Obsah

• Klíčová slova
• Anotace
• Úvod
• I. Chemické raketové motory
  • a) Úvod do raketového pohonu
  • b) Omezení raketového pohonu a jeho budoucnost
• II. Pokročilé pohonné systémy
  • a) Úvod
  • b) Štěpný nukleární pohon
  • c) Fůzní nukleární pohon
  • d) Anihilační pohon
  • e) Solární, laserový nebo mikrovlnný pohon
  • f) Elektrické pohonné systémy
  • g) Jiné koncepty pohonu vesmírných lodí
• III. Budoucnost a mezihvězdné lety
  • a) Úvod
  • b) Warpový pohon
  • c) Červí díry
  • d) Ostatní možnosti pohonu
• Závěr
• Seznam použitých pramenů a literatury
• Seznam příloh

Klíčová slova

Omezení rychlostí světla - diletace času a kontrakce délek - raketové rovnice - specifický impuls a tah rakety - palivové trojkombinace - vysokoenergetické chemické látky - hybridní chemické raketové motory - tepelné nukleární pohonné systémy - pulsní nukleární pohon - nukleární pohon s přímým využitím štěpných produktů - pulsní termonukleární pohon - magneticky udržovaný termonukleární pohon - termonukleární pohon s hustým plasmovým ohniskem - Bussardovy kolektory - výroba a uchovávání antihmoty - Penningovy pasti - anihilační koncepty pohonu - antiprotony katalyzovaná mikro-štěpná/fůzní reakce - fotovoltaické solární články - přímý solární tepelný pohon - laserový a mikrovlnný tepelný pohon - hybridní laserový/termonukleární pohon - resistojety - arcjety - elektronový iontový pohon - Hallův iontový pohon - MagnetoPlasmoDynamický pohon - pulsní induktivní pohon - VASIMR - gravitační trampolína - solární, laserová a mikrovlnná plachetnice - magnetická plachetnice - chemická a elektromagnetická děla - magnetická levitace - atmosférický laserový pohon - vesmírná lana a kabely - vesmírné věže a výtahy - možnosti „nadsvětelných“ letů - Alcubierrův warpový pohon - negativní energie - vakuové fluktuace a Casimirův efekt - Chris Van Den Broeckův mikro-warpový pohon - Krasnikovovi nadsvětelné tunely - Morris-Thornovi červí díry - Visserovi červí díry - cestování časem a kauzalita - Cauchyho horizont - získávání energie z vakua - vztah mezi elektromagnetismem a gravitací - Machův princip - Podkletnovovo gravitační stínění - kvantové tunelování - Einstein-Podolsky-Rosenův paradox - Heissenbergův princip neurčitosti.

Anotace

Úvod

V úvodu objasním, proč jsem si vybral právě toto téma, uvedu zde svou vizi blízké budoucnosti průzkumu vesmíru a objasním zde základní předpoklady, podle kterých můžeme hodnotit různé typy vesmírných pohonů.

I. Chemické raketové motory

a)      Úvod do raketového pohonu - zde uvedu základní princip raketového pohonu a pohonu ve vesmíru všeobecně, vysvětlím zde základní termíny z oblasti vesmírného pohonu a uvedu zde základní rovnice pro výpočet vlastností jednotlivých pohonných systémů.

b)      Omezení raketového pohonu a jeho budoucnost- v této podkapitole uvedu základní limity raketového pohonu, jeho výhody i nevýhody a proberu zde téma pokročilých paliv pro raketové pohony. Také zde uvedu příklady využití, v kterých bude mít raketový pohon své místo i v budoucnosti.

II. Pokročilé pohonné systémy

a)      Úvod - v této podkapitole objasním základní důvody, proč se vědci a inženýři snaží přijít s novými pohonnými koncepty a jaké vlastnosti by takové koncepty měly mít, uvedu zde typické příklady použití těchto pokročilých pohonných systémů a kam směřuje jejich vývoj.

b)      Štěpný nukleární pohon - zde uvedu základní koncepty využívající k pohonu lodi energii získanou štěpnou nukleární reakcí, jejich výhody a nevýhody.

c)      Fůzní nukleární pohon - zde uvedu základní koncepty, které využívají k pohonu vesmírných lodí termonukleární fůzi a vlastnosti takového pohonu. Také zde objasním, co je ještě potřeba vyřešit, než budeme schopni takový pohon postavit.

d)      Anihilační pohon - zde uvedu základní koncepty pohonu, který využívá jako zdroj energie anihilaci hmoty a antihmoty, ohromné přednosti takového pohonu, ale zároveň také spoustu problémů, s kterými by se takový pohon potýkal. Objasním zde i problém výroby a skladování antihmoty, stejně tak jejího efektivního využití k pohonu.

e)      Solární, laserový nebo mikrovlnný pohon - v této podkapitole objasním koncepty pohonu, které nemají vlastní zdroj energie a energii k pohonu získávají buď ze slunečního záření, nebo z paprsku laseru, či mikrovln, jejichž emitory mohou být např. na orbitu Země.

f)       Elektrické pohonné systémy - v této podkapitole uvedu veškeré nadějné koncepty pohonu, který přímo využívá elektrickou energii získanou např. ze solárních panelů, nebo z malého jaderného reaktoru. Také zde uvedu kam směřuje vývoj v této oblasti.

g)      Jiné koncepty pohonu vesmírných lodí - v této podkapitole přiblížím zbylé pohonné systémy, které nelze jen tak jednoduše zařadit, jako např. "vesmírné plachty", "kabelový pohon", chem. i elmag. katapulty a využití gravitace vesmírných těles ke zrychlení lodi.

III. Budoucnost a mezihvězdné lety

a)      Úvod - zde vysvětlím pojem "nadsvětelného" pohonu, porovnám vize ze science fiction s teoretickými možnostmi, o kterých dnes víme a uvedu zde možnou vzdálenou budoucnost vesmírných letů.

b)      Warpový pohon - zde vysvětlím koncept tzv. "warpového" pohonu, jeho omezení a na co všechno ještě budeme muset přijít, než budeme schopni říct, jestli tento koncept je realizovatelný.

c)      Červí díry - zde uvedu co si vědci představují pod pojmem červí díra, jak by se dali využít k cestování vesmírem a jestli někdy budeme schopni toho dosáhnout.

d)      Ostatní možnosti pohonu - zde budu hovořit o pohonu vesmírných lodí pomocí ovlivňování gravitace, o možnostech využití energie z fluktuací fyzikálního vakua a o konceptech založených na využití tzv. "zvláštní hmoty". Také se zde zmíním o kvantovém tunelování a EPR efektu (kvantové teleportaci) a možnosti jejich využití.

Závěr

V závěru ročníkové práce se pokusím o shrnutí toho, co nás v oblasti pohonu vesmírných lodí čeká v blízké i vzdálené budoucnosti, kde ještě můžeme čekat nějaké novinky a kam se bude vývoj v této oblasti s největší pravděpodobností ubírat.

Úvod

            Létat volně jako pták, to byl sen lidí snad již od nepaměti. A ten sen se stal skutečností. Nejdříve v podobě horkovzdušných balónů a později v podobě letadel. Jenže létat po obloze lidem nestačilo, věděli že jsou omezení na naši rodnou planetu a to jim nedalo spát. Chtěli se dostat výš, opustit stísněný prostor naší planety a dostat se tak daleko do vesmíru, jak jen to bude možné. Šedesátá léta 20. století byla zlatým věkem kosmických letů. Začalo to první umělou družicí Země - Sputnikem v r. 1957, pokračovalo prvním člověkem ve vesmíru Jurijem Gagarinem v r. 1961 a skončilo prvním člověkem na Měsíci - Neilem Armstrongem v r. 1969. Dnes sága pokračuje v podobě pravidelných letů raketoplánů, výstavby Mezinárodní Vesmírné Stanice a plánů na pilotovanou misi na Mars. Nejdál do vesmíru se zatím dostaly sondy Voyager. Ale co můžeme očekávat od budoucnosti?

Lety do vesmíru byly předpovězeny mnohem dříve než kohokoliv mohlo napadnout, že by vůbec někdy něco takového bylo skutečně možné. Jules Verne se poprvé dotkl tohoto tématu už r. 1865 ve svém románu Cesta na Měsíc. Ve dvacátém století ho následovala spousta autorů science-fiction, kteří ve svých povídkách či románech celkem spolehlivě předpovídali budoucnost výzkumu vesmíru. Proslulý autor sci-fi, Arthur C. Clarke, například mimo jiné předpověděl využití umělých družic k přenosu televizního vysílání a spojení raket s nukleárními hlavicemi do ničivých zbraní.

Dnes, když je blízký vesmír díky automatickým sondám již jakž takž prozkoumán, začíná vyvstávat nový problém - objevila se před námi nová hranice. Tou hranicí je naše sluneční soustava. Nejbližší „cizí“ hvězda, Proxima Centari, je od nás vzdálena zhruba 4,3 světelného roku. To je vzdálenost, kterou trvá světlu uletět přes 4 roky. Další hvězdy jsou od nás ještě mnohem a mnohem dál. I kdybychom byli schopni postavit tu nejvýkonnější raketu s anihilačním pohonem a zásobit ji dostatečným množstvím paliva, tedy hmoty a antihmoty, tak nikdy rychlosti světla nedosáhneme. Je to dáno geniálně jednoduchou Einsteinovou rovnicí E=mc². Rychlost světla (tzn. elektromagnetického záření) ve vakuu je totiž absolutní rychlostní limit našeho vesmíru. Žádný hmotný objekt, ať už subatomární částice nebo vesmírná loď, nikdy této rychlosti nedosáhne a už vůbec ji nepřekročí. To je základní předpoklad plynoucí z Einsteinovi speciální teorie relativity, která byla již nespočetněkrát nezpochybnitelně prokázána. Vyplývá to z toho, že jak se zvyšuje rychlost vesmírné lodě, k dalšímu zrychlení potřebujeme pořád víc a víc energie. K dosažení rychlosti světla by pak bylo potřeba dodat lodi nekonečné množství energie. Při rychlostech blízkých rychlosti světla (tzv. relativistických rychlostech) se už začíná znatelně projevovat diletace času a kontrakce délek, takže pro posádku rakety zrychlující neustále o 1g  (tzn. o 9,81m.s^-2, což na palubě vytváří umělou gravitaci shodnou s pozemskou) by například k překonání celé naší Galaxie (zhruba 100 000 světelných let) stačilo pouhých 12 let, ale z pohledu pozorovatelů na Zemi by uplynulo celých 100 000 let! Množství paliva potřebné na takovou cestu by však bylo skutečně nereálné a rozhodně nedosažitelné. Z tohoto pohledu to tedy vypadá, že tato hranice je skutečně nepřekonatelná a pokud bychom někdy byli schopni letět k cizím hvězdám (a při troše štěstí navštívit i planety, které by kolem nich mohly obíhat), tak to rozhodně budou jen hvězdy nejbližší, naši hvězdní sousedé.

            O budoucnosti vesmírných letů jsem se rozhodl psát z prostého důvodu. Výzkum vesmíru je nesmírně zajímavý a hlavně důležitý pro budoucnost celého lidstva. Sám jsem se o vesmír zajímal už od malička a lety vesmírem pro mě bylo vždy něco úchvatného. Dnes jsou to pilotované lety jen do nejbližšího okolí Země a automatické lety až k nejvzdálenějším planetám naší sluneční soustavy, ale kdo ví jak tomu bude za několik století, nebo i tisíciletí? Zůstaneme jen u naší sluneční soustavy, nebo si najdeme cestu ke vzdáleným hvězdám? Tak jako dříve autoři sci-fi předpovídali lety raketami do nejbližšího vesmíru, dnes předpovídají mezihvězdné lety, třeba až na druhý konec Galaxie. I když se to zdá na první pohled vzhledem k limitu rychlosti světla nemožné, sám Einstein ve své obecné teorii relativity nechal několik teoretických možností jak rychlost světla „obejít“.

            Téma budoucnosti vesmírných letů je nesmírně rozsáhlé a vydalo by na ohromnou spoustu knih, a tak jsem se v této práci rozhodl věnovat jen tomu nejdůležitějšímu - budoucím vesmírným pohonným systémům. V první části své práce se budu zabývat především vlastnostmi, limity a budoucností využití klasického chemického raketového pohonu. V druhé části provedu jakýsi přehled všech možných pokročilých pohonných systémů, které najdou uplatnění například v plánované budoucí pilotované misi na Mars nebo i dalším průzkumu naší sluneční soustavy. V poslední části své práce se budu zabývat hypotetickými „nadsvětelnými“ pohonnými systémy založenými na obecné teorii relativity - na manipulaci se samotným časoprostorem.

