Seminární práce cestování vesmírem Lukáš Louda 2007 / 2008 oktáva B 0
1.Prohlášení Prohlašuji, že jsem seminární práci na téma: Cestování vesmírem vypracoval zcela sám za použití pramenů uvedených v přiložené bibliografii na počítači v programech Microsoft Word XP. V Františkových Lázních dne 3. ledna 2008 Podpis řešitele 1
2. Anotace Seminární práce se zabývá problematikou vesmírného cestování. Jsou zde naznačeny některé problémy, o kterých se v souvislosti s vesmírným programem mluví. Tato práce se zaměřuje na technické a fyzikální problémy od typu motoru až po fyzikální zákony vesmírných těles. 2
3. Metodika Tato práce není psána příliš odborným stylem plným fyzikálních vzorců a matematických rovnic. Její hlavní úloha je toto téma osvětlit a jednoduše vysvětlit člověku, který nemá v tomto oboru dostatečné znalosti. Na druhou stranu jsem se snažil, aby tato práce nebyla tímto způsobem zpracování poškozena po vědecké stránce. 3
3. Obsah 1. Prohlášení. str. 1 2. Anotace. str. 2 3. Metodika.. str. 3 4. Obsah str. 4 5. Cestování vesmírem 5.1 Úvod... str. 5 5.2 Start rakety 5.2.1 úvod str. 7 5.2.2 Fyzikální principy.. str. 7 5.2.3 palivo a motory.. str. 9 5.3 Mezihvězdné cestování 5.3.1 úvod str. 10 5.3.2 konstrukce motoru.. str. 10 5.3.3 Cesta vesmírem... str. 12 5.4 Motory.... str.15 6. Závěr.....str. 16 7. Seznam použitých zdrojů str. 17 4
5. Cestování vesmírem 5.1. Úvod Dostat se z místa A do místa B na Zemi je velmi jednoduché.překonat oceány, pouště, vysoká pohoří není pro člověka dnes žádným problém. Pokud ale budeme cestovat vesmírem, situace bude mnohem komplikovanější. Prvním problémem je tíhové pole Země, které překonají jen silné motory s velkým zrychlením. takové motory se ale nehodí k mezihvězdnému cestování. Dalším problémem je vzdálenost Země a jiné planety, ve vesmíru musíme vzdálenosti chápat v jiném měřítku. Světlu, které urazí za jednu sekundu 300 000 000 km, to od Slunce k Zemi trvá osm minut. Ovšem hvězdy vzdálené několik světelných let nevidíme v reálném čase, takže dnes už ani nemusí existovat. Tuto úvahu musíme vzít v potaz, protože proč cestovat k něčemu, co už neexistuje. Světlo je tedy příliš pomalé nato, aby se používalo při mezihvězdném cestování. S tímto problémem souvisí i rychlost kosmické lodi. Ta se totiž stejně jako světlo nemůže pohybovat nadsvětelnou rychlostí. A to není vše. Pokud budeme cestovat rychlostí blízkou rychlostí světla, čas se stává relativní veličinou pro pozorovatele a cestovatele. Fyzikální zákony nelze porušit, ale lze je obejít. Někteří vědci navrhují docela zajímavé řešení. Pokud v této realitě nejde cestovat rychlostí větší než je rychlost světla, můžeme použít jinou realitu ( prostor ), kde tyto zákony neplatí. Někdy bývá označován jako hyperprostor. Jedná se o červí díru, která spojuje dvě místa v našem časoprostoru. Pokud bysme takto chtěli cestovat, nemuseli bychom opouštět planetu, ale už na Zemi bychom vstoupili do hyperprostoru, a na povrchu cílové planety bychom z něj vystoupili. Tento prostor by se také dal využít jako informační kanál, místo pomalého světla a elektromagnetického vlnění v našem prostoru. 5
