Určitě to znáte. Máte pár miliónů tun železného harampádí, nějaké ty nevyužité gigawatty energie, zahálející průmyslové komplexy na oběžné dráze, navrch ještě pár desítek miliónů tun jaderného paliva, ale žádný nápad, co s tím…
No, vlastně to asi neznáte, lidstvo má prozatím nadbytek těch nápadů, ale nedostatek všech ostatních jmenovaných věcí, takže se nedá očekávat, že by se v nejbližších staletích našel nějaký kutil, který by vážně pomyslel na stavbu mezihvězdné lodi.
I když ponecháme stranou momentální neutěšenou situaci, najde se spousta škarohlídů, kteří autoritativně prohlašují: mezihvězdnou loď postavit prostě nejde, a basta! Nebo aspoň ne pořádnou. Takoví lidé se obvykle uchylují k tomu, že mimozemšťany můžeme kontaktovat nanejvýš rádiem, a po jiných hvězdných systémech můžeme maximálně poslintávat. Příznivcům SETI toto přesvědčení, zdá se, přidává na důležitosti, další pozemšťany zbavuje obav z toho, že jim jednoho dne u dveří zaklepou nějací špatně naladění kosmičtí sousedé.
Tato příručka pro kutily klade za cíl prokázat, že mezihvězdnou kosmickou loď postavit lze. To, jestli ji někdo někdy postaví, nebo zda tak učinili nějací emzáci, ponechejme k řešení povolanějším.
Hned na úvod se rozlučme se všemi možná a kdyby, a omezme se pouze na prokázané fyzikální děje. Ano, možná existují nějaké neznámé fyzikální zákony, a možná jsou neznámé tím správným způsobem, aby umožnily cestování rychlejší než světlo, nebo alespoň podobně rychlé, kdyby byly k dispozici potřebné znalosti, technologie, materiály, energie a prostředky. To není jen jedna nejistota, je jich hned celá řada. Není jediný důvod myslet si, že existuje nějaká „objížďka“ kolem rychlosti světla, a podobně není důvod si myslet, že i kdyby existovala, bude technologicky realizovatelná a praktická. Je samožřejmě možné, že jednou budeme mít warpový pohon – pokud se však týče dnešních znalostí fyziky, je tato pravděpodobnost natolik malá, že ji směle můžeme zanedbat.
Pro jednoduchost budu ignorovat i mnohé hezké a jistě velmi praktické nápady, jako je například laserový pohon plachetnic, pohon černými minidírami, nebo používání antihmoty. Nejde mi totiž o to, vymyslet co nejlepší mezihvězdnou loď, ale pokudmožno jednoduše ukázat, že to je obecně možné, i bez neznámých technologií.
Co nám z toho vyplývá? Vyřadíme-li neznámé a exotické zdroje energie, a vynecháme i chemické rakety, které jsou pro náš účel prakticky k ničemu, zůstane nám energie jaderná: štěpení a fůze. To znamená, že budeme cestovat pomalu – rychlostí 1 – 20% rychlosti světla (c), to znamená minimálně 22, respektive 430 let pro cestu k nejbližší hvězdě. Pokud nechceme posádku zmrazovat (což neumíme a netušíme, zda někdy umět budeme) a ignorujeme možnost posílat zmrazená embrya (což sice umíme, ale bez přítomnosti živé a zdravé osoby ženského pohlaví je neumíme vypěstovat v životaschopné jedince, o jejich následném vývoji psychickém nemluvě), znamená to, že loď bude buď automatická (sonda) nebo tak velká, aby umožnila dlouhodobý život posádky po dobu mnoha let, nebo dokonce generací.
Projekt sondy byl poměrně obstojně propracován (projekt Daedalus, projekt Longshot), zde tedy zůstaňme u druhé varianty.
Habitat
Jak by taková loď mohla být těžká? To je velmi zajímavá otázka… Odkud při výpočtu vůbec začít? Začněme u toho, co si lze snadno představit – u habitatu pro život posádky. Pokud má na palubě být životaschopná populace, schopná založit trvalou kolonii, počítá se minimální možný počet jedinců v desítkách. Chceme-li mít jistotu, uvažujme, že habitat by měl pojmout alespoň 150 lidí.