I. Chemické raketové motory

a) Úvod do raketového pohonu

Chemický raketový (jinak také reaktivní) pohon byl vynalezen vlastně již velmi dávno. Dokonce už ve 4. století před naším letopočtem údajně zkonstruoval v Řecku Archytás zřejmě první reaktivní motor (i když jen parní). Z roku 1232 je známo již historicky ověřené použití chemických reaktivních raket Číňany v boji s Mongoly před Pekingem. Vývoj chemického raketového pohonu na tuhá i kapalná paliva použitelného pro lety do vesmíru je spjat s první polovinou 20. století a slavnými jmény jako K.E.Ciolkovskij, R.H.Goddard, S.P.Koroljov a Wernher von Braun.

Princip reaktivního pohonu je velmi jednoduchý. Je založen na zákonu zachování hybnosti. Představit si to lze velmi jednoduše, třeba na příkladu děla: Hybnost vystřelené dělové koule se rovná hmotnosti oné dělové koule násobené její rychlostí. Podle zákonu zachování hybnosti se velikost hybnosti dělové koule musí rovnat velikosti hybnosti děla, z kterého byla vystřelena. Celková hybnost celého systému musí být před i po výstřelu nulová - dělo se bude pohybovat se stejnou hybností jako dělová koule, ale v opačném směru (nicméně jelikož je dělo mnohem hmotnější a třeba i připevněné k zemi, tak si jeho pohybu téměř nepovšimneme). Tento samý princip lze aplikovat na raketový motor s tím, že místo děla si představíme celou raketu a místo dělové koule zplodiny tryskající z jejích trysek. Takto nám vznikne základní vzorec:

            Toto je nejjednodušší a nejobecnější pojetí rovnice, jaké lze vyvodit. Vyplývá z něj, že abychom získali co největší možný užitečný náklad rakety, musíme se snažit zredukovat hmotnost paliva na minimum a přitom co nejvíce zvýšit rychlost, jakou palivo opouští trysku. Obecně platí, že rychlost paliva je tím větší, čím větší je jeho teplota při spalování a čím menší je jeho průměrná molární hmotnost. Pro dosažení optimálních výkonů je proto nutné používat „lehká“ paliva (v případě chemického reaktivního pohonu jde o paliva bohatá na vodík, v ideálním případě vodík sám). S teplotou je to horší, jelikož ta je omezena teplotou tání materiálů použitých ke stavbě spalovací komory a trysky. Ještě zde musím upozornit na to, že v praxi se používá jako raketová rovnice tzv. Ciolkovského rovnice, která je složitější a kde se bere v potaz to, že celková hmotnost lodi se v průběhu letu mění s tím, jak je spotřebováváno palivo.

            Různé typy reaktivních pohonů, použitelných ve vesmíru, se mohou hodnotit podle několika základních kritérií. V prvé řadě je to již zmiňovaná rychlost výtokových zplodin (tedy paliva, či spíše plynů, opouštějících trysku) udávaná v m.s^-1. To je skutečně nejdůležitější parametr každého reaktivního pohonu. Čím větší hodnota, tím lépe. Pohon s vysokou rychlostí zplodin má totiž vysokou účinnost a nízkou spotřebu paliva, čímž se rapidně sníží hmotnost potřebného paliva na misi a tím pádem i vzroste maximální užitečný náklad rakety využitelný pro posádku a jiný náklad. V praxi se ale spíše než rychlost zplodin používá obdobná veličina - tzv. specifický impuls (I_sp), definovaný jako poměr tahu motoru k množství pracovní látky, která vytéká tryskou motoru za jednu vteřinu. Hodnotu specifického impulsu lze ovšem interpretovat i tak, že je to doba, po kterou nám 1 kg pohonných látek dává tah 1 N. Převod na rychlost zplodin je velmi jednoduchý - hodnotu stačí ponechat a jediné, co je potřeba změnit, je jednotka a to z N.s.kg^-1 na m.s^-1.

            Dalším důležitým kritériem je tah rakety. Správně se udává v Newtonech, ale někdy je udáván též v kilogramech. Převod je zase velmi jednoduchý - hodnotu v kg stačí vynásobit normálním tíhovým zrychlením Země (cca 9,81m.s^-2). Zjednodušeně řečeno udává tah rakety sílu jejích reaktivních motorů. Čím je vyšší tah, tím vyššího zrychlení může raketa dosáhnout. V souvislosti s tím se někdy také setkáváme s poměrem tahu rakety a její hmotnosti. Tento poměr udává zrychlení rakety, které jsou motory schopny vyprodukovat v jednotkách normálního tíhového zrychlení (tedy g). Jakákoliv raketa, která se chce vymanit z přitažlivosti zemské gravitace, musí mít tento poměr větší než 1. Jenže na druhou stranu znamená vyšší tah také vyšší spotřebu paliva a z toho plynoucí problémy. Proto jsou zde tendence využívat reaktivní motory s velkým tahem (např. právě klasické chemické raketové pohony na kapalná paliva) jen pro starty raket a jejich odpoutání se od gravitace planety. Pro meziplanetární lety nebo i jen úpravu oběžné dráhy satelitů jsou naopak mnohem výhodnější úsporné motory s velmi nízkým tahem, ale s mnohonásobně vyšším specifickým impulsem.

            Poslední důležitá kritéria se týkají hmotnosti užitečného nákladu, hmotnosti paliva a čisté hmotnosti pohonného systému. Může se zdát, že nejvýhodnější je vždy použití těch pohonných systémů, které mají ten nejvyšší specifický impuls (tedy nejvyšší rychlost zplodin), jelikož tím pádem mají i nejmenší hmotnost potřebného paliva, jenže v některých případech může být opak pravdou. Příkladem mohou být rakety spalující kapalný vodík s kapalným kyslíkem, které mají sice vysoký specifický impuls oproti raketám spalujícím petrolej s kyslíkem, ale také potřebují dokonale izolované těžké kryogenické nádrže na kapalný vodík, čímž výrazně vzroste celková hmotnost rakety. Ještě výraznější je pak rozdíl u nukleárních pohonných systémů, kde je hmotnost paliva sice velmi malá, ale na druhou stranu zde hraje roli ohromná hmotnost jaderného reaktoru. Takové pohonné systémy s velkou čistou hmotností samotného pohonného systému jsou tedy výhodné jen pro dlouhé lety. Ve zkratce lze pak říci, že i přesto zůstává nejdůležitější poměr hmotnosti samotného paliva ku celkové hmotnosti obsazené rakety včetně paliva (který nám tedy procentuálně udává podíl paliva v celkové hmotnosti rakety) respektive obdobný poměr hmotnosti obsazené rakety bez paliva ku hmotnosti obsazené rakety včetně paliva (který nám tedy procentuálně udává podíl hmotnosti užitečného nákladu a pohonných systémů v celkové hmotnosti rakety).

b) Omezení raketového pohonu a jeho budoucnost

            Chemický reaktivní motor je dnes naprosto nejpoužívanějším systémem pohonu pro vesmírné lety. Pokročilé pohonné systémy byly zatím vyzkoušeny jen v rámci experimentů na Zemi (např. test štěpného nukleární pohonu Nerva), nebo v lepším případě při ojedinělých experimentálních vesmírných letech (např. sonda Deep Space One s elektrostatickým iontovým pohonem). Jedinou výjimku tvoří orientační a stabilizační motory satelitů, kde se některé pokročilé pohonné systémy uplatnily v celkem široké míře (vzhledem k jejich nízké spotřebě paliva).

Do budoucna lze očekávat, že se začnou uplatňovat pokročilé pohonné systémy více, ale i tak bude mít chemický raketový pohon pořád své nezastupitelné místo. Například pro vynesení nákladu ze země na nízkou oběžnou dráhu prakticky nelze použít žádný z navrhovaných konceptů pokročilého pohonu vzhledem k jejich nízkému tahu (respektive poměru  tahu ku hmotnosti rakety). V samotné konstrukci chemického raketového pohonu také zřejmě nenastane moc změn. Jedinou velkou změnou, která by mohla nastat, by bylo zavedení vysoce energetických chemických látek jako paliva. O tom se ale ještě zmíním později.

Chemický raketový pohon je možné rozdělit na tři typy - na tuhá paliva, na kapalná paliva a na hybridní typ. Raketový pohon na tuhá paliva je nejjednodušším, nejlevnějším, ale také nejméně výkonným typem raketového pohonu. Je schopný dosáhnout maximálního specifického impulsu jen okolo 1500 - 2500N.s.kg^-1. Princip je velmi jednoduchý - palivo (granulovaná nebo prášková směs pevného paliva - např. práškového hliníku a pevného okysličovadla - např. chloristanu amonného s malým množstvím pojidla) je uloženo ve spalovací komoře, kde hoří a produkuje žhavé plynné zplodiny unikající tryskou.  Je to naprosto stejný princip jako u zábavných pyrotechnických raket známých z ohňostrojů. Své využití nachází prakticky jen v levných raketách a jako přídavné urychlovací rakety používané při startu raketoplánů. Tento pohon se už vyvíjet nebude a dle mého názoru je již silně zastaralý (ovšem to, že je v porovnání s pohonem na kapalná paliva skutečně velmi levný zaručuje, že se zřejmě bude v některých případech ještě dlouho používat).

Raketový pohon na kapalná paliva má oproti tomu lepší vlastnosti. Dosahuje vyššího specifického impulsu cca 2500 - 4000N.s.kg^-1 a má velký poměr tahu ku hmotnosti rakety. Princip je také jednoduchý - palivo a okysličovadlo jsou vstřikovány do spalovací komory, kde hoří a vytváří proud žhavých plynů unikajících tryskou. Nicméně konstrukčně je tento pohon mnohem složitější a proto také o hodně dražší. U nejlevnějších reaktivních motorů na nekryogenní kapalná paliva (kde je jako palivo používán většinou hydrazin, monomethylhydrazin nebo asymetrický dimethylhydrazin a jako okysličovadlo buď kyselina dusičná - HNO_3, nebo dimer oxidu dusičitého - N₂O₄), či u o něco dražších polokryogenních typů (kombinace vysoce rafinované petroleje RP-1 jako paliva a kapalného O₂ jako okysličovadla) je tento cenový rozdíl už tak celkem velký, ale v porovnání s motorem na kapalná kryogenní paliva (kapalný H₂ jako palivo a kapalný O₂ jako okysličovadlo) to ještě není tak markantní. Pohon na kapalný vodík a kyslík je sice z chemických reaktivních motorů nejvýkonnější (teoreticky může dosáhnout specifického impulsu až 4500N.s.kg^-1), ale také je nejsložitější, nejtěžší a nejdražší, jelikož zkapalněný vodík vyžaduje speciální dokonale izolované těžké nádrže a aktivní chlazení. Raketový pohon na kapalná paliva má stálou budoucnost ve vynášení nákladů na oběžnou dráhu, ale pro meziplanetární mise, nebo i jen pouhý přesun nákladu z nízké oběžné dráhy na geosynchronní oběžnou dráhu se vzhledem k jeho nízkému specifickému impulsu a z toho plynoucí vysoké spotřebě paliva zřejmě již používat nebude a bude zcela nahrazen pokročilými pohonnými systémy.