Pokud ale tyto problémy překonáme, stačí už zvládnout poslední třetí etapu, přistát na cílové planetě. Zde ale nastává největší problém, existuje vůbec nějaká planeta, která by byla vhodná pro život. Základním znakem této planety je hmotnost a tedy i intenzita gravitačního pole jako má Země, dále atmosféra, parametry hvězdy cílové sluneční soustavy, vlivy ostatních těles, jejich gravitací nebo možnou srážkou, spousta dalších faktorů. Na první pohled je pravděpodobnost nalezení takové planety nulová, avšak ruský vědec G. Fesenkov přišel nato, že vytváření hvězd, slunečních soustav, galaxií, má svá pevná pravidla, daná vlastnostmi hmoty, která je všude stejná. To, že na Zemi vznikl život a že pro něj vznikly dané podmínky není dílem náhody. všechny tyto děje nejsou žádný chaos, ale děje přesně řízené podle fyzikálních a chemických zákonů. Pokud tedy na dvou různých místech ve vesmíru vzniknou dvě sluneční soustavy, je velmi pravděpodobné, že budou mít podobný charakter. Cestování vesmírem není žádná hračka. Vyžaduje zdroj obrovské energie, vysoce výkonné počítače a velmi odolné materiály. Tento luxus si může dovolit jen velmi vyspělá civilizace. Lidé zatím přistály na Měsíci a vyslali dvě sondy nedaleko od své sluneční soustavy. Tento pokrok je ale spíše výjjmečný. Po skončení studené války a po odchodu Von Brauna z Nasa a smrti Koroljova se kosmický program rozvíjí velmi pomalu a ve srovnání s minulou dobou spíše stagnuje. Všechny technologie a postupy dosáhly svých hranic a je nutné hledat nové postupy. 6
5.2. Start rakety 5.2.1 Úvod Abychom mohli cestovat kosmickou lodí vesmírem, musíme nejdříve opustit planetu. K tomuto účelu je nutné použít silné, výkonné motory, které dodají potřebný tah a překonají tíhovou sílu, která působí na raketu. Zrychlení, které způsobují je veliké, avšak současné motory jsou schopny je udržet pouze několik málo minut. Omezení je totiž dáno druhem paliva. Tekutá nebo pevná paliva s okysličovadlem jsou sice velmi účinná avšak jsou i velmi těžká. Přes polovinu hmotnosti při startu rakety tvoří hmotnost paliva. Vazby mezi molekulami paliva by musely obsahovat mnohem více energie. Účinnost paliva lze udávat v J. kg -1 (energie ukrytá v 1 kilogramu). Tento druh paliva má tedy své omezení. Část energie se využívá jen k vynášení samotného paliva. Z energie chemické vazby už není možné dostat více. Na řadu tedy musí přijít energie jaderná. 5.2.2 Fyzikální principy Aby se raketa dostala ze Země, musí na ní působit síla, která je stejného směru a velikosti a opačné orientace než je síla tíhová. Gravitační pole se vzdalováním středů obou těles zeslabuje. Ve větší výšce je tedy nutný menší tah motorů. U raketového motoru je odhazováním zbytečných prázdných nádrží dále snižován tah motorů. Raketa během letu zrychluje, aby na oběžné dráze měla první kosmickou rychlost. v rychlost rakety h 2 v rychlost rakety F tah motorů h 1 h 0 F tah motorů 7
- první kosmická rychlost je rychlost, kterou se pohybuje těleso po kruhové dráze kolem centrálního tělesa v dané výši. v 1 = G. m. r -1 Aby raketa změnila svojí výšku, musí zvýšit svoji rychlost, protože tím se mění i odstředivá síla, která působí na raketu. Raketa po změně výšky opět zpomalí na novou 1. kosmickou rychlost. Aby raketa opustila Zemi, musí dosáhnout 2. kosmické rychlosti v 2 = 2. G. m. r -1 F odstředivá V 1.kosmická F g poloměr kruhové rychlosti V 2.kosmická h 1 Pokud raketa dosáhne třetí kosmické rychlosti, opustí sluneční soustavu a vydá se na cestu vesmírem. Tabulka 1.kosmických rychlostí na Zemi výška * 0 200 500 1000 5000 10000 18000 36000 50000 360000 1.kosmická 7,905 7,784 7,613 7,350 5,919 4,933 4,044 3,067 2,659 1, 043 rychlost ** *nad povrchem Země v km ** v km. s -1 8