Jak velký habitat ti lidé potřebují, a kolik by asi vážil? Ve svých úvahách jsem uvažoval habitat ve tvaru válce nebo prstence o poloměru 50 m a délce 60 m. Rotací válce vznikne odstředivá síla napodobující umělou gravitaci. 3 otáčky/minutu už dají 1/2-1/3 g, což zhruba odpovídá gravitaci na Marsu a člověku by to snad mohlo stačit. Směr „dolů“ bude mířit směrem od osy rotace. Struktura habitatu bude sestávat z koncentricky uspořádaných podlaží o výšce 4 m.
Členovi posádky jsem přiřkl soukromý životní prostor 150m2 (čtverec o hraně 12×12,5 m). Obytnou plochu uvažuji jen 1/2 každého podlaží (zbytek by zabíralo, řekněme, technické zázemí). V případě, že by do habitatu z vnějšku pronikalo kosmické záření, tak by lidé neměli být hned na ráně. Podlaží podél vnějšího obvodu válce bude proto pouze užitkové.
Za těchto podmínek by stačila 3 podlaží k ubytování posádky. Ve válci je však možné vymezit podlaží až 10, takže stále zůstávají rozsáhlé plochy pro společné prostory a pěstování potravy.
Velkou otázkou je ovšem hmotnost takového habitatu. Ve studii z roku 2007 byla odhadnuta hmotnost válcové vesmírné kolonie pro 3000 lidí, o poloměru 250 m a délce 325 m, na 7 miliónů tun. To odpovídá hustotě 101 kg/m3. Uvažujeme-li, že hmotnost stanice je zhruba úměrná jejímu povrchu (tedy roste a klesá s druhou mocninou poloměru), vycházelo by pro náš habitat asi 300 000 tun a hustota 640 kg/m3. Pokud by konstantou byla spíše hustota, bylo by to něco přes 50 000 tun, ale držme se raději vyššího čísla – habitat na rozdíl od vesmírné kolonie musí být dlouhodobě soběstačný, což znamená velké zásoby veškerých surovin, systémy podpory života, vlastní výrobní prostředky, jaderné reaktory apod., takže případným přestřelením hmotnosti určitě nepochybíme.
Dále uvažujme, že loď ponese tyto habitaty ne méně než tři. Ne všechny musejí být osídleny hned z počátku, ale je třeba počítat s možností nehody nebo přílišného růstu populace, takže větší prostor se vždy hodí.
Štít
Pokud se loď bude pohybovat rychlostí několika % rychlosti světla, bude se střetávat s atomy mezihvězdného plynu v neobyčejné rychlosti. Ty budou jednak mechanicky narušovat cokoli, nač dopadnou, jednak vytvářet brzdné záření (gama paprsky) při kontaktu s hmotou. Mikrometrová prachová zrna už mají velmi nebezpečnou kinetickou energii a mohou způsobit makroskopické poškození.
Přímý kontakt s tímto proudem smrtících projektilů by člověka okamžitě usmrtil (viz odkaz). Loď proto bude muset mít čelní štít, chránící habitaty. Mohl by se skládat z tenkých vrstev materiálu (Whipple shield), mechanicky odolného krunýře a silné ledové vrstvy, stínící brzdné gama paprsky. Sílu štítu jsem odhadl na 5 tun/m2 a průměr na 120 m (aby zastínil habitatovou sekci), což dává hmotnost 60 000 tun.
Jako doplněk specializovaného štítu (nebo přímo jako jeho náhrada) by také mohly posloužit vyprázdněné palivové nádrže – velká část by se jich vyčerpala ještě v době, kdy loď letí pomalu a žádný štít nepotřebuje, poté by již k ničemu nesloužily a mohly by být naskládány před příď jako ochranná vrstva.
Proti větším meziplanetárním částicím jsou ovšem nutná i aktivní obranná opatření, např. silné radary pátrající po větších částicích, doplněné lasery, které by je včas odpařily.