Ale chemické raketové pohony ještě neřekly své poslední slovo. Je zde několik potencionálních možností, jak zvýšit jejich výkon, což by vedlo ke zlevnění ceny za vynášení nákladů na oběžnou dráhu. První možností jsou takzvaná „trojpaliva“. Takovou trojitou palivovou směsí je např. klasická palivová směs kapalného vodíku a kyslíku, ale s přídavkem berylia, nebo směs kapalného fluoru a kyslíku s přídavkem lithia. Při reakci kyslíku s beryliem (respektive fluoru s lithiem) se totiž uvolňuje velké množství energie které je předáno přebytečnému vodíku. Takový kapalinový reaktivní motor, využívající některou z uvedených trojpalivových směsí, může dosáhnout specifického impulsu až 7050N.s.kg^-1. Další a asi i nejdokonalejší možností je využití vysokoenergetických chemických látek (HEDM). V úvahu připadá hned několik možných látek. Mohl by to být vodíkový radikál H, kyslíkový radikál O, molekula ozonu O_3, či jednoduchý atom boru nebo uhlíku. V úvahu připadají dokonce i „exotičtější“ látky, jako metastabilní excitované helium He* (popřípadě nová forma helia, tzv. He IV-A, která by se teoreticky mohla vytvořit jako molekula ze dvou He* a být relativně stabilní), nebo kovový vodík (který by měl být také relativně stabilní a teoreticky za normálního tlaku a teploty zcela stálý). Takovéto látky mohou uvolňovat velké množství energie (mnohem vyšší než samotná reakce slučování kapalného vodíku s kyslíkem) a dávat tak skutečně velký specifický impuls od 17000N.s.kg^-1 (kovový vodík), přes 21100N.s.kg^-1 (atomární vodík), 22000N.s.kg^-1 (pevné He IV-A) až po 31500N.s.kg^-1 (excitované metastabilní He*). Tyto hodnoty jsou na chemický raketový pohon skutečně úžasné, ale jde jen o ideální hodnoty propočítané teorií. Ve skutečnosti jak vodíkové radikály H, či kyslíkové radikály O, tak metastabilní helium He* nemůže za normálních podmínek existovat a třeba takové volné radikály by se téměř okamžitě sloučily do klasických dvouatomových molekul a excitované hélium by během chvíle uvolnilo přebytečnou energii a přešlo do normálního stavu. Zde se vědci pokoušejí využít tzv. „kryogenní matricové izolace“, takže např. volné radikály vodíku by byly uloženy v molekulární matrici pevného (zmraženého) vodíku, nebo volné radikály kyslíku (či molekuly ozonu O₃) by byly uloženy v molekulární matrici pevného (zmraženého) kyslíku. Pak by tyto kombinované pevné látky mohly tvořit pevné palivo v hybridních chemických raketových motorech (kombinace H v pevném H₂ s kapalným kyslíkem jako okysličovadlem, nebo kombinace O/O₃ v pevném O₂ s kapalným vodíkem jako palivem). Takovéto hybridní raketové motory by pak mohly dosahovat celkem slušného specifického impulsu. Samozřejmě je možné využít i samostatně takovéto obohacené  palivo (např. samotný H v pevném H₂, nebo He* v pevném He), pak by specifický impuls v případě vodíkových radikálů dosahoval zhruba 7400N.s.kg^-1. Pravdou ovšem zůstává, že výroba těchto vysoce energetických látek a jejich stabilizace v pevné kryogenní matrici je nesmírně náročná a i raketový pohon (ať už hybridní, nebo jednoduchý) využívající těchto látek by byl velmi konstrukčně náročný (a tedy zřejmě hmotný a drahý). Slibnou nadějí ještě zůstává kovový vodík a He IV-A, které by teoreticky měly být za standardního tlaku a teploty pevné a stabilní a tedy by se daly použít přímo jako palivo, čímž bychom se vyhnuli všem komplikacím a navíc by nám tyto látky poskytly svůj plný potenciál (tedy specifický impuls pohonu až 17000N.s.kg^-1 u kovového vodíku, respektive 22000N.s.kg^-1 u pevného He IV-A). Bohužel tyto látky se pokud vím ještě nepovedlo vyrobit a tudíž jsou toto jen spekulace. Je to velká škoda, jelikož takovéto výkony by byly lepší než výkony štěpného nukleárního pohonu s pevným jádrem a to bez rizika radioaktivního zamoření. Poslední věcí, která může činit problémy, je vysoká rychlost s jakou se uvolňuje energie ze všech uváděných vysokoenergetických materiálů. Ta rychlost může vést k tak vysokým teplotám a tlakům, že se spalovací komora roztaví, nebo dojde i k explozi rakety. Z toho plyne, že se tyto látky budou moc používat zřejmě jen v nízkých koncentracích a tudíž výsledné specifické impulsy daných pohonů mohou být ještě rapidně nižší, než bychom mohli předpokládat.

Každopádně zde jsme narazili na ty nejzazší limity chemických reaktivních pohonných systémů a mohu si dovolit tvrdit, že dál už vývoj v této oblasti nepokročí - budoucnost zcela určitě patří jiným než chemickým konceptům pokročilých pohonných systémů.

II. Pokročilé pohonné systémy

a) Úvod

            Klasické chemické raketové motory jsou velmi výhodné například pro vynesení nákladu na oběžnou dráhu Země, jelikož mají velký tah. Naprostá většina pokročilých pohonných systémů je pro tyto účely zcela nevhodná, jelikož poměr jejich tahu k celkové hmotnosti rakety (tedy vlastně jejich zrychlení) je menší než 1 (a to někdy i řádově), a tedy loď s takovýmto pohonem by se vůbec nedovedla vymanit z působení zemské gravitace.     Pro samotné cestování ve vesmíru ovšem chemické raketové motory už tak moc vhodné nejsou. Maximální specifický impuls dosažitelný raketovým pohonem (pracujícím s kapalným kyslíkem a vodíkem) je zhruba 4500N.s.kg^-1, což je například v porovnání s pokročilými elektrickými pohonnými systémy téměř směšná hodnota a znamená na dlouhé lety značnou spotřebu paliva. Z těchto a dalších důvodů začali vědci hledat jiné možnosti, jak pohánět automatické sondy nebo vesmírné lodě, začali hledat ony pokročilé pohonné systémy. Ideální pokročilý pohon by měl splňovat několik vlastností. Měl by dosahovat co největšího specifického impulsu, měl by mít co nejmenší spotřebu paliva a celkově by systém pohonu neměl mít přehnaně velkou čistou hmotnost.

Obecně lze říci, že reaktivní pohon se dá ve vesmíru používat dvojím způsobem. První způsob letu, let podle tzv. „impulsivních“ Hohmannových trajektorií, se používá u pohonů s nízkým specifickým impulsem a s velkým poměrem tahu ku hmotnosti rakety (tedy s velkou akcelerací), jako jsou třeba právě klasické chemické raketové motory. Při tomto letu se loď uvede na požadovanou rychlost pomocí krátkých zážehů motoru, dosaženou rychlostí letí až k cíli a tam zbrzdí svůj let zase pomocí krátkých zážehů motoru. Při druhém způsobu letu, využívaném právě u pokročilých pohonů s velmi vysokým specifickým impulsem a nízkým poměrem tahu ku hmotnosti rakety, naproti tomu raketa neustále zrychluje (třeba až do poloviny své trasy), odkud může začít zas až do cíle kontinuálně zpomalovat. Tento způsob letu je mnohem úspornější (vzhledem k nízké spotřebě paliva pokročilých pohonných systémů) a přitom na delší vzdálenosti i mnohem rychlejší.

Různé pokročilé pohonné systémy najdou jistě uplatnění například v plánované misi na Mars, v případných budoucích letech na Měsíc, v automatickém průzkumu (a v budoucnu třeba i s lidskou posádkou) vnějších planet naší sluneční soustavy a jejich měsíců a v ještě vzdálenější budoucnosti by se některé z těchto pohonů daly využít například pro automatický průzkum Oortova mračna, Kuiperova pásu a možná i k mezihvězdným průzkumným letům například k Proximě Centauri (ale o tom docela pochybuji vzhledem k problémům, které by takový let přinášel).

b) Štěpný nukleární pohon

            Využití energie štěpné jaderné reakce k pohonu se zdá být velmi výhodné, vždyť z jaderných reakcí se uvolňuje přibližně 10⁷x vyšší množství energie, než z těch nejenergičtějších chemických reakcí. Úvahy o využití atomové energie k pohonu raket se objevily už za 2. světové války a v 50. a 60. letech na programu jaderného pohonu pracovalo jak USA, tak Rusko a dokonce bylo sestrojeno a vyzkoušeno několik prototypů (např. americká Nerva).

Jenže jaderný pohon má také velké množství nevýhod. Jako jaderné palivo se používá buď ²³⁵U nebo ²³⁹Pu, což jsou velmi vzácné radioaktivní izotopy vyskytující se v přírodě v minimálním množství (²³⁵U), nebo se v přírodě vůbec nevyskytující (²³⁹Pu).  Ale výroba jaderného paliva není až zas takový problém (přestože je velmi nákladná), největším problémem bránícím širšímu uplatnění jaderných pohonů je radioaktivita a s ní související nebezpečí, jako možnost radioaktivního zamoření nebo ozáření posádky rakety. Nesmím také opomenout, že vzhledem k minimálnímu kritickému množství jaderného paliva a nutnému antiradiačnímu a termálnímu stínění jsou všechny jaderné pohonné systémy velmi rozměrné a hmotné a tudíž vhodné prakticky jen pro velké vesmírné lodě.

Koncepty jaderného pohonu lze rozdělit na dva typy - tepelné jaderné motory a impulsní jaderné motory. Princip tepelných jaderných motorů je vcelku jednoduchý - spalovací komora je vlastně jaderný reaktor, ve kterém je umístěno jaderného palivo a kde probíhá štěpná řetězová reakce. Do tohoto jádra je vháněna pracovní látka (palivo), většinou kapalný vodík, kterému jaderné palivo předává tepelnou energii (vzniklou štěpnou reakcí). Vodík zahřátý na vysokou teplotu pak uniká tryskou ven. Tento pohon lze ještě dále rozdělit podle formy, ve které se palivo v reaktoru vyskytuje.

Prvním a nejjednodušším typem je tepelný jaderný pohon s pevným jádrem, kdy jde v podstatě o otevřený klasický jaderný reaktor opatřený tryskou. Tento pohon, který byl již při testech na Zemi odzkoušen, může poskytovat I_sp 8000 - 9000 N.s.kg^-1. Poměr tahu k hmotnosti může být přitom  vcelku velký (větší než 1g - obdobně jako u chem. raketového pohonu). Hodnota specifického impulsu se může zdát vzhledem k obrovskému množství energie uvolněné jadernou reakcí nízká, ale je to dáno tím, že jaderné palivo musí být uloženo v obalových materiálech, a tak je maximální teplota protékající pracovní látky (vodíku) omezena teplotou tání těchto materiálů.

Dalším typem je tepelný jaderný pohon s kapalnou (respektive suspenzní) aktivní zónou. V tomto případě je jaderné palivo buď v kapalné formě jako tavenina, nebo ve formě suspenze (v obou případech karbid uranu ve směsi s karbidem wolframu nebo zirkonia pro zvýšení max. dosažitelné teploty) udržováno jako vrstva u stěn spalovací komory odstředivými silami (komora musí rotovat přibližně rychlostí 3000 ot./min). Pracovní látka (vodík) pak směrem od stěn do středu komory prochází skrze tuto vrstvu horkého jaderného paliva, obtéká ho, prudce se zahřívá a uniká skrz trysku. Tento koncept může dosahovat v případě suspenze I_sp až 11000 N.s.kg^-1 a v případě kapalné aktivní zóny I_sp dokonce 13000 - 15000 N.s.kg^-1. Poměr tahu k hmotnosti může být relativně velký (větší než 1). Bohužel má tento koncept i některé (a vcelku velké) nevýhody. Problémem je nestabilita vrstvy jaderného paliva (ať už suspenze, nebo taveniny) na pomezí mezi pracovní látkou, dále ztráty jaderného paliva způsobené jeho odnášením pracovní látkou a odpařováním a také to, že kapalná zóna uvolňuje málo neutronů a tudíž musí být okolo „spalovací“ komory umístěny tlusté a těžké odražeče neutronů (z Be, C nebo D₂O). V praxi se ukázalo, že by byl tento koncept vzhledem k těmto problémům neekonomický, a tudíž se jím žádný stát v širší míře nezabýval.

Posledním typem je tepelný jaderný pohon s plynnou aktivní zónou. Existuje mnoho různých schémat tohoto pohonu, ale všechny mají jednu společnou věc. Ve „spalovací“ komoře je udržováno jaderné palivo v horkém plynném (nebo dokonce plazmatickém) stavu, skrze něj protéká (nebo ho různými způsoby obtéká) pracovní látka (jako obvykle vodík) a ta následně po prudkém zahřátí opouští „spalovací“ komoru tryskou. Při tom dochází k přímému kontaktu jaderného paliva s pracovní látkou a nejsme tedy omezeni teplotou tání různých obalových materiálů nebo teplotou varu samotného jaderného paliva. Ona plynná aktivní zóna může rotovat a udržovat se tak ve středu spalovací komory (dáno proudění pracovní látky kolem ní), nebo může být ve spalovací komoře udržována jinými způsoby (např. koaxiálním prouděním, magnetickým polem, křemennou kapslí, atd.). Teplota v této aktivní zóně může dosáhnout maximálně 55000 - 60000K a proto musí být aktivní zóna izolována od stěn a komora musí být dokonale chlazena. Takovéto pohony mohou dosahovat různých výkonů - záleží na daném schématu. Obecně mohou bez aktivního chlazení dosahovat I_sp 15000 - 30000 N.s.kg^-1 a v případě nejdokonalejších schémat s aktivním chlazením je teoreticky možné dosáhnout I_sp až 70000 N.s.kg^-1! Průměrný poměr tahu ku hmotnosti může být dosti různý - očekává se od 0,3g až po hodnoty nad 1g. Tak velký specifický impuls předurčuje velký zájem o takovýto pohon, ale všechno má svá pro i proti. V prvé řadě jsou až na pár výjimek (s nižším I_sp) ve všech schématech takového pohonu očekávány velké ztráty jaderného paliva vzhledem k množství použité pracovní látky 1 - 10% (ovšem mohou být využita přídavná magnetická pole k jeho lepšímu zadržování v komoře). To znamená nebezpečí jaderného zamoření a také velmi drahý provoz (palivo musí být do plynné aktivní zóny průběžně doplňováno, a tudíž se ho spotřebuje mnohem více). Dalším problémem jsou velké rozměry a hmotnost takového pohonu plynoucí z nutného použití mohutných neutronových odražečů, případného aktivního chlazení a také z nutnosti udržovat ve spalovací komoře velký tlak. Z toho vyplývá, že takovýto pohon by byl použitelný skutečně jen u velmi velkých lodí (jeho hmotnosti se pohybují v řádu desítek tun).

Impulsní jaderný pohon je založen na zcela jiném principu. Typickým příkladem takového pohonu byl např. projekt Orion. Z lodě jsou vypouštěny miniaturní atomové bomby (o síle menší než 0,01 kilotun) v intervalech 1 - 10s a ty ve vzdálenosti 100 až 1000m za lodí explodují. Tlaková vlna z exploze se „opře“ do silného štítu za lodí a energie exploze je z tohoto štítu přes systém tlumení nárazů přenesena na loď. I_sp tohoto pohonu může být 18400 - 25500 N.s.kg^-1a poměr tahu ku hmotnosti přibližně 4g. Bylo spočítáno, že pro 250 denní misi na Mars by bylo potřeba 2000 pulsů, tzn. 2000 malých atomových bomb. Tento koncept ovšem zřejmě nemá budoucnost (projekt Orion byl zrušen v r. 1965), vzhledem k mezinárodním úmluvám a dohodám, které přísně zakazují skladování jakýchkoliv jaderných zbraní ve vesmíru, i kdyby měly sloužit jen k pohonu lodí. Vždyť i normální tepelný jaderný pohon je v tomto ohledu docela problematický (ale v tomto případě naštěstí ne zas tolik).

Existuje zde ale ještě jeden, i když zatím jen teoretický typ jaderného pohonu. Jde o pohon přímo využívající fragmenty štěpné reakce. Princip tohoto pohonu je také celkem jednoduchý. Místo toho, aby byla energie jaderné reakce využita k zahřátí pracovní látky, jsou silně ionizované fragmenty (částice) opouštějící štěpný materiál ohromnými rychlostmi (několika procent rychlosti světla) pomocí silných magnetických polí usměrněny tak, aby produkovaly tah. Tak by mohlo být dosaženo I_sp až 10 milionů N.s.kg^-1! To už je výsledek rovnající se i termonukleárním fůzním pohonným konceptům a dokonce i některým konceptům využívajícím jako zdroj energie anihilaci hmoty a antihmoty. Jedinými problémy jsou složitá konstrukce takového pohonu (jaderné palivo musí být umístěno v tenkých vrstvách, aby se z něj mohly uvolňovat vysokoenergetické fragmenty) a nutnost použití speciálních lehce-štěpitelných paliv (jako amercium - Am, nebo curium - Cm) - plutonium nebo uran by šlo použít jen u opravdu hodně velkých motorů. Velkou roli zde hraje také to, že by tento pohon měl v každém případě extrémně nízký tah (tedy i zrychlení). Budoucnost tohoto konceptu vidím díky jeho ohromnému I_sp snad jen v letech za hranice naší sluneční soustavy (otázkou ovšem zůstává, zda takové lety vůbec budou někdy realizovány, a kdyby přece jen byly, tak pochybuji o využití tohoto konceptu, když proti němu stojí podstatně výhodnější koncepty termonukleární a třeba i anihilační).

Na závěr bych se ještě zmínil o některých dalších zajímavých konceptech majících souvislost s jaderným pohonem. Jedním z nich je možnost do spalovací komory tepelného jaderného motoru s pevným jádrem těsně před tryskou vstříknout kapalný kyslík. Pak jde vlastně o klasický chemický raketový pohon, kde je vodík předehříván jaderným reaktorem. Výhodou takového hybridního konceptu je, že ve standardním jaderném režimu (bez přídavku O₂) dosahuje například I_sp 9400 N.s.kg^-1 a tahu 67kN. Po zapnutí onoho „přídavného spalování“, tedy vstřikování kyslíku do spalovací komory, sice I_sp klesne na 6470 N.s.kg^-1, ale tah stoupne na 184kN (při poměru okysličovadla ku palivu 3). To je využitelné např. když je potřeba velkého zrychlení (naopak pro delší lety by byl používán klasický jaderný režim). Posledním relativně zajímavým jaderným pohonem je malý tepelný jaderný pohon s pevným jádrem, kde ovšem nedochází k štěpné reakci, ale energie je pracovní látce dodávána přirozeným jaderným rozpadem prvku s krátkým poločasem rozpadu. V případě použití polonia ²¹⁰Po jako jaderného materiálu (poločas rozkladu 138 dní) je tento pohon schopný poskytovat I_sp 6500 - 8000 N.s.kg^-1 a tah jen 1,3 - 1,5N. Využití tohoto pohonu je ale podle mě sporné, vzhledem k radioaktivitě, hmotnosti a v porovnání s jinými pokročilými pohonnými systémy i vzhledem k menšímu I_sp.

To je k jadernému pohonu vše. Podle mého názoru ovšem nebude žádný z konceptů jaderného pohonu nikdy využíván v širší míře. Pro pilotované mise v naší sluneční soustavě (včetně plánované mise na Mars) je mnohem výhodnější kombinace malého jaderného reaktoru (spíše než velkých solárních článků) jako zdroje energie a pokročilého elektrického pohonného systému jako motoru. Této kombinaci se nemůže vyrovnat žádný jaderný pohon. V případě obrovských meziplanetárních vesmírných lodí by mohl vyhovovat koncept tepelného jaderného pohonu s plynnou aktivní zónou, ale spíše bych sázel na budoucí termonukleární fůzní pohonné systémy. Pro mezihvězdné mise se zde sice naskýtá možnost využití jaderného pohonu přímo využívajícího fragmenty štěpné reakce, ale tento koncept je dosti problémový a mnohem lépe by vyhovovaly termonukleární, anihilační nebo vhodně kombinované pohonné systémy.

c) Fůzní nukleární pohon

            Termonukleární fůze (syntéza) je energeticky nejbohatší jadernou reakcí. Slučují se při ní atomy jednoho prvku za vzniku atomů složitějšího prvku, a přitom se uvolňuje ohromné množství energie - mnohonásobně větší než při štěpení atomových jader. Bohužel zvládnutí efektivní jaderné fůze se lidem ještě nepodařilo. V TOKAMACÍCH i pulzních laserových reaktorech sice už vědci dovedou řízenou fůzi realizovat, ale zatím se ji nikdy nepodařilo udržet po dlouhou dobu, a přitom vždy jen s minimálním nebo žádným výtěžkem energie (ve většině případů je energie spotřebovaná reaktorem mnohem větší než energie uvolněná reakcí). Naopak neřízenou termojadernou fůzi se lidem povedlo realizovat celkem jednoduše - v podobě ničivých vodíkových bomb. Každopádně zvládnutí efektivní řízené termonukleární fůze brání jen určité technické problémy, s kterými se vědci a inženýři podle mě do 30ti let zajisté vypořádají (pesimisté tvrdí do 60ti let, optimisté pak do 15ti let), a pak nebude nic bránit jejímu využití i k pohonu vesmírných lodí. Jako palivo by se s největší pravděpodobností používala směs deuteria (²H) a tritia (³H) vzhledem k tomu, že je nejlehčeji „zapalitelná“. Deuterium můžeme levně vyrábět v ohromných kvantech z těžké vody obsažené v relativně velkém množství v oceánech. Tritium se dá uměle vyrábět bombardováním izotopu lithia neutrony, což sice znamená jisté prodražení, ale v porovnání s cenou jaderného paliva pro štěpné jaderné reaktory (ať už uranu nebo plutonia) to je pořád vcelku levná záležitost. Zde se objevuje první menší problém - tritium je silně radioaktivní (poločas rozpadu 12 let), z čehož plyne nebezpečí radioaktivního zamoření. Při syntéze deuteria a tritia se navíc uvolňuje velké množství neutronů, které musí být také odstíněny.

            Vlastní termonukleární fůzní pohonné koncepty můžeme rozdělit podle způsobů, kterými je v nich dosahováno jaderné fůze. Prvním typem jsou pulsní pohonné systémy, kde je fůze dosahováno za pomoci silných laserových (nebo v některých případech iontových) pulsů. Do reaktoru (tedy spalovací komory) jsou vystřelovány miniaturní kapsle obsahující směs D-T (deuteria a tritia) a na kapsle jsou vždy zaostřeny paprsky protilehlých vysokoenergetických laserů nebo částicových urychlovačů (tak, aby se kapsle nacházela v ohnisku a lasery resp. iontová děla na ni působily ze všech stran), které způsobí prudkou kompresi a zahřátí kapsle. V té se přiblíží atomy D a T tak blízko k sobě, že se spolu sloučí na helium a přitom se uvolní velké množství energie a neutrony. Vzniklá plazma je pomocí silných elektromagnetických polí směrována tryskou ven. Typickým příkladem je projekt velké vesmírné lodě VISTA, kde by bylo „spalováno“ 30 D-T kapslí za sekundu a dosahováno tak I_sp 170 000 N.s.kg^-1. Tato loď je projektována pro 60ti denní misi na Mars s početnou lidskou posádkou. Jiným příkladem byla čistě teoretická studie vskutku gigantické lodi Daedalus pro mezihvězdné lety, kde by bylo spalováno 250 kapslí za sekundu a dosahováno tak I_sp 10 milionů. N.s.kg^-1 a tahu 7,5 milionů N.

            Dalším typem je koncept pohonu, kde je jaderné fůze dosahováno za pomoci silných elektromagnetických polí. Existují dvě základní schémata - buď je to na obou koncích magneticky uzavřený válec opatřený na jednom z konců magnetickou tryskou, nebo to je prstencová magnetická nádoba (defacto TOKAMAK) opatřená divertorem plasmy (jakýmsi elektromagnetickým rozdělovačem proudu plasmy) s magnetickou tryskou na jeho konci. V obou případech je D-T palivo vstřikováno do trubice, ionizováno a zahříváno silnými elektrickými impulsy a vzniklá plasma udržována a stlačována silnými elektromagnetickými poli do úzkého homogenního svazku uprostřed oné trubice. Tak je dosahováno teplot plasmy okolo 50 milionů K, což stačí k „rozhoření“ řízené termonukleární fůze (to platí v případě použití směsi D-T jako paliva - je totiž teoreticky možné jako palivo používat i samotné deuterium, ale pak by muselo být dosahováno teplot cca 350 milionů K). Vznikající vysokoenergetická plasma pak opouští reaktor skrze magnetickou trysku. V případě lineárního magnetického válce je „magnetická zátka“ před tryskou oslabena oproti „magnetické zátce“ na uzavřeném protilehlém konci, díky čemuž může plasma oslabeným koncem z válce do magnetické trysky unikat. U prstencové magnetické nádoby je zase homogenní uzavřený svazek plazmy rozdělen magnetickým divertorem, z kterého je vyveden do magnetické trysky. Tyto pohonné systémy na rozdíl od impulsního laserového termonukleárního pohonu fungují kontinuálně a jsou schopny podávat I_sp od 40000 N.s.kg^-1 (v případě přimíchávání vodíku do výstupní plasmy) do 10 milionů N.s.kg^-1 (v případě přímého využití produkované plasmy).

            Kromě těchto základních konceptů existují i jiné koncepty termonukleárního pohonu. Většina z nich jsou ovšem jen teoretické možnosti nebo jsou neefektivní, či trpí různými nedostatky. Jedinou výjimku asi tvoří koncept pohonu využívající tzv. hustého plasmového ohniska (Dense Plasma Focus - DPF). Na rozdíl od ostatních konceptů termonukleárního pohonu, které jsou velmi rozměrné a hmotné (a tudíž použitelné jen pro obrovské vesmírné lodě), má tento koncept potenciál stát se malým termonukleárním pohonným systémem vhodným i pro malé vesmírné lodě, či dokonce automatické sondy. V tomto konceptu je pomocí elektromagnetického pole zionizováno palivo a vznikající plasma magneticky stlačována až do určitého bodu (ohniska daného geometrií onoho pole utvářeného mezi anodou a katodou), kde se dostanou jádra paliva tak blízko k sobě, že proběhne jaderná fůze. Vzniklá plasma pak opouští motor (reaktor) magnetickou tryskou. Tento proces se neustále opakuje (jde tedy vlastně o impulsní pohonný systém). Zajímavé na tomto konceptu je, že je dosaženo takového stlačení plasmy, které umožňuje použití i jinak téměř „nezapalitelných“ aneutronických termonukleárních paliv (jako např. směs jader vodíku a izotopu boru ¹¹B - tj. palivo p-B11). Tím vzniká značná výhoda v tom, že reaktor nemusí být stíněn proti životu nebezpečným neutronům, které se ve velkém množství uvolňují při použití klasického paliva - tzn. směsy  D-T. Bohužel tento koncept nikdy nemůže dosáhnout vysoké účinnosti (uvolněná energie z reakce bude v tomto případě vždy přibližně stejná jako energie, která musí být do reaktoru dodána), a tudíž je tento pohon použitelný vlastně jen jako elektrický pohonný systém (nicméně na rozdíl od „obyčejných“ elektrických pohonných systémů se 100% účinností využití dodané energie). Při přímém využití vznikající plasmy by byly motory založené na tomto konceptu schopny podávat I_sp okolo 10 mil. N.s.kg^-1 a v případě přimíchávání vodíku do vznikající plasmy by I_sp mohlo klesnout až na 40000 N.s.kg^-1 (ovšem samozřejmě by se mnohonásobně zvýšil tah).

Zajímavou možností u všech opravdu obrovských velkých vesmírných lodí (vhodných třeba i k 45 leté mezihvězdné misi na Alfu Centauri) s termonukleárním pohonem by také mohlo být využití tzv. Bussardových kolektorů, které pomocí elektromagnetických polí shromažďují mezihvězdný vodík (obsažený v malém množství všude ve vesmíru) použitelný jako palivo. Lodě s bussardovým kolektorem by nemusely mít vlastní zásoby paliva, což by byla ohromná úspora na hmotnosti a přinášelo by to nesčetné výhody. Samotný bussardův kolektor (na lodi vhodné pro  uvedenou 45 letou misi k Alfě Centauri) by ovšem musel mít v průměru okolo 650km a vážil by okolo 3000 tun.

            Osobně vidím v termonukleárních pohonných systémech velkou budoucnost. Splňují všechny předpoklady pro pokročilý pohon a dosahují perfektních výkonů. Otázkou zůstává, kdy se jich skutečně dočkáme, když ještě nejsme řízenou termonukleární reakci schopni pořádně zvládnout ani ve velkých zařízeních na Zemi. Až tomu tak bude (a já jsem přesvědčen, že to nebude trvat dlouho), tak dojde i na využití termonukleární reakce v oblasti vesmírného pohonu tak, jak jsem zde nastínil a to pravděpodobně předznamená novou éru průzkumu (a snad i kolonizace) Sluneční soustavy.

d) Anihilační pohon

            Anihilace hmoty a antihmoty je nejenergičtější reakce, která existuje. Při srážce antičástice s normální částicí stejného druhu dojde okamžitě k jejich spontánní anihilaci, při které obě částice zaniknou a uvolní se nesmírné množství energie - veškerá hmota těchto dvou částic (tedy částice a antičástice) je přeměněna na energii. Antihmota je svým způsobem zrcadlovým obrazem hmoty. Každá antičástice, ať už antiproton, positron (tzn. antielektron), či antineutron, má stejnou hmotnost, spin a dobu života jako její „normální“ sourozenec, ale opačný elektrický náboj a některé další kvantové vlastnosti. Při chemických reakcích se může z jednoho kilogramu hmoty uvolnit maximálně 10⁷ J, při štěpných jaderných reakcích maximálně 8x10¹³ J a při termonukleární fůzi maximálně 3x10¹⁴ J. Naproti tomu při anihilaci dojde k uvolnění veškeré energie z hmoty - tedy 9x10¹⁶ J z jednoho kilogramu (dáno Einsteinovou rovnicí E=mc²), což je nesrovnatelně více i v porovnání s termonukleární fůzí. Navíc k „zapálení“ a udržení řízené termonukleární fůze je potřeba nesmírně složitých a rozměrných reaktorů, kdyžto anihilace probíhá sama od sebe - stačí smíchat hmotu s antihmotou a okamžitě dojde k jejich anihilaci. Vzhledem k těmto nesporným výhodám mají pohonné koncepty založené na anihilaci hmoty a antihmoty potenciál stát se nejlepším řešením pro budoucnost.

Proč tedy není anihilace využíváno všude, kde by to bylo i třeba jen trochu možné - od elektráren až po vesmírné pohonné systémy, když by to přinášelo takové výhody? Největším problémem je, že výroba antihmoty je nesmírně technologicky náročná, neefektivní, pomalá a drahá. Antihmota může být vyráběna jen v obrovských urychlovačích (jako např. v CERNu v Ženevě nebo ve FermiLabu v USA). Přitom k vyrobení antihmoty (antiprotonů) v takovém množství, aby se z nich anihilací uvolnila 1 jednotka energie, je výrobním procesem spotřebováno 10⁹ jednotek energie.  To je nesmírně neefektivní proces, který je k praktickému využívání antihmoty zcela nevhodný. Dalším problémem je rychlost výroby - v CERNu, kde jsou pro výrobu antihmoty nejlépe vybavení, je produkováno množství antiprotonů v řádu pouhých nanogramů za rok. Přitom k pohonu vesmírných lodí by bylo potřeba nesrovnatelně větší množství - pro mise v rámci Sluneční soustavy v řádu gramů a pro misi k nejbližší hvězdě Proximě Centauri dokonce v řádu kilogramů.

Dalším velkým problémem je skladování vyrobené antihmoty, jelikož antihmota při styku s normální hmotou okamžitě anihiluje. K tomu se dnes používají tzv. Penningovi pasti, kde jsou samotné antiprotony udržovány pomocí magnetických polí uprostřed nádoby, v které bylo předtím vytvořeno co nejdokonalejší vakuum. Nádoba musí být chlazena kapalným heliem, aby antiprotony neměly dostatek kinetické energie k úniku z magnetických polí a nemohly se tak dostat do styku se stěnou nádoby. Jenže Penningovi pasti mají jednu zásadní nevýhodu - nejenže jsou velmi těžké a neskladné, ale hlavně nejsou schopny skladovat antihmotu v množství vyšším než 10¹⁰ antiprotonů na cm³. To je strašně malé množství, což znamená velmi neefektivní využití volného prostoru (pro srovnání - 1g antihmoty obsahuje 10²¹ antiprotonů). K využití antihmoty jako paliva by tedy bylo potřeba přijít na lepší způsob jejího skladování - nejlépe v podobě nějakého materiálu s vysokou hustotou (na rozdíl od extrémně řídké antiprotonové plasmy v Penningových pastích). Navrhovaných konceptů je hned několik, nicméně jako nejlepší řešení vypadá přetvoření antiprotonů na atomy antivodíku (anti-H), jejich následné přetvoření v molekuly plynného anti-H₂ a z něj utvoření tuhých (zmražených) mikrokuliček. Ty by pak mohly být skladovány v určitém typu magnetické nádoby v téměř neomezeném množství. Bohužel je tento postup nesmírně technicky obtížný a zatím se povedlo vyrobit jen několik atomů antivodíku.

Až jednou budou vyřešeny problémy výroby a skladování antihmoty, přijde na řadu problém jejího využití. Bohužel, jako paliva nelze použít positrony, jelikož produktem při jejich anihilaci s elektrony je vysokoenergetické gama záření, které je nesmírně pronikavé a k pohonu se tedy nedá využít (nedá se nijak usměrňovat a nepředává účinně svou energii pracovní látce). Naopak produktem anihilace protonů s antiprotony jsou subatomární částice zvané piony (p⁺, p^-,p⁰). Ty už je možné elektromagneticky usměrňovat a tak je využít k pohonu - ať už přímo, nebo nepřímo (využít je k zahřátí pracovní látky). Bohužel zde vznikají určité ztráty, jelikož neutrální piony nelze nijak usměrňovat a navíc se prakticky okamžitě rozpadají na nevyužitelné vysokoenergetické gama záření. Zajímavé je, že nabité piony se poté, co uletí 21 metrů, také rozpadají, ale na miony (m⁺,m^-) a mionová neutrina (n_m). Miony poté uletí ještě 1,85km a rozpadnou se na už stabilní elektrony (e^-) nebo positrony (e⁺), mionová neutrina (n_m) a elektronová neutrina (n_e). Nabité miony nebo v pozdější fázi i elektrony (respektive positrony) lze samozřejmě také elektromagneticky usměrňovat, takže jediné ztráty jsou zde způsobeny zcela nezachytitelnými neutriny, pro které je veškerá hmota prakticky průhledná. Z toho vyplývá, že vesmírné lodi pro mezihvězdné cesty, přímo využívající produkty anihilace, by pro potřebné efektivní využití energie musely mít magnetickou trysku nejméně 21m dlouhou (nebo ještě lépe 1,85km dlouhou, jenže to by přineslo více škody, než užitku).

A jak tedy fungují koncepty využívající anihilaci antiprotonů (nebo antivodíku) s normální hmotou? Obecně jsou zde 4 základní schémata. První možností je anihilační motor s pevným jádrem, který funguje obdobně jako štěpný jaderný motor s pevným jádrem. Do pevného jádra (tepelného výměníku z wolframu nebo grafitu), skrze které proudí pracovní látka (kapalný vodík), jsou vystřelovány antiprotony. Ty anihilují a vzniklá energie je jádrem pohlcována. Jádro se prudce zahřívá a od něj se zahřívá i pracovní látka, která expanduje a  proudí ven klasickou tryskou. Tento koncept může poskytovat I_sp ovšem „jen“ 8000 - 10000 N.s.kg^-1, jelikož zde jsou, podobně jako u štěpného jaderného motoru s pevným jádrem, omezení daná teplotou tání použitých materiálů (hlavně pevného jádra). Zajímavostí je, že tento koncept dosahuje nejlepší účinnosti využití energie získané anihilací - dokonce přes 80%.

Dalším typem je anihilační motor s plynným jádrem. V něm jsou antiprotony vystřelovány přímo do pracovní látky (vodíku) ve spalovací komoře. Antiprotony anihilují s vodíkem a vzniklé nabité piony jsou pomocí přídavných magnetických polí usměrněny tak, aby svou energii pracovní látce předávaly co nejúčinněji (jsou uvedeny do spirálových drah). Zahřátá pracovní látka pak uniká ven skrze klasickou trysku. Předpokládané I_sp u tohoto konceptu je max. 25000 N.s.kg^-1 (zase dáno omezením teplotou tání materiálů - tentokrát hlavně trysky). To už je sice o dost lepší hodnota než u předešlého konceptu, ale pořád nedosahuje kvalit termonukleárních pohonných systémů. Tento koncept je navíc méně účinný než předešlý - využito je maximálně 60% energie získané anihilací.

Třetím typem je anihilační motor s plasmovým jádrem. V tomto případě je konstrukce motoru podobná jako u některých termonukleárních pohonných systémů. Do magneticky uzavřeného válce je vháněn kapalný vodík a do něj vystřelováno relativně velké množství antihmoty (antiprotonů). Vzniká tak velmi horká vodíková plasma (teplota v řádu milionů Kelvinů), která je udržována stlačená ve středu magnetické nádoby pomocí silných magnetických polí (tak aby se nemohla dotknout stěn válce). Na druhém konci válce je koncové magnetické pole oslabeno a plasma jím uniká do magnetické trysky a odtamtud ven. Magnetické pole samozřejmě neudržují jen horkou vodíkovou plasmu, ale usměrňuje i samotné nabité piony vzniklé anihilací (a tím zlepšuje účinnost pohonu). Tento koncept může podávat skutečně perfektní výkony - I_sp od 50000 N.s.kg^-1 do 1 mil. N.s.kg^-1, což jsou hodnoty obdobné jako u termonukleárních pohonných systémů (a přitom by byl motor založený na tomto konceptu rozhodně jednodušší a méně technicky náročný na realizaci). Jedinou nevýhodou je trochu menší účinnost využití energie anihilace, která je jako v předešlém konceptu vždy nižší než 60%.

Posledním konceptem je anihilační pohon přímo využívající produktů anihilace - tzv. anihilační motor s paprskovým jádrem. Zde dochází k anihilaci antiprotonů s velmi řídkým vodíkem a silná magnetická pole usměrňují pouze samotné produkty anihilace - tedy vysokoenergetické nabité piony. Ty se pohybují obrovskými rychlostmi (velmi blízko rychlosti světla) a produkovaný specifický impuls může činit až 100 mil. N.s.kg^-1. To je neuvěřitelná hodnota, které nelze dosáhnou žádným jiným reaktivním pohonným systémem. Jedinou nevýhodou je jako v předešlých dvou případech nižší účinnost (max. 60%) a velmi nízký tah. K dosažení vyšší účinnosti (potřebné pro mezihvězdné lety) by bylo, jak jsem již uvedl, potřeba magnetické trysky dlouhé alespoň 21 metrů (čímž by bylo využito i energie vzniklé rozpadem pionů na miony).

Mimo tyto čistě anihilační koncepty pohonu stojí ještě některé zajímavé kombinované (dalo by se říci hybridní) projekty. Nejzajímavějším z nich je koncept pohonu založený na antiprotony katalyzované mikro-štěpné/fůzní reakci. Prakticky je tento koncept velmi podobný jako impulsní laserový termonukleární pohon. Do „spalovací“ komory jsou vystřeleny miniaturní kapsle obsahující směs D-T (deuteria a tritia), která je obohacena o uran (v poměru 9 dílů směsy D-T ku 1 dílu uranu). Na kapsli jsou potom zaostřeny paprsky iontových děl (samozřejmě mohou být použita i laserová děla, ale iontová děla jsou méně rozměrná a méně energeticky náročná než laserová děla), které způsobí prudkou kompresi a zahřátí kapsle. V ten okamžik je na kapsli vystřeleno velmi malé množství antihmoty (10⁸ až 10¹¹ antiprotonů), které způsobí, že dojde k prudké katalýze štěpné reakce jader uranu (jen pro srovnání - z „normálně“ rozštěpeného jádra uranu se uvolní 2-3 neutrony, kdežto z antiprotony katalyzovaného rozštěpení uranu průměrně 16 neutronů). Energie uvolněná z rozštěpeného uranu potom způsobí „zapálení“ vysoce efektivní fůze D-T paliva, při které se uvolní velké množství energie (z každé mikro-kapsle se uvolní energie odpovídající zhruba 20 tunám TNT!) a vznikne horká plasma, která je poté magneticky (nebo i mechanicky - prostě se nechá odpařovat olověný blok za spalovací komorou) usměrněna tak, aby produkovala tah. Tento koncept podává prakticky stejné výkony jako koncepty čistě termonukleární (např. VISTA) ale s tou výhodou, že loď využívající tohoto pohonu může být znatelně menší a méně hmotná, než lodě využívající čistě termonukleárního impulsního pohonu. Je to dáno tím, že k zapálení kapslí není potřeba velmi rozměrných laserových děl a stačí jen malá iontová děla. Také nejsou potřeba obrovské zásoby paliva, jako je tomu u VISTY. Navíc na rozdíl od čistě anihilačních konceptů se v tomto konceptu spotřebovává velmi malé množství antiprotonů, které jsme schopni vyrábět a skladovat již nyní. To z tohoto pohonu činí velice atraktivní alternativu pro pravidelné meziplanetární mise v relativně blízké budoucnosti. Typickým příkladem toho je projekt vesmírné lodi ICAN-II.

Nebýt obrovských problémů spojených s výrobou a skladováním antihmoty, byly by koncepty pohonu využívající anihilaci (konkrétně koncepty s plasmovým a paprskovým jádrem) bezkonkurenčně nejlepším řešením budoucích reaktivních pohonných systémů. Osobně si ale myslím, že se tomu tak nestane (tedy až na antiprotony katalyzovanou mikro-štěpnou/fůzní reakci, která má slibnou budoucnost). Alespoň ne v nejbližší budoucnosti. Problém skladování antihmoty sice s největší pravděpodobností bude v blízké budoucnosti vyřešen, ale výroba antihmoty zůstane pořád nesmírně neefektivní. Jediné, co by situaci mohlo změnit, by mohl být snad jen průlom ve vědě - vynalezení zcela nového a hlavně efektivního způsobu výroby antihmoty. Ale to je spíše jen zbožné přání raketových fyziků a autorů science fiction, i když na druhou stranu nikdy nemůžete vědět, jestli se neobjeví nějaký novodobý Einstein, který přinese světu nové převratné myšlenky. A nemusí to být ani génius v jedné osobě, ale i usilovná práce  mnoha vědeckých týmů, která může přinést své ovoce i v této oblasti vědy.

e) Solární, laserový nebo mikrovlnný pohon

Všechny doposud uvedené koncepty pohonu měly svůj vlastní zdroj energie. To přináší samozřejmě řadu výhod, především že vesmírná loď s takovým pohonem je zcela autonomní, ale má to i své podstatné nevýhody. Hlavní nevýhodou je, že lodě s takovým pohonem by musely být velmi velké a hmotné. Je to dáno tím, že musí mít na palubě samozřejmě nějaký zdroj energie, který ji pracovní látce předává. Ať už je tím zdrojem jaderný reaktor, termonukleární reaktor nebo reaktor ve kterém probíhá anihilace hmoty a antihmoty, tak ve všech případech jde o velmi neskladná, těžká a rozměrná zařízení. V případě anihilačního reaktoru sice nemusí jít o přehnaně těžké zařízení (antihmota s hmotou přeci anihiluje spontánně), ale samotné magnetické pasti, ve kterých musí být antihmota skladována, jsou velmi těžké.

Existuje ovšem způsob, jak se tomuto problému vyhnout. Tou možností je umístit zdroj energie mimo vesmírnou loď. Loď pak musí převážet jen pracovní látku (de facto palivo - např. vodík) a zařízení, kterým zachytí a zužitkuje energii vysílanou externím zdrojem. Externím zdrojem energie může být například naše Slunce, ale také laserová děla, či mikrovlnné emitory umístěné na Zemi nebo ještě lépe na oběžné dráze. Energie ze všech těchto zdrojů pak může být na lodi využita dvojím způsobem - buď přímo nebo nepřímo.

V případě solární energie je nejčastěji používanou možností její nepřímé využití. Sluneční záření je zachytáváno pomocí velkých solárních panelů, na kterých jsou umístěny fotovoltaické (FV) články měnící energii slunečního záření na elektrickou energii. Elektrická energie pak může být zužitkována přímo k pohonu využitím některého z pokročilých elektrických pohonných systémů, kterými se budu zabývat v další podkapitole. Toto nepřímé využití sluneční energie má ale své nevýhody. Fotovoltaické články jsou schopny přeměňovat na elektrickou energii pouhých 15 - 22% (v nejbližší budoucnosti max. 25%) zachycené sluneční energie a navíc jsou velmi citlivé na radiaci. Takový průlet skrze van Allenovy radiační pásy, které se nacházejí okolo Země, může způsobit snížení účinnosti přeměny energie fotovoltaickými články až o 10 - 50%! Kromě toho jsou fotovoltaické články vcelku těžké, takže solární panely k získání jednoho kW elektrické energie mohou vážit průměrně 13 kg (tato hodnota se ovšem v blízké budoucnosti může snížit až na 3 kg/kW). Důsledkem toho je, že solární panely mohou být používány pouze k pohonu vcelku malých automatických sond s málo výkonným elektrickým pohonným systémem. Pokud ovšem jako zdroj energie není použito sluneční záření, ale laser umístěný na Zemi nebo na oběžné dráze kolem Země (či jiné planety nebo měsíce), pak je možné dosáhnout mnohem lepší účinnosti přeměny energie (zhruba dvojnásobné oproti solárním FV článkům - tzn. v nejlepším případě 50%). Je to dáno mnohem větší intenzitou laserového záření a tím, že paprsek laseru operuje na jediné předem dané frekvenci, na kterou mohou být FV články vyladěny. Díky tomu, že laser má malý rozptyl, mohou být také značně redukovány rozměry solárních (v tomto případě vlastně laserových) panelů a tím i celková hmotnost sondy (nebo dokonce i vesmírné lodě). Ještě lepší účinnosti (než při převodu paprsku laseru na elektrickou energii pomocí FV článků) je možné dosáhnou převodem intenzivního paprsku mikrovln na elektrickou energii pomocí  rektifikační antény (rectenny). Ta může být v podobě tenké folie rozprostřena za lodí (což znamená, že může být mnohem méně těžká než solární panely) a přitom může dosahovat účinnosti přeměny energie vyšší než 85%. Kromě toho jsme schopni produkovat mnohem výkonnější soustředěné paprsky mikrovln (v řádu MW až GW), než paprsky laserů (v řádu stovek kW až několika desítek MW).

Další možností je tzv. solární tepelný pohon. V tomto případě je sluneční záření zaostřeno pomocí velkých zrcadel (tvořených lehkou roztáhnutelnou reflexivní fólií) do spalovací komory, kde zahřívá pracovní látku (vodík). Existují dvě možnosti, jak může tento proces probíhat - buď může pracovní látku ohřívat nepřímo (sluneční záření je zaostřeno na pevný tepelný výměník, od nějž se zahřívá pracovní látka, která jím prochází), nebo přímo (sluneční záření je zaostřeno skrze křemenné okénko do středu spalovací komory, kde je přímo pohlcováno pracovní látkou, která však musí být pro zlepšení absorpčních schopností obohacena rozptýlenými částečkami grafitu nebo wolframu). Specifický impuls takovéhoto pohonného systému je v případě schématu s tepelným výměníkem podobný jako u tepelného nukleárního pohonu s pevným jádrem - tzn. 8000 - 10000 N.s.kg^-1. V případě schématu, kdy je pracovní látka zahřívána přímo (částicovou absorpcí), může I_sp dosáhnout hodnot 12000 - 15000 N.s.kg^-1, ale hrozí zde nebezpečí, že se tuhé částečky nahromadí na křemenném okénku a způsobí jeho přehřátí. V případě použití laseru se pak jedná o laserový tepelný pohon. Zde je samozřejmě možné použít stejných konceptů jako u solárního tepelného pohonu (a dosahovat tak stejných výkonů), ale vzhledem k tomu, že laser pracuje na jedné pevně dané frekvenci, je možné využít i dokonalejších konceptů. Naskýtají se zde dvě možnosti - molekulová resonanční absorpce (MRA) a inversní bremsstrahlungova absorpce (IBA). V obou případech jde o to, že energie laseru je přímo předávána pracovní látce (na rozdíl od předešlých konceptů, kde v nejlepším případě byly zahřívány částečky grafitu nebo wolframu rozptýlené v pracovní látce a teprve od nich se pracovní látka zahřívala). V obou případech musí být pracovní látka volena podle frekvence použitých laserů (např. při použití MRA s CO₂ lasery se jako nejvhodnější pracovní látka jeví CO, CO₂, CH₄ nebo H₂O). Při použití MRA může být dosaženo I_sp okolo 15000 N.s.kg^-1 a při použití IBA dokonce 15000 - 25000 N.s.kg^-1 což už jsou velmi dobré hodnoty. Navíc při použití laseru nemusí být zrcadla zaostřující paprsek tak rozměrná jako zrcadla zaostřující sluneční záření a tudíž dojde k další úspoře na celkové váze lodi. Poslední možností jsou zase mikrovlny. Zde mohou být mikrovlny zaostřeny do spalovací komory a využity přímo k zahřátí pracovní látky podobně jako při použití laserů. Naskýtá se tu ale ještě jiná možnost - využití principu elektronové cyklotronové resonance (ECR) nebo iontové cyklotronové resonance (ICR). V obou případech mikrovlny ionizují pracovní látku a zniklá plasma může být magneticky akcelerována tak, aby produkovala velmi vysoký specifický impuls.

Trochu mimo stojí hybridní projekt DELITE, v kterém je výkonný laserový paprsek vysílaný ze Země zaostřován na kapsle obsahující směs termonukleárního paliva D-T (nebo dokonce téměř aneutronického D-³He), přičemž dochází k termonukleární fůzi. Jde v podstatě o klasický impulsní laserový termonukleární pohon, ale jelikož na lodi nemusí být ani těžké lasery (ty jsou na Zemi), ani těžké zařízení na převod tepelné energie na elektrickou (jinak potřebné k napájení laserů), dojde k obrovským úsporám na celkové hmotnosti lodi. Taková vesmírná loď by pak byla schopná podnikat nesmírně rychlé cesty po sluneční soustavě - např. cesta k Marsu (při použití 10MW laseru) by trvala jen 20 dní a cesta k Jupiteru (při použití 50MW laseru) by trvala jen 60 dní.

Osobně si myslím, že ztráta plné soběstačnosti je u vesmírných lodí určených k průzkumu Sluneční soustavy  (které by tak byli odkázány na externí zdroj energie, ať už se jedná o laser nebo mikrovlny) špatným řešením. Budoucnost těchto konceptů vidím spíše v možnosti relativně levných a rychlých pravidelných letů na Měsíc nebo Mars (hlavně v případě využití lodí postavených na základě konceptu DELITE), což by se hodilo v případě, že by byly na Měsíci nebo Marsu v budoucnosti vybudovány kolonie (ať už vědecké, či těžařské). To je ale otázka o něco vzdálenější budoucnosti.

f) Elektrické pohonné systémy

Jako nejperspektivnější koncepty pohonu pro nejbližší budoucnost se alespoň v dnešní době jeví elektrické pohonné systémy. Na rozdíl od klasických chemických raketových motorů mají nesrovnatelně menší spotřebu paliva a přitom poskytují nesrovnatelně větší specifický impuls, který se v řadě případů přibližuje i termonukleárním fůzním pohonným systémům. Oproti nim, a také oproti štěpným jaderným pohonným systémům, jsou ale nesrovnatelně lehčí a menší. Jejich funkce je v principu velmi jednoduchá - elektrická energie získávaná například ze solárních článků nebo malého jaderného reaktoru je v motoru přenášena na pracovní látku, která motor opouští tryskou. Existuje mnoho způsobů, jak docílit efektivní přeměny elektrické energie na energii paliva opouštějícího trysku. Podle těchto způsobů přeměny energie můžeme také všechny koncepty elektrických pohonných systémů rozdělit do tří základních kategorií - na elektrotermální, elektrostatické a elektromagnetické. Zajímavé je, že elektrické pohonné systémy nejsou žádnou novinkou - první funkční elektrický pohonný systém byl demonstrován už v roce 1929 a v 60. letech výzkum těchto systémů prodělal obrovský rozmach. Ovšem až v 90. letech se staly elektrické pohonné systémy skutečně použitelnými pro opravdové vesmírné lety (na satelitech byly ale použity už dříve).

Elektrotermální pohonné systémy jsou nejjednodušší, ale také nejméně výkonné ze všech elektrických pohonných systémů. Fungují tak, že jednoduše zahřívají palivo (hydrazin, amoniak nebo vodík), které expanduje skrze trysku. Jediné uplatnění nacházejí vzhledem ke své jednoduchosti již dlouhou dobu jako orientační a stabilizační motůrky satelitů. Rozdělit je můžeme na resistojety a arcjety. Dále se do této skupiny mohou řadit i mikrovlnné elektrotermální motory a pulsní elektrotermální motory. Resistojety jsou ze všech nejjednodušší - pracovní látka (palivo) prochází skrze tepelný výměník, který je obehnán odporovým materiálem. Odporový materiál se při průchodu elektrického proudu zahřívá, od něj se zahřívá tepelný výměník a od něho i palivo, které expanduje skrze trysku. Specifický impuls těchto motůrků je velmi nízký - pohybuje se někde v rozmezí 1600 - 3000 N.s.kg^-1. Jediným plusem resistojetů je jejich jednoduchost a relativně vysoká účinnost využití elektrické energie (60-90%). Druhým typem elektrotermálních motorů jsou arcjety. V nich je palivo prudce zahříváno elektrickým obloukem probíhajícím mezi katodou a anodou. Existuje mnoho konstrukčních řešení a podávané výkony se různí, ale v každém případě jsou arcjety o dost výkonnější než resistojety. Dle použitého paliva dosahují I_sp mezi 3350 - 9000 N.s.kg^-1, v některých případech ovšem mohou dosáhnout I_sp dokonce 10000 - 23000 N.s.kg^-1. Jejich nevýhodou je špatná účinnost využití elektrické energie (průměrně okolo 30%, v nejlepším případě 50%) a  snížená životnost (daná opotřebováváním elektrod elektrickým obloukem). Dalším typem je mikrovlnný elektrotermální motor. V tomto případě je palivo ve spalovací komoře zahříváno mikrovlnami, které navíc palivo ionizují (přesněji řečeno prudce urychlují volné elektrony obsažené v malém množství v plynu, které následně způsobují ionizaci). Vzniklá plasma pak opouští spalovací komoru normální tryskou. Tento pohon může podávat I_sp 3000 - 5000 N.s.kg^-1 a účinnost přeměny elektrické energie se pohybuje mezi 40-70%. Výhodou je, že tento koncept může používat mikrovlny i z externího zdroje (tak, jak jsem to nastínil v předchozí podkapitole). Posledním typem je pulsní elektrotermální motor. Zde je palivo vháněno do úzké podlouhlé spalovací komory s katodou na jednom konci a anodou na  konci druhém. V okamžiku, kdy je palivo vehnáno do trubice, dojde k vybití kondenzátorů a skrze palivo projde silný elektrický výboj. Palivo se tak zionizuje a pod velkým tlakem jako rychlá plasma expanduje skrze klasickou (supersonickou) trysku. Tento proces se opakuje 30x za sekundu. Podávaný I_sp je 14000-29000 N.s.kg^-1 při účinnosti přeměny elektrické energie 54-70%. Bohužel tento typ motoru trpí určitými neduhy, a tak se od něj přešlo k pulsním arcjetům.

Elektrostatické pohonné systémy jsou zřejmě nejlepším řešením pohonu pro budoucí automatické vesmírné sondy a možná i malé vesmírné lodě. Existuje mnoho různých schémat, ale všechny mají jedno společné - produkují tah tím, že z trysky vyhánějí paprsek iontů o vysoké rychlosti. Právě proto se jim často také říká iontové pohonné systémy. Nejznámějším konceptem je tzv. elektronový iontový pohon (electron-bombardment ion engine). V tomto případě jsou neutrální atomy paliva (nejčastěji xenonu, ale někdy také kryptonu, argonu nebo plynné rtuti) bombardovány ve válcové komoře (jejíž stěny fungují jako anoda) elektrony emitovanými z duté katody (ty jsou ještě usměrňovány přídavnými magnetickými poli tak, aby byla zvýšena pravděpodobnost kolize s atomy paliva). Při kolizi se z atomů paliva uvolňují elektrony, a tím z nich vznikají kladně nabité ionty (kationty). Trysku motoru tvoří série dvou (nebo tří) kovových mřížek uložených těsně za sebou, které slouží jako elektrody. Vnitřní mřížka je nabitá na vysoké kladné napětí, vnější mřížka pak na nižší záporné napětí (případná třetí mřížka se používá k regulování rozbíhavosti iontového paprsku). Ionty paliva jsou mřížkou přitahovány a následně silným elektrickým polem mezi mřížkami (v řádu tisíců voltů) urychleny  na obrovské rychlosti. Nakonec jsou do paprsku rychle letících iontů opouštějících motor vystřelovány z externí neutralizační katody elektrony (ve stejném počtu, jako je v paprsku iontů), což zabraňuje nežádoucímu nabíjení samotné lodi na vysoký negativní elektrický potenciál. Tento typ pohonu má ohromné přednosti. Je velmi efektivní (účinnost přeměny elektrické energie 50-75%) a hlavně dosahuje vynikajícího obrovského specifického impulsu (25000-100000 N.s.kg^-1). Velkou výhodou je velmi nízký tah (jeden z nejmenších vůbec) a z toho plynoucí opravdu minimální spotřeba paliva (na druhou stranu tak nízký tah může být v některých případech i na škodu). Samozřejmě má tento pohon také své nevýhody. Největším problémem jsou jemné mřížkové elektrody, které nejenže omezují maximální velikost motoru (nelze stavět příliš velké iontové motory, jelikož tak velké mřížky jsou nepoužitelné), ale hlavně podléhají iontové korozi, což značně omezuje jejich životnost. Podobným problémem s životností trpí i katody emitující elektrony (i když už ne tak výrazně). Další nevýhodou tohoto pohonu je jeho velká energetická náročnost a nutná komplexnost napájecího systému. I přes tyto nevýhody je však tento pohonný systém stále favoritem - tak vysoké Isp a nízká spotřeba paliva z něj činí ideální pohon pro automatické sondy (včetně průzkumu vzdálených koutů naší Sluneční soustavy) a pro některé satelity. Možnosti jeho využití pro pilotované lety (např. misi na Mars s lidskou posádkou) jsou ovšem, vzhledem k nedostačujícím velikostem a výkonům těchto motorů, podle mě velmi omezené a neperspektivní (jistá naděje tu ale stále je - testoval se totiž i motor s mřížkou mající 1,5m v průměru, což je neuvěřitelná velikost v porovnání s klasickými 5 až 50cm). Zatím nejznámějším případem využití tohoto pohonu byla experimentální vesmírná sonda Deep Space 1, jejíž elektronový iontový pohon byl pojmenován NSTAR. Alternativou k elektronovému iontovému pohonu je tzv. Hallův iontový pohon. Existují dvě verze tohoto pohonu (jedna je nazývána jako stacionární plasmový motor - SPT a druhá jako motor s anodovou vrtvou - TAL). V obou případech se k urychlení iontů paliva (xenonu) nepoužívá nabitých mřížek, ale tzv. Hallova jevu, který se projevuje v místech vzájemného překřížení elektrického a magnetického pole. To přináší oproti elektronovému iontovému pohonu značnou výhodu - Hallův iontový pohon totiž není omezen maximální velikostí mřížkových elektrod a jejich nízkou životností. Tento pohon poskytuje nižší I_sp (ale pořád velmi vysoké) než elektronový iontový pohon (15000 - 25000 N.s.kg^-1) a o něco vyšší tah. Vyšší tah může být v některých případech vítaný, ale projevuje se také v nižší efektivitě využití paliva (a tedy o malinko vyšší spotřebě). Účinnost využití elektrické energie se pohybuje mezi 40-60%. Praktické využití pohonu je obdobné jako u elektronového iontového motoru. Již méně využívaným elektrostatickým pohonným systémem je pohon využívající emise elektrickým polem (tzv. Field Emission Thruster). V tomto případě jsou ionty extrahovány elektrickým polem z povrchu zkapalněného kovu (např. cesia) a stejným elektrickým polem jsou i urychleny. Specifický impuls tohoto pohonu se pohybuje mezi 40000 - 60000 N.s.kg^-1 při účinnosti 50-60%. Tento pohon se však hodí spíše jen pro malé satelity (či sondy) jako orientační polohový systém. Kromě těchto významnějších konceptů se testovala i řada dalších (lišících se ve způsobu ionizování paliva a následného urychlení iontů) - např. kontaktní iontový pohon, radioizotopový iontový pohon, radiofrekvenční iontový pohon a mikrovlný iontový pohon. Žádný z těchto konceptů ale nenašel širší uplatnění a zřejmě ani nikdy nenajde (i když cesiový kontaktní iontový pohon a radiofrekvenční iontový pohon již testovaný byl a určité šance na uplatnění má). Jen pro zajímavost se zde zmíním ještě o tzv. koloidním pohonu, kde jsou elektrostaticky urychlovány namísto iontů nabité mikrokapičky paliva. Tento pohon ovšem praktické uplatnění zřejmě také nikdy nenajde.

Posledním typem elektrických pohonných systémů jsou elektromagnetické pohonné systémy.  Elektromagnetický pohon je ze všech elektrických pohonných systémů absolutně nejvýkonnějším řešením a až do nástupu termonukleárních (nebo i anihilačních) pohonných systémů bude zřejmě i nejdokonalejší alternativou pohonu veškerých vesmírných lodí. Obecný princip všech těchto konceptů je také velmi jednoduchý - palivo je ve spalovací komoře (lépe řečeno výbojové komoře) zionizováno a vzniklá plasma je usměrňována a urychlována silnými elektromagnetickými poli. Prvním a nejznámějším konceptem je magnetoplasmodynamický (MPD) pohon (někdy nazývaný jako Lorentzův plasmový pohon). Ten sestává ze spalovací komory, jejíž stěny fungují jako anoda a v jejímž středu je po celé délce umístěna velká tyčová katoda. Palivo (plynné lithium, argon nebo vodík) vháněné do komory je ionizováno silným elektrickým proudem (v řádu tisíců ampér) a proud rychlých elektronů ve vzniklé plasmě (směřující od stěn komory-anody k centrální katodě) indukuje kolmé magnetické pole. Magnetické pole a proud elektronů vytváří Lorentzovu sílu, která urychluje plasmu podél osy. Plasma pak o vysoké rychlosti opouští komoru a způsobuje tah. Okolo komory mohou být ještě umístěny externí selenoidní magnety, které zlepšují akceleraci plasmy. Motor může operovat jak ve stálém, tak v pulsním režimu. Tento typ pohonu může poskytovat ohromné I_sp - od 10000 do 110000 N.s.kg^-1! Tah motoru je oproti elektrostatickým iontovým motorům mnohem větší, ale i tak je velmi nízký, což zaručuje minimální spotřebu paliva. MPD pohon je použitelný pouze ve velkých výkonech (na rozdíl od iontových pohonných systémů, které se naopak hodí jen pro nízké výkony) a v případě nižších výkonů (pod 300 kW) je nutné použití externích selenoidních magnetů. Vynikající je i účinnost tohoto pohonu, která může dosáhnout až 75%. Jedinou nevýhodou je silné opotřebovávání katody (zvláště v pulsním režimu), které omezuje životnost MPD motorů. Dalším elektromagnetickým pohonným systémem je již méně obvyklý pulsní induktivní pohon. Ten sestává z velké ploché indukční cívky (cca 1m v průměru) napojené na velké vysoko-napěťové kondenzátory. Malé množství paliva (např. několik miligramů argonu) je vstříknuto do kruhu nad cívku. V ten okamžik jsou do cívky vybity velké kondenzátory, což vyvolá intenzivní elektromagnetické pole. Toto pole zionizuje palivo a způsobí jeho prudkou akceleraci směrem pryč od cívky. Tento cyklus se opakuje 100 - 200x za sekundu. Pulsní induktivní pohon může poskytovat vysoký specifický impuls 10000 - 60000 N.s.kg^-1 a přitom velmi nízký tah. Spotřeba paliva je vzhledem k tomu dokonce menší než u elektronového iontových pohonu, přičemž účinnost využití energie se pohybuje v rozmezí 20 - 60%. Obrovskou výhodou je také to, že v pohonu nejsou používány žádné elektrody nebo mřížky (které by byly při chodu opotřebovávány), a tudíž by teoreticky takový motor mohl mít prakticky neomezenou životnost. Jinou výhodou je, že motor je schopen používat nejrůznější paliva (kromě argonu se dá použít i CO₂, amoniak, hydrazin, atp.). Naopak obrovskou nevýhodou je jeho velká  hmotnost (daná těžkou cívkou a kondenzátory) a některé technické problémy (vzhledem k frekvenci až 200 pulsů za sekund nutnost využití speciálního rychlého palivového ventilu a rychle se nabíjejících kondenzátorů, které mají omezenou životnost).

Nejmodernějším (a bezesporu nejdokonalejším) elektromagnetickým pohonným systémem je v dnešní době bezkonkurenční projekt VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Ten usilovně vyvíjí NASA v Laboratoři pro pokročilý vesmírný pohon (Advanced Space Propulsion Laboratory) Johnsonova vesmírného střediska v Houstonu. Vyznačuje se tím, že je schopný kdykoliv v průběhu letu plynule měnit velikost dosahovaného specifického impulsu - od 10000 N.s.kg^-1 (s velkým tahem - nesrovnatelně větším než u kteréhokoliv jiného elektrického pohonného systému) do úžasných 300000 N.s.kg^-1 (s nízkým tahem - jen o malinko větším než u elektronového iontového pohonu). To z tohoto pohonu činí absolutně nejlepší systém pro vesmírné lodě s lidskou posádkou - vždyť tento pohon je také primárně vyvíjen pro pilotovanou misi na Mars. A proč je tedy variabilní specifický impuls tak výhodný? Všechny klasické pokročilé elektrické pohonné systémy s opravdu velkým I_sp (elektronové iontové motory, MPD motory, atp.) mají velmi nízký tah. To je pro dlouhé lety velmi výhodné, vzhledem k tomu, že se uspoří velké množství paliva. Jenže nízký poměr tahu ku hmotnosti lodi znamená nízké zrychlení. Vesmírná loď by odlétala z nízké oběžné dráhy Země, ale vzhledem k malému zrychlení by trvalo dlouhou dobu, než by opustila radiační pásy kolem Země. To by znamenalo dlouhé vystavení posádky lodi nebezpečné radiaci. Naproti tomu při využití obyčejného chemického raketového pohonu je dosahováno obrovského tahu a tedy i velkého zrychlení. Průlet skrze radiační pásy je pak otázkou chvilky. Jenže raketový motor je právě kvůli vysokému tahu a nízkému I_sp extrémně neefektivní a neúsporný - tak velká spotřeba paliva je nepřijatelná pro dlouhé vesmírné lety, jakými je například mise na Mars. A právě v tom je obrovská výhoda VASIMRu. V první fázi letu se jednoduše přepne do módu s vysokým tahem a nízkým I_sp (tedy s nízkou účinností) a poté, co loď opustí radiační pásy, se  přepne do módu s velmi nízkým tahem, ale s extrémně vysokým I_sp (a tedy s vysokou účinností). A jak vlastně VASIMR vypadá a funguje? Koncept využívá podobných principů jako lineární magnetický termonukleární pohon (magneticky uzavřený válec) - poznatky z výzkumu termonukleární fůze také byly v tomto konceptu hojně využity. Vlastní motor sestává ze tří magnetických komor. V první komoře je ionizováno vstřikované palivo (vodík) a vzniká tak vysokoenergetická plasma proudící do druhé komory. Děje se tak pomocí intenzivního radiofrekvenčního (RF) elektromagnetického pole vyzařovaného helikoidální anténou umístěnou kolem komory (ve starší verzi tohoto konceptu byla plasma získávána stejně jako v MPD pohonu, ale novější RF systém je mnohem dokonalejší). Plasma je samozřejmě pomocí magnetických polí udržována v homogenním svazku tak, aby nedošlo ke kontaktu se stěnami komor. V druhé komoře je plasma zahřívána intenzivním RF zářením produkovaným další anténou umístěnou kolem komory (zde se využívá iontové cyklotronové resonance - v podstatě jde o stejný princip jako v mikrovlnné troubě) a oscilujícími magnetickými poli na ohromné teploty v řádu milionů stupňů Celsia. Tato plasma o ohromné energii a hustotě putuje do poslední komory - jakéhosi magnetického „škrtiče“, kde je dosaženo toho, že se plasma účinně vyprostí z magnetického pole a uniká výtokovou tryskou. Tento proces je zcela ovladatelný a právě zde se může změnou geometrie magnetického pole změnit podávaný specifický impuls a tah. Jednoduše řečeno - pokud je magnetický škrtič sevřený, je dosahováno nízkého tahu, ale ohromného I_sp a účinnosti (výhodné pro meziplanetární lety). Naopak pokud je magnetický škrtič uvolněný, tak je dosahováno velkého tahu, ale nízkého I_sp a tedy nízké účinnosti (vhodnou pro počáteční odlet z planetární orbity). Za zmínku také stojí, že výtoková tryska je ve VASIMRu složitým dvoustupňovým hybridním magnetickým a gasodynamickým systémem (chlazená vodíkem který proudí kolem proudu plasmy). Velkou výhodou VASIMRu je to, že nepoužívá žádné elektrody nebo mřížky a tudíž má prakticky neomezenou životnost. Pohon ovšem potřebuje příkon elektrické energie ve výši cca 10MW a proto k zásobování pohonu energií nestačí obyčejné solární panely a musí být použito jaderného reaktoru, což samozřejmě skýtá jisté problémy. Určité problémy technického rázu se také objevují v souvislosti s elektrony uvolněnými z plasmy, které sice v důsledku coulombické interakce následují ionty, ale hůře unikají z magnetického pole do trysky a dokonce mohou způsobit jeho deformace (tento problém se ale zdá být již vyřešen nebo v nejbližší době dořešen bude). VASIMR je vskutku impozantní všestranný pohonný systém vhodný nejen k pohonu lodí s lidskou posádkou, ale také k velké spoustě dalších úkolů (např. zásobování případné vědecké minikolonie na Marsu).

Kromě těchto nejdůležitějších zástupců elektromagnetických pohonných systémů existují i další, ale ty jsou buď použitelné jen jako malé orientační motůrky satelitů (např. teflonový a xenonový pulsní plasmový motor), nebo nemůžou být kvůli problémům technického rázu prakticky využity (elektronový cyklotronový resonanční motor).

Pokročilé elektrické pohonné systémy čeká slibná budoucnost. Na jedné straně budou využívány v kombinaci se solárními panely k pohonu automatických sond (hlavně menší a středně velký elektronový iontový pohon, případně Hallův iontový pohon a možná i MPD pohon) a na druhé straně budou využívány v kombinaci s malým jaderným reaktorem k pohonu velkých pilotovaných vesmírných lodí s lidskou posádkou. Zde by se sice mohl uplatnit výkonný MPD pohon (nebo možná i velké verze iontových pohonných systémů), ale vzhledem k existenci VASIMRu by to bylo zbytečné. VASIMR poráží všechny elektrické pokročilé systémy na plné čáře. Vždyť cesta na Mars by v případě jeho využití (k čemuž je také plánován) trvala jen 115 dní. Podle mého názoru ovládne nebe, až do příchodu termonukleárních pohonných systémů, jednoznačně VASIMR.

g) Jiné koncepty pohonu vesmírných lodí

V předchozích kapitolách jsem popsal téměř všechny koncepty reaktivního raketového pohonu. Reaktivní pohon ovšem nemusí být jediným řešením pohonu ve vesmíru. Existují ještě jiné koncepty pohonu, jejichž funkce je většinou založena na jiných fyzikálních principech. Všechny tyto koncepty jsou hodně specifické a ve většině případů je jejich použití omezené jen na určité úkoly.

Prvním konceptem, o kterém se zde zmíním, je využití gravitačního pole vesmírných těles (planet a měsíců) k urychlení nebo zbrždění (a změně trajektorie) vesmírné sondy či lodě. Někdy se tomuto efektu také říká gravitační trampolína. Loď vlétne do gravitačního pole planety, opíše hyperbolickou trajektorii kolem planety a poté gravitační pole zase opustí. V planetárním měřítku (tedy vzhledem k oné planetě) se rychlost lodě nezmění - zůstává stejná před vstupem do gravitačního pole i po jeho opuštění. Jediné co se změní v planetárním měřítku je směr vektoru rychlosti. Ovšem v měřítku celé Sluneční soustavy ke změně rychlosti dojde - k vektoru rychlosti vesmírné lodi je přičten vektor rychlosti planety. Vzhledem k tomu, že se změnil směr vektoru rychlosti v planetárním měřítku, bude výsledná velikost vektoru rychlosti lodi měřítku celé Sluneční soustavy výrazně změněna. Podle toho, jaký byl směr vstupu a výstupu lodi z gravitačního pole planety, může být výsledná rychlost jak o hodně větší (dojde k akceleraci), tak i menší (dojde ke zbrždění lodi). Tento koncept není žádnou novinkou a byl už mnohokrát použit. Typickým příkladem je věhlasná automatická sonda Voyager, která se právě díky rafinovanému využití efektu gravitační trampolíny dostala zatím do největší vzdálenosti od Země. Princip gravitační trampolíny je ale efektivní jen u velkých planet (např. Jupiteru a Saturnu), kde dojde k největší změně trajektorie (až o 90º). U malých planet (jako je Venuše, Země a Mars) už není zdaleka tak účinný, ale k dosažení daleko lepšího výsledku by mohlo být využito asistence atmosféry (brzdný efekt atmosféry způsobí větší zakřivení trajektorie lodi). Loď využívající brzdného efektu atmosféry by ale musela mít dobré tepelné stínění a přísně aerodynamický tvar.

Dalším pohonným konceptem jsou tzv. solární plachetnice. Existuje mnoho různých konstrukcí, ale obecně je za lodí roztažena obrovská (ale tenká a lehká) plachta z reflexivního materiálu. Na tu dopadá sluneční záření a odráží se od ní, přičemž plachta je pod tlakem záření urychlována (jde o přenos hybnosti odražených fotonů na plachtu). Pohon nepotřebuje žádné palivo (palivem je vlastně odražené záření) a podává nejvyšší specifický impuls, jakého vůbec lze dosáhnout - 300 milionů N.s.kg^-1 (dáno rychlostí světla ve vakuu). Jenže tah poskytovaný solární plachtou je nesmírně nízký a se zvyšující se vzdáleností od Slunce dále klesá - při tlaku záření, jaký je ve vzdálenosti Země, to je pouhých  9 N na 1 km² plachty. To znamená, že musí být použity plachty velkých rozměrů (nejméně cca 1 km², což přináší velké nevýhody) a je omezen i provoz slunečních plachetnic na naší Sluneční soustavy. Variací na solární plachetnice jsou laserové nebo mikrovlnné světelné plachetnice. Zde by bylo na plachtu přesně zaostřováno laserové záření (respektive mikrovlnné záření) z gigantických laserových reflektorů (nebo mikrovlnných emitorů) umístěných na oběžné dráze Země. To by umožnilo využití těchto plachetnic k mezihvězdným letům a vzhledem k předpokládané nízké hmotnosti takové lodi i dosažení ohromných rychlostí (větších než 10% rychlosti světla!). Jediným srovnatelným pohonným systémem k těmto účelům by byl anihilační pohon s paprskovým jádrem (přímým využitím produktů anihilace). Ovšem zde se vyskytují ohromné problémy - vzhledem k obrovským mezihvězdným vzdálenostem by v případě laserů muselo být použito obrovské vysílací optiky (cca 300km v průměru) a ještě větších plachet (cca 1000km v průměru). V případě mikrovln by optika musela být dokonce 10⁴ - 10⁶x větší! Navíc lasery, aby byly schopny poskytnout přijatelné zrychlení, by musely dosahovat nepředstavitelných výkonů (pro malé automatické sondy výkonů 0,1 - 1000 TW a pro lodě s lidskou posádkou min. 1500TW), které v žádném případě dnes nejsme schopni produkovat (a ani v blízké budoucnosti schopni nebudeme). Dalším problémem je materiál plachet, který musí být extrémně tenký a lehký. Zde mají velkou výhodu mikrovlnné plachty, jelikož tam je plachtou síť s otvory, které mohou být velké až polovinu vlnové délky použitých mikrovln a tak je dosaženo ohromných úspor na váze. Díky tomu také může být použito mnohem menších výkonů reflektorů (v řádu GW na rozdíl od TW u laseru). Na druhou stranu jsou kvůli své velké vlnové délce mikrovlny neefektivní při větších vzdálenostech (na mezihvězdných vzdálenostech je intenzita už tak nízká, že k pohonu vůbec nestačí), což činní mikrovlnné plachetnice neperspektivní (ovšem laserové plachetnice tímto problémem netrpí). Kromě mikrovlnných a laserových plachetnic existuje ještě jeden zajímavý podobný koncept - tzv. magnetické plachetnice. V tomto případě není používáno skutečné plachty, ale funkci plachty plní magnetické pole rozprostřené kolem velké  (např. 64km v průměru) supravodivé smyčky. Vzhledem k tomu, že supravodivý kabel může být třeba jen 5mm tenký, je oproti klasickým plachtám uspořeno ohromné hmotnosti. Palivo pro magnetickou plachetnici netvoří fotony slunečního záření, ale solární vítr - tzn. hmotné částice vyletující velkými rychlostmi ze slunce. Pro mezihvězdné cesty by zdrojem částic mohly být obří urychlovače umístěné na oběžné dráze Země. Sluneční vítr nebo částice z urychlovačů jsou magnetickým polem vychylovány (de facto odráženy) a předávají svou energii lodi - tvoří tah. Existuje ještě koncept, kdy je do magnetického pole tvořeného smyčkou vstřikován ionizovaný plyn (plasma), což způsobí rozprostření pole do mnohem větších rozměrů (jde o tