Celková hybnosť sa však nemôže zmeniť (zákon zachovania hybnosti), preto ona dvojnásobná oproti prípadu, keď fotóny boli len pohltené. Suma sumárum, je to ako keď fúka vietor do plachiet.

Tlak slnečného žiarenia formuje chvost kométy. Na obrázku Haleho-Boppova kométa.
Uznanie: E. Kolmhofer, H. Raab; Obesrvatórium Johannesa Keplera, Linz, Rakúsko

Schematický obrázok sondy IKAROS. Vysvetlenie: 1. rožné závažia pre napínanie plachty pri rotačnom pohybe (0,5 kg), 2. oranžové obdĺžniky (oranžovou farbou) predstavujú LCD panely (tekuté kryštály), ktoré dokážu meniť svoju odrazivosť, čím sa riadi svetelný tlak a samotná sonda, 3. samotná plachta (bledo modrou farbou), po uhlopriečke 20 metrov - fólia hrubá 7,5 mikrometra, 4. solárne panely (čiernou farbou), 5. spevnenie (tenké modré a žlté čiary zo stredu von), 6 nosné teleso (modrý disk), 7. zariadenia (žlté bodky na modrom disku).
Uznanie: JAXA

Sailing Cubesat - súkromná vesmírna sonda experimentujúca so slnečným pohonom.

Uznanie: Light Sail

     Slnečné žiarenie vytvára tlak na všetko, na čo dopadne. Tlak žiarenia vyčistí okolie Slnka i každej inej žiariacej hviezdy od veľmi jemného prachu a zvyškov plynov, ktoré hviezdu obklopujú hneď po jeho zrode. Dobre to vidieť na chvoste komét.
     Tento tlak je však mimoriadne malý, preto sa dlho uvažovalo, či môže mať vôbec nejaký význam uvažovať o jeho využití v kozmonautike. Odpoveď na otázku je však áno. Sila, ktorou pôsobí slnečné žiarenie na plachty sondy IKAROS je len 1,12 mN (0,0012 N). Ak to porovnáme s prvým stupňom rakety Saturn V, ktorý sa používal v projekte Apollo pri pristátí človeka na Mesiaci, je to zanedbateľne malé (1. stupeň rakety: 34 MN = 34 000 000 N, 2. stupeň 4,4 MN a 3. stupeň 1 MN). Sila ktorá poháňa IKAROS je veľkosti tiaže makového zrniečka na Zemi. Rozdiel je však v trvaní pôsobenia tejto sily. Prvý stupeň rakety Saturn V poháňal raketu len po dobu 165 sekúnd. IKAROS je to nepatrnou silou poháňaný nepretržite. Aj hmotnosť slnečnej plachetnice IKAROS (310 kg) je nepomerne menšia, ako hmotnosť nosnej rakety Saturn V (1. stupeň 2 290 ton, 2. stupeň 496 ton a tretí stupeň 13,5 ton).
     Celková plocha plachiet sondy IKAROS je 196 m² a hmotnosť samotnej plachty je len okolo 2 kg. Plachta má štvorcový tvar, s dĺžkou strany 14 m (po diagonále 20 m). Materiál plachty je ultratenká polyimidová fólia (hrúbka 0,0075 milimetra). Na povrchu fólie sú LCD panely, ktoré dokážu meniť svoju odrazivosť, čím sa ovláda, riadi samotná plachta. Na rozdiel od plachetníc na mori, ktoré majú kýl a kormidlo, svetelná plachetnica riadi svoj let orientáciou odrazovej plochy. K tomu slúžia spomínané LCD panely. Okrem LCD panelov sú na plachetnici aj solárne panely zabezpečujúce napájanie samotnej sondy (uchytenej v strede sondy).
     Plachta sondy bola rozbalená rotáciou sondy, ktorá dodáva sonde aj určitú stabilitu (2 otočky za minútu). Komplikuje sa tým ale riadenie sondy (odrazivosť LCD panelov sa musí počas riadenia prepínať).
     Sonda IKAROS bola vypustená 21-ho mája 2010. Bola nasmerovaná k Venuši. Nemajme však prehnané nároky ani predstavy o slnečnej plachte. Nasmerovanie k Venuši sa dialo pomocou klasických rakiet. Cieľom projektu bolo overiť, či slnečné plachty sú schopné prevádzky. 9-ho júla 2010 už bolo zrejmé, že plachty fungujú. Ich prídavný efekt je však malý, do augusta 2013 dodala sonde prídavnú rýchlosť 400 m/s. Príčinou je veľká hmotnosť samotnej sondy (310 kg). Keby celková hmotnosť sondy bola len 3,1 kilogramu, táto prídavná hmotnosť (pri rovnakej veľkosti plachiet) by bola 40 km/s. Rovnaký efekt, pri zachovaní 310 kilogramov sondy by sa dosiahol zväčšením plochy plachiet (na 140 m krát 140 metrov).
     V slnečných plachetniciach je skutočne fantázia. Dosiahnuť prídavnú rýchlosť 40 km/s pomocou rakety typu Saturn V by si vyžiadalo raketu so 60 krát väčším množstvom paliva (pri zachovaní proporcií by bola 0,5 km vysoká a pri základni by mala priemer okolo 50 metrov).