Sečteno a podtrženo…
Hmotnostní rozpočet pro obytnou část lodi je následující:
- Habitat, 3ks, 300 000 tun/kus
- Čelní štít proti mezihvězdné hmotě, 1 ks, 60 000 tun
- Zásoby materiálů a podpůrné struktury 200 000 tun
- Meziplanetární lodě pro cílový systém, 6 ks, 6 000 tun/kus
Celkem: 1 196 000 tun
To je ovšem toliko jedna část lodi, takzvaný užitečný náklad. Potřebujeme však také pohonný systém, palivo a palivové nádrže. Zde přistoupím k poněkud apriornímu předpokladu, že pohonný systém bude zhruba stejně hmotný jako náklad (není to úplně stavění na vodě, podobně tomu je u některých reálných designů nukleárně-pulsních lodí, a tohoto čísla se přidržím). Vlastní loď proto může mít hmotnost kolem 2 400 000 tun.
Kolik paliva loď může nést? Ideálně samozřejmě co nejvíc, ale poměr zase nemůže být absurdně velký. Pokud vyjdeme opět z toho, co je známo ze studií nukleárně-pulsních lodí, měla by hmotnost lodi (včetně nádrží) být rovna minimálně asi 15% váhy paliva. Nádrže přitom představují, řekněme, 7% hmotnosti paliva, takže loď bez nákladu bude asi 8% hmotnosti paliva. Po zaokrouhlení nám vyjde, že množství paliva v tomto případě bude 30 000 000 tun, a celková hmotnost lodi i s palivem a nádržemi bude 34 500 000 tun. Pro srovnání, Velká pyramida má (podle Wikipedie) 5 – 6 miliónů tun, tj. 6x-7x méně. Vzhledem k tomu, že převážná většina z toho bude vysoce jakostní jaderné palivo, není to vůbec triviální věc. Samozřejmě když srazíme hmotnost nákladu a pohonného systému, přímo úměrně klesne i odpovídající množství paliva – jenže jak nízko vůbec můžeme jít, má-li posádka mít šanci přežít desetiletí nebo staletí?
Rychlost letu
Ta nejklíčovější otázka: jak rychle naše monstrum poletí? Na tu odpoví prostá raketová rovnice.
Pokud by šlo o štěpný nukleárně-pulsní pohon – starý dobrý Orion poháněný atomovými bombami a tlačným plátem – můžeme u podobně monstrózní lodi doufat ve specifický impuls (Isp) řekněme 100 000 sekund. Kdybychom během letu neodhazovali palivové nádrže, dosáhli bychom rychlosti 0,67% c, při odhazování větší části nádrží už 0,8% c. Přelet k Alfě Centauri by potom trval 538 let, nepočítaje rozjezd a brždění. To samozřejmě jde, ale je to dlouho. Na palubě by se vystřídalo minimálně 20 generací, všechny systémy by musely fungovat půl tisíciletí (pamatovala by si vůbec 20. generace, jak provádět údržbu a opravy?). Kdyby loď byla stupňovaná (jinými slovy se nezbavovala jen nádrží, ale i další hmotnosti), dosažená rychlost by mohla ještě dále stoupnout, tuto alternativu zde ale uvažovat nebudeme.
Pokud bychom použili nukleární fúzi a trochu sofistikovanější metody než je tlačný plát, mohli bychom dosáhnout až Isp= 1 500 000 s. Potom se už dobereme slušných 10% c, a budeme-li odhazovat vyčerpané palivové nádrže, pak dokonce 12% c. Tím se Alfa Centauri dostává 36 roků letu daleko, 10 světelných let (např. k Epsilonu Eridani) překročíme během 83 let. Díky tomu by se na palubě vystřídalo jen několik málo generací, a dokonce i původní členové posádky by se mohli dožít chvíle příletu. (Původně dvacetiletému mladíkovi by v době příletu k Alfě bylo 56, k Epsilonu potom 103, což je stále v silách lidského organismu.) Samozřejmě musíme uvažovat i určitou dobu akcelerace a brzdění, která by dobu letu výrazně protáhla. Při zrychlení 1% pozemského g (proč ne?) by loď dosáhla 1% c zhruba za 1 rok, celková doba akcelerace by proto mohla trvat i desítky let.
S parametry mezihvězdné kosmické lodi si můžete pohrát sami v připraveném excelovském souboru pro výpočet raketové rovnice.
Brzdný manévr a magnetické plachty
Kdyby vše probíhalo, jak je řečeno výše, mezihvězdní kolonisté by záhy narazili na neodbytný a palčivý problém: Pokud by vyvinuli maximální rychlost a dorazili k cíli v rozumném čase, nezbývalo by jim již žádné palivo na to, aby mohli zastavit!!! Pokud by brzdili stejným způsobem, jako rychlost nabrali, byla by jejich cestovní rychlost rovna nejvýše polovině maximální delta-v jejich lodi a doba přeletu by dvojnásobně vzrostla!
Jednu odpověď ovšem nabízí proud mezihvězdné hmoty, jímž si loď proráží cestu. Kdyby mu nastavila něco skutečně obrovského, konkrétně magnetické pole (tzv. magnetická plachta), vzniklo by tření dost velké k tomu, aby ji významně zpomalilo.
Magnetické pole by mohlo být generováno velkou smyčkou supravodivého drátu obklopujícího loď. Supravodiče jsou supravodivé jen za nízkých teplot, ale to by v mezihvězdném prostoru nemusel být problém.
Smyčka by ale musela měřit stovky, možná dokonce tisíce kilometrů v průměru. Matloff (2005) uvádí, že 400 tun vážící loď vybavená 90 tun vážící magnetickou plachtou o poloměru 420 km by ze 3% c zpomalila na 0,22% c během padesáti let. Těžká generační loď by potom potřebovala mnohem větší (a těžší) plachtu v opravdu titánském měřítku, a stejně by šlo o proces trvající desetiletí nebo staletí.
Zpomalování je tím přitom tím pozvolnější, čím pomaleji se loď pohybuje. U postupně brzdící lodi efektivita magnetické plachty asymptoticky klesá k nule, a skutečného zastavení se nikdy nedosáhne.
Loď by proto stejně musela ponechat část svého paliva na dobrždění, což znamená, že by si musela uchovat i funkční motor. Její maximální cestovní rychlost by klesla úměrně tomu, kolik paliva by musela ušetřit pro brzdný manévr. Jistě by to však bylo stále podstatně výhodnější, než kdyby se celý proces brždění musel být zajištěn vlastními silami.
Kdyby magnetická plachta nabrala proud nabitých částic vycházející z cílové hvězdy (hvězdný vítr), bylo by zpomalování účinnější a mohlo by dospět až k nule – ovšem hvězdný vítr je k dispozici až poměrně těsně u cíle, takže je otázka, jestli by tento fenomén byl k praktickému užitku..
Magnetická pole jsou ale užitečná i při akceleraci – mohou zachycovat produkty nukleárního pulsního pohonu a tím zvyšují Isp – bez nich slibovaný Isp 1 500 000 s nikdy nevyvineme. Jednou z možností je tzv. MagOrion, kde jsou odpalovány velké termojaderné bomby, jejichž energie (ve formě letícího plazmatu) není zachycována tlačným plátem, ale právě magnetickou plachtou. Toto zařízení tedy zefektivňuje rozjezd a zároveň je lze uplatnit i při zpomalování. MagOrion by také mohl mít mnohem nižší hmotnost pohonného systému (nepotřebuje tlačný plát ani systém tlumičů), takže by nakonec mohl být výrazně lehčí, než předpokládá hmotnostní rozpis lodi v úvodu. Záď lodi však přesto bude vyžadovat určitou ochranu před žhavým plazmatem proudícím z vybuchujících bomb.
Schéma lodi na principu MagOrion
Vzhled lodi
Jak by ale loď vlastně vypadala? Pomůže jednoduchý náčrtek, ilustrující poměr, nebo spíše nepoměr, mezi palivem a habitaty:
Objem paliva (modře) bude mnohem větší než objem obytné části lodi. Ochranný štít (fialově) může chránit pouze habitaty, palivu musí stačit ochrana vyprázdněných nádrží vpředu.
Zde jsem uvažoval, že palivo má hustotu rovnou hustotě vody, což je zřejmě přehnaně optimistické. Palivem by měly být termojaderné bomby, a jejich podstatnou část by mělo tvořit fúzní palivo – deuterium a hélium 3He. Oba tyto prvky mají velmi nízkou hustotu v pevném i kapalném stavu, proto je pravděpodobné, že palivové nádrže by zabíraly ještě několikanásobně větší objem, než je vyobrazeno. Fúzní palivo by bylo nutno udržovat při velmi nízké teplotě, aby se nevypařilo. Mezihvězdný prostor sice je dostatečně chladný, ale muselo by se zajistit, aby palivo neohřívalo odpadní teplo jaderných reaktorů habitatů uvnitř!
Protože mezihvězdné prostředí je nepřátelské, bude nejlepší umístit obyvatelné části kosmické lodi dovnitř palivového bloku, jak ukazuje následující obrázek. Magnetická plachta není zakreslena (vůči lodi bude příliš ohromná). Záď je „obrněna“ proti pulsům plasmatu z termonukleárních pulsních jednotek. V případě nutnosti by tam musel být klasický tlačný plát a tlumiče jako u Orionu. Prostor mezi zádí a habitaty nebude samozřejmě prázdný, ale budou tam umístěny životně důležité složky pohonného systému, systémů podpory života, hlavní reaktor apod.
Během akcelerační fáze bude většina vyprázdněných nádrží odhozena. Část paliva se však musí ponechat také na dobrždění a přechod na orbitu cílové hvězdy (pokud je právě toto cílem). Loď si ponechá i část prázdných nádrží, coby doplněk čelního štítu (na schématu nejsou rozlišeny prázdné a plné nádrže). Tak je habitatová sekce stále chráněna silnou vrstvou paliva a prázdných nádrží.
V této podobě loď stráví naprostou většinu doby letu.
Další chytré nápady
Zajímavou možností by bylo loď vůbec nebrzdit. Při průletu kolem hvězdy by se uvolnil pouze jeden z habitatů, který by zabrzdil pomocí vlastní magnetické plachty (a vlastního pohonu). Zbytek lodi a nejspíše i zbytek obyvatelstva v ostatních dvou habitatech by mohl pokračovat k nějaké další hvězdě, kde by se mohl uskutečnit další výsadek. Jedna loď by mohla kolonizovat tolik soustav, kolik by nesla habitatů.
Každý výsadkový habitat by ale musel být opatřen vlastním štítem proti mezihvězdné hmotě – byly by na něj kladeny v podstatě stejné nároky jako na štít mateřské lodi. Také by musel mít vlastní pohon. V podstatě se dá říct, že velká mateřská kosmická loď použitá pro urychlení a přelet mezihvězdné propasti by byla nakonec postupně přebudována na tři menší kosmické lodě, určené pro zpomalení a zabydlení cílových hvězdných soustav.
Výsadkový habitat (brzdící proti plasmovému větru cílové hvězdy)
Velmi zajímavá je také možnost nevozit veškeré palivo s sebou, ale využít řadu pulsních jednotek (=bomb), předem rozestavěnou v kosmickém prostoru. Loď by nejprve nabrala počáteční rychlost vlastními silami, a potom by dohnala první předpřipravenou peletu, která by se odpálila právě v době, kdy by se nacházela za zádí lodi. Získaný impuls by loď popohnal k další čekající náloži, a tak dále, až by se loď „prokousala“ celou řadou pulsních pelet. Tomuto způsobu pohonu můžeme říkat peletový ramjet, nebo žertovnou přezdívkou PacMan-ramjet.
Tento postup má tu výhodu, že loď s minimem paliva na palubě je velmi lehká, takže akceleruje rychleji a potřebuje minimum paliva. Negativem je nutnost velmi přesné časové i prostorové koordinace lodi a pulsní pelety. Když bomba vybuchne v nesprávné chvíli, nebo dokonce do lodi narazí, je celá mezihvězdná výprava odsouzena k zániku.
Princip peletového ramjetu. Loď nenese palivo, ale nechává za svou zádí explodovat pulsní jednotky (=bomby), které do kosmu předem umístila podpůrná loď, nebo laserový pohonný systém. Každá exploze loď trochu popostrčí. Pelety by ve skutečnosti nemusely procházet středem lodi, v případě MagOrionu by stačilo, kdyby prošly někde v prostoru mezi magnetickou plachtou a lodí (koordinace by nemusela být zase tak přesná).
Problematikou, která by si vyžádala důkladné studium, je také způsob vytvoření oné řady pulsních jednotek. Plasma z atomové bomby má omezenou rychlost (zde asi 5% c). V situaci, kdy loď letí významným zlomkem c a za její zády vybuchne bomba, která je v klidu, plasma nemá šanci rozjetou loď dohnat, natož urychlit! Pokud by předpřipravené bomby v kosmickém prostoru neměly mít jenom prostorové rozestupy, ale navíc by se měly ještě samy pohybovat velkou rychlostí (aby jejich pohyb byl sladěn s pohybem prolétajícího hvězdoletu), mohlo by se snadno stát, že k jejich urychlení a rozmístění bychom spotřebovali stejně nebo více paliva, než kolik bychom tím ušetřili na vlastním mezihvězdném plavidle. Druhou možností je jejich akcelerace elektromagnetickým dělem nebo laserovým pohonným systémem.