5.2.3. Palivo a motory Raketový motor Raketový motor je v současnosti nejvyužívanějším typem ze všech motorů. Má dobré předpoklady ke splnění svého účelu dostat raketu na oběžnou dráhu. Vysoký výkon pro překonání tíhové síly je nutný jen po několik minut. V současnosti je to tedy nejlepší možnost k vynášení nákladů na oběžnou dráhu. Jako zdroj energie se používá chemická energie vazeb paliva. Existují dva druhy paliva : kapalné a pevné. Kapalná paliva mají dvě složky kapalná např. kerosin nebo methanol a tekutý kyslík jako okysličovadlo. Jejich výhodou je, že dá reakce ovládat během letu. Pevná paliva mají obě složky smíchány dohromady, což umožňuje větší výkon, ale jakmile se reakce zažehne, už ji nelze zastavit. Při výbuchu např. u raketoplánu se uvolní energie malé jaderné bomby. Dnešní státy, které mají svůj vesmírný program USA, Rusko, Evropa (ESA) a Čína, vynakládají obrovské peníze na výrobu raket. I přes tyto velké výdaje se tyto investice vyplácí. Od vynášení družic až po využívání kosmických technologií v normálním životě (teflon, výpočetní technika, atd.) Po dobytí Měsíce se Američané rozhodli vyvinout nový vesmírný prostředek zvaný Shuttle raketoplán. Jeho revolučnost byla v návratu raketoplánu zpět na Zem. Po několika letech se ale ukázalo, že namáhání materiálů je příliš velké, po návratu se musel celý raketoplán rozebrat a některé díly vyměnit. Navíc dnešní raketoplány i přes velké rekonstrukce jsou už zastaralé a jejich ekonomičnost už není tak velká. 9
5.3 Mezihvězdné cestování 5.3.1 Úvod Nyní, když už víme jak opustit planetu, potřebujeme vědět, jak opustit oběžnou dráhu a vydat se na cestu vesmírem. Hlavní rozdíl mezi překonáváním tíhového pole planety a putováním vesmírem je v konstrukci motoru a započtením principu relativity času při velkých rychlostech blížících se rychlosti světla. Pokud nám dělá problémy první etapa ( start ), tak na druhou etapu můžeme rovnou zapomenout. V úvahu připadají pouze sondy bez lidské posádky. Pro lidskou posádku nemáme vyřešený problém udržování životních podmínek při dlouhém letu. 5.3.2 konstrukce motoru Důležitou vlastností takového motoru je dlouhodobá výkonnost v řádech několika měsíců až let (Motory na spalovací paliva mají jen několik minut). Jaderné reaktory Reaktory s řetězovou reakcí by se sice svým výkonem hodili výborně k tomuto účelu, avšak i zde narážíme na problém s hmotností. Hmotnost nemá sice palivo samo, ale samotný reaktor. Dnešní technologie jaderných reaktorů není příliš vyspělá k použití jako palivo rakety. Současné reaktory jsou příliš veliké, příliš složité a poruchové. Další nevýhodou je setrvačnost reakce a problémy s odstavením reaktoru při nehodě. RTG generátor (Radiosotope thermoelectric generator) První možnost jak využít jadernou energii je RTG generátor. Tento druh se využívá od 60. let. Je vhodný pro cesty kosmických sond bez lidské posádky. Je totiž schopen udržet výkon okolo 400 200 W po dobu deseti let. Např. americká sonda New Horizons, která odstartovala v roce 2005, měla výkon generátoru 228 W, roce 2015 při průletu okolo Pluta bude jen 174 W. Energie se 10