IKAROS sa ozýva

S IKAROS-om sa niekoľko krát prerušilo spojenie. Japonská vesmírna agentúra JAXA, ktorá IKAROS vypustila na svoju dráhu, v decembri 2010 ukončila všetky plánované experimenty. Misia bola splnená. Ďalej sa pokračovalo v "nacvičovaní" ovládania plachetnice. V novembri 2012 sonda stále rotovala a nastali problémy s ovládaním, a plachty začali vykonávať menej kontrolované pohyby (smerovanie antény nebolo ideálne). V júni 2013 sa sonda znova aktivovala, ale v septembri 2013 sa spojenie znova stratilo, keď prešla do hybernovaného stavu. 23-ho apríla 2015 sa sonda znova našla a začala vysielať dáta (zo vzdialenosti 120 miliónov kilometrov od Zeme).
Poslanie sondy IKAROS sa neobmedzila len na testovanie funkčnosti slnečnej plachetnice. Na palube sondy bol umiestnený aj detektor pre meranie polarizácie gama zábleskov z vesmíru (GAP - Gamma-ray Burst Polarimeter). Zariadenie testuje jedno z najzávažnejších invariancií, tzv. CPT invariancie, o ktorú sa v značnej miere opiera časticová fyzika. Podľa CPT invariancie častice a ich antičastice sa chovajú identicky, ak v procesoch zmeníme ich náboj (C) na opačný, zameníme ich hybnosť na opačný (P) a celý proces skúmame v obrátenom časovom slede (T) - ako film pretáčaný dozadu (obrátenie času). Pokiaľ však CPT invariancia neplatí, svet vyzerá inak, než sme si doteraz mysleli. Sonda IKAROS pomocou GAP sleduje gama záblesky z vesmíru a pokiaľ by CPT invariancia bola porušená, fotóny s pravotočivou polarizáciou by mali inú rýchlosť, než fotóny s ľavotočivou polarizáciou. Pravotočivé fotóny z veľmi vzdialených objektov by nedorazili súčasne s ľavotočivými fotónmi. Zdroje gama zábleskov sú veľmi vzdialené, preto rozdielne rýchlosti by znamenali, že GAP by registroval príslušné fotóny s určitým odstupom času. Experimenty vykonané na palube sondy IKAROS zvýšili presnosť platnosti CPT invariancie o 8 rádov (sto milión krát väčšou presnosťou), než doteraz vykonané experimenty.

Následníci IKAROS-u

Na štart čaká druhá sonda na testovanie princípu slnečnej plachetnice. Tento krát sa jedná o súkromnú iniciatívu. Súkromné iniciatívy vstupujú do vesmírneho podnikania, ktoré je mimoriadne rizikové. Ukazuje sa, že súkromné iniciatívy síce za sebou nemajú gigantické prostriedky štátnych vesmírnych agentúr (NASA, ESA, JAXA a pod.), preto narábajú svojimi prostriedkami účelnejšie a tiež prichádzajú novými riešeniami.
Poznámka: Vesmír okolo Zeme je plný satelitov, je ich vyše 10 000, pričom každý desiaty štart je neúspešný. V októbri 2014 vybuchol nosič Antares, 28 apríla 2015 stratili kontrolu so zásobovacou raketou Progress, ktorá mala dopraviť zásoby na Medzinárodnú vesmírnu stanicu ISS. Jediným dostupným dopravným prostriedkom na ISS je momentálne len Space X Dragon, prevádzkovaná súkromnou spoločnosťou (svoju misiu na ISS splnila úspešne).
     Nová slnečná plachetnica bude mať menej ako 5 kg, s plochou plachty 32 m (hrúbka fólie 4,5 mikrometrov)². K vybudovaniu samotnej plachty bolo potrebných 200 tisíc USD, ktoré sa vyzbierali za relatívne krátky čas (každý môže prispieť pomocou internetu: minimálna čiastka je 1 USD). Momentálne je na účte 711 tisíc USD a do štartu zostáva 33 dní. V prvej fáze sa plachetnica dopraví na nižšiu trajektóriu, kde sa v tomto roku bude testovať rozotvárací mechanizmus. V roku 2016 sa sonda zachytí a vynesie do výšky 720 km nad atmosféru, kde sa začnú letové testy (vo výške 200 km je stále citeľná atmosféra Zeme na letovú manipuláciu so slnečnými plachtami).
     Pokiaľ bude nový koncept plachetnice úspešný, plánuje sa výrazne väčšia plachetnica, ktorého cieľom by mohlo byť aj sledovanie Halleyho kométy. Sledovanie Halleyho kométy je problém. Pri vstupu do vnútornej oblasti Slnečnej sústavy jej rýchlosť dosiahne 40 km/s, čo je ale väčší problém je, že obieha okolo Slnka v opačnom smere ako planéty, teda v opačnom smere ako Zem. Samotná Zem sa pohybuje rýchlosťou 30 km/s. Túto rýchlosť využívame pri navštevovaní ostatných planét. Pustiť sa za Halleyho kométou by však znamenalo najprv raketu zabrzdiť, potom zrýchliť na 40 km/s v opačnom smere. Pustiť sa do takejto misie čisto silou raketových motorov by znamenalo postaviť ešte väčšiu raketu, než bola ona hypotetická super Saturn V vyššie. Na dosiahnutie rýchlosti 70 km/s by bolo treba aspoň 1100 krát viac paliva, než bolo potrebných v Saturn V. Táto raketa by už musela mať (pri zachovaní proporcií) vyše 1 km na výšku a pri základni by mala priemer 100 metrov.
     Čo sa nedá silou, dá sa rozumom. Je tu samozrejme trik s gravitačným katapultom - letieť na Jupiter a nechať sa otočiť jeho gravitačnou príťažlivosťou blízkym preletom okolo planéty. Slnečnou plachetnicou by sa dalo oboje.
     V každom prípade internet znova ukázal svoju silu spájať ľudí, a umožniť im splnenie snov, na ktoré by z ich daní asi štát nebol ochotný dať. Autor príspevku typuje, že do 30-ho júna bude na účte príslušnej občianskej iniciatívy milión dolárov na plnohodnotné spustenie programu (sledujte)

    Kto bol Ikaros?
Odpoveď:

Podľa gréckej mytológie bol syn Daidala. Daidalos postavil labirint pre bájneho Minótaura na Kréte. Z Kréty chceli uniknúť pomocou krídiel, ktoré zhotovil Daidalos z vosku a vtačích perí. Varoval svojho syna, aby neletel príliš vysoko, blízko k slnku. Syn však nedbal varovania - vosk na jeho krídlach sa roztopil, perie z krídiel opadalo a Ikaros sa zrútil do mora.

.

-AT-

< Späť -- Úvodná stránka -- Ďalší >