Poznámka: Zběžný výpočet ukazuje, že obě alternativy (vezení pulsních jednotek na palubě lodi, i jejich předběžné rozmístění a urychlení pomocnou lodí) by měly stejné nároky na palivo. S neurychlenými peletami (velká relativní rychlost proti lodi) by byl výkon dokonce ještě horší, než podle běžné raketové rovnice. Peletové „ramjety“ proto mají smysl jen tehdy, když máme nějaký mechanismus, který dokáže urychlovat malé náklady na vysoké rychlosti ekonomičtěji, než jaderný raketový pohon. To ponechává ve hře laserové a j. urychlovací systémy.
Závěr:
Vyslat mezihvězdnou loď ke hvězdám zcela prokazatelně LZE. Existují však čtyři skupiny problémů, které tomu brání:
1) Technologická úroveň (technologie potřebné pro stavbu a provoz lodi)
2) Měřítko projektu (nutný objem surovin, práce, peněz)
3) Časové hledisko (nutnost udržet loď v bezchybném provozu desetiletí či staletí)
4) Biologicko-sociální aspekty (dlouhodobé přežití posádky v izolovaném umělém systému)
Potřebné technologie v zásadě máme. Kdybychom se dejme tomu následujících sto let věnovali soustředěnému výzkumu této problematiky, zřejmě by se podařilo většinu potřebných technologií vyvinout – i kdyby výsledkem měla být loď primitivnější a pomalejší než ta, kterou jsme si „postavili“ během tohoto myšlenkového cvičení, nebo „pouhá“ sonda.
Pokud jde o lidskou civilizaci, tak nejklíčovější skupinou problémů je ta druhá – nemáme potřebnou surovinovou základnu, průmysl a energetiku, abychom mohli vůbec pomýšlet na stavbu takového giganta, i kdybychom měli potřebnou technologii.
Spolehlivost techniky v běhu na dlouhou trať může být Achillovou patou, na druhou stranu kolektiv několika stovek inteligentních lidí s patřičným vybavením by měl být schopen opravit prakticky cokoli. Když uvážíme, že některé meziplanetární sondy operují po dobu desítek let, není doba řádově jednoho století zase tak nepředstavitelně dlouhá.
Biologicko-sociální aspekty jsou velkou neznámou – lidé zatím žili ve zcela umělém izolovaném prostředí po dobu několika měsíců, nanejvýš let, takže si zatím nedokážeme ani představit, co by obnášelo vybudování zcela soběstačného světa mezihvězdné kosmické lodi.
Sečteno a podtrženo – lidé mezihvězdnou loď jen tak nepostaví, ostatně zatím není vůbec jisté, zda někdy postaví alespoň loď meziplanetární, což je nepředstavitelně jednodušší úkol. Jiná mimozemská civilizace, byť nepříliš vyspělejší než my, by však na tom mohla být jinak. Druh, který osídlil vlastní planetární systém, by měl zkušenosti s kosmickými pohony a přístup k téměř neomezeným surovinovým zdrojům (např. na asteroidech). Mohl by mít také určité výhody biologické – např. delší dobu individuálního života, menší nároky na prostor, nebo přirozenou schopnost upadnout do stavu anabiózy či hibernace.
Určitě existuje mnoho dobrých vysvětlení toho, proč v naší Sluneční soustavě dosud nerejdí kolonisté z hlubin Galaxie, nemožnost mezihvězdných cest k nim však rozhodně NEPATŘÍ.
Odkazy
Al Globus, Nitin Arora, Ankur Bajoria, Joe Straut: The Kalpana One Orbital Space Settlement Revised.
G. L. Matloff: Deep Space Probes – To the Outer Solar System and Beyond. (Sekce 7.2)
Oleg G. Semyonov: RADIATION HAZARD OF RELATIVISTIC INTERSTELLAR FLIGHT
Pingback: Planety bez sluncí |