využívá k výrobě elektřiny a tepla. Výhoda RTG generátoru je i neškodnost při nehodě. Nehrozí výbuch a ohrožení může způsobit menší radiace. Nevyužívá jadernou řetězovou reakci, ale normální rozpad speciálního jaderného paliva, které má dlouhý poločas rozpadu, aby vydržel co nejdéle. Generátor využívá Seebeckova efektu. Pokud dva určité typy kovů, polovodičů jsou uzavřeny v elektrickém obvodu a každý je v jiné teplotě, mohou indukovat elektřinu. Termonukleární reaktory Dalším, mnohem čistším způsobem je reaktor zvaný tokamak. Využívá energie vzniklé slučováním atomů vodíku v atomy helia. Stejný zdroj energie využívají hvězdy. Vyvolat takovou reakci není příliš složité, avšak využít jí pro výrobu elektrické energie je o něco složitější. Zadržet horkou plazmu (která vzniká při reakci) lze jen silným magnetickým polem. Část energie se tedy musí využít zpět na výrobu magnetického pole. I tak je výkon takého reaktoru dostatečný. Tento reaktor je v současné době ve výzkumu, a i tento je příliš hmotný, výhledově je mnohem přijatelnější pro vesmírný program. V budoucnu si lidstvo možná lépe osvojí termonukleární reakci až do té míry, že by je mohlo použít jako pohon rakety. Plachetnice Zajímavý nápad využít sluneční vítr k pohánění kosmických plachetnic se objevil už v 70. letech. Tento druh pohonu je vhodný především pro sondy, jeho nevýhodou je, že ho nelze využít při zpáteční cestě. 11
Iontový pohon Jedná se reaktivní motor, který je založen na vystřelování iontů netečných plynů. Nejedná se nijak velké zrychlení, používá se jen pro sondy, které se vysílají na dlouhé vzdálenosti, k Jupiteru a dále. Použitím velké energie se z valenční vrstvy netečného plynu xenonu vyrazí elektrony, čímž se stane z iontu xenonu velmi aktivní elektrická částice. Použitím elektricky nabité mřížky se iontům udělí zrychlení. 5.3.3 Cesta vesmírem V mezihvězdném prostoru sice na loď působí gravitační síly okolních těles, jedná se ale o malé síly. Hmotnost lodi ovlivňuje její setrvačnost. Ta je důležitá při samotném letu. Loď musí polovinu dráhy zrychlovat a druhou polovinu motory otočit a začít zpomalovat. Jinak by hrozilo, že na udržení na oběžné dráze planety by měla velkou rychlost (1. kosmická rychlost). A A polovina dráhy B v 1 a 1 v 2 (max) a 2 v 3 v 1-1. kosmická rychlost Země v 2 (max)-maximální rychlost v 3-1. kosmická rychlost cílové planety a 1 =a 2 zrychlení rakety 12
Průlet kolem vesmírných těles Hlavní silou, která formuje vesmír, je gravitační. Tuto sílu jako první popsal Isaac Newton. Všiml, dvě hmotná tělesa na sebe působí stejně velkými silami opačně orientovanými. Velikost síly roste s hmotností těles a klesá se čtvercem vzdálenosti. Fg = G. m 1.m 2. r -2. v g,v s v v v rychlost průletu g gravitační zrychlení, v aktuální rychlost v s rychlost svislá Loď by při cestování prázdným vesmírem pohybovala pohybem rovnoměrným přímočarým. Vesmír je ale plný hvězd, planet, a jiných těles. Ty dráhu letu lodě zakřivují kvůli své přitažlivosti. Dráha letu se tedy musí vypočítat předem, jinak by hrozilo zakřivení trajektorie nebo dokonce i srážka s jiným tělesem. Při průletu lze gravitace i využít ke zrychlení, Jako tomu bylo u sondy Voyager. Raketa začne padat volným pádem, ale díky své rychlosti se dráha jen zakřiví. Při volném pádu začne těleso zrychlovat, ale raketa změní původní směr. Čím je vzdálenější loď a vesmírné těleso, tím se trajektorie blíží přímce. Pokud raketa proletí blízko kolem nějaké planety či hvězdy, její dráha se zakřiví velmi znatelně. Prakticky raketa putuje od jednoho tělesa ke druhému. 13
Vliv teorie relativity Pokud se budeme pohybovat rychlostí blízkou rychlostí světla, zjistíme, že Newtonovi pohybové zákony neplatí. Je nutné je doplnit. Einstein totiž zjistil, že čas není konstantní. Při vysoké rychlosti se mění čas pro pozorovatele v lodi a na Zemi. Pro každého plyne čas jinak. Pro pilota lodi čas plyne rychleji než pro člověka na Zemi. Cestování mimo naší sluneční soustavu není náročné nejen kvůli vzdálenostem, ale i kvůli relativitě času. Podle Newtonovi fyziky se tělesa pohybují v trojrozměrném prostoru, kde čas na pohyb nemá vliv a je konstantní, v nové moderní fyzice, kvantové mechanice, založené na Einsteinově teorii relativity se používá pojem časoprostor. Čas a prostor jsou spojeny v jeden souřadnicový systém. V časoprostoru se také dá zaznamenat vliv gravitace na pohyb těles. Gravitace zakřivuje časoprostor a přitahuje ostatní tělesa gravitační silou. Pokud je těleso příliš hmotné Černá díra, zakřiví časoprostor natolik, že se vytvoří tunel mezi dvěma časoprostory. Jak fungují černé díry? to nikdo s jistotou neví. Všechny teorie a výpočty jsou pouze teoretické. Vědci černé díry označují za hlavní téma teoretické fyziky. Nejznámější představitel je Stephen Hawking. Jeho teorie o černých dírách ve své době vzbudila velký rozruch. Pro vesmírné cestování je nejdůležitější část o červí díře. Ta spojuje dvě červí díry v jednom časoprostoru. Pokud loď vletí do černé díry, její ohromná gravitace ji rozdrtí. Červí díru lze tedy použít jen k posílání elektromagnetických signálů- To je ale pouze jen jedna z mnoha teorií. Podle některých vědců záleží na pozorovateli. Lidé v raketě jen červí dírou proletí, zatímco vnějšímu pozorovateli se bude zdát, že se loď rozdrtila. 14
5.4 Motory Každý motor je založen na třetím Newtonově zákoně o akci a reakci. Abychom se mohli pohybovat, musíme se nejprve od něčeho odstrčit. Proudový motor používá nasátý vzduch, který se používá zároveň jako okysličovadlo. Pro chod motoru je ale nezbytné se pohybovat v prostředí kde je tohoto plynu dostatek. Raketový motor se pohybuje ve vzduchoprázdnu, musí si tedy svůj plyn vozit s sebou. k vystřelování plynu se používá jeho reakce s okysličovadlem. Ne u všech raketových motorů nemusí plyn hořet s okysličovadlem. Pro pohyb je důležité, aby částicím plynu bylo udělováno zrychlení a byly vystřelovány opačným směrem než se má pohybovat raketa. Jestli k tomu dojde při prudké reakci nebo jiným způsobem je jedno ( např. Iontový motor ). Výhody a nevýhody různých druhů motorů raketový termonukle- jaderný RTM Iontový motor ární motor reaktor generátor pohon výkon velký velký velký malý malý výdrž velmi krátká - dlouhá dlouhá - dlouhá dlouhá desítky minut několik let několik let několik let stovky let hmotnost střední větší část tvoří palivo velká větší část tvoří konstrukce velká větší část tvoří konstrukce malá několik desítek kg malá několik desítek kg Použití pro nevhodný nevhodný nevhodný nevhodný opuštění vhodný (hmotnost, (malý (malý (hmotnost) oběžné dráhy nebezpečnost) výkon) výkon) 15
6. Závěr Vesmír je pro lidi stále velká neznámá. Člověk stanul zatím pouze na Měsíci, pravidelně se vydává na oběžnou dráhu a vyslal dvě sondy do hlubokého vesmíru. K vesmírnému cestování to má sice daleko, ale lidstvo udělalo v této oblasti velký krok kupředu. I když v dnešní době nastal menší útlum, výzkum stále pokračuje kupředu. Největším problémem do budoucna je hledání energetického zdroje a relativita času. To může být otázka několika desetiletí, možná staletí, možná se tento problém nikdy nepodaří vyřešit. 16
7. Použité zdroje knihy internet - encyklopedie fyziky - časopis 21. století - fyzikální tabulky - wikipedie - techblog.cz - idnes.cz seznam použitých obrázků : vesmírná plachetnice str. 8, zdroj: idnes.cz iontový pohon str. 9, zdroj: techblog.cz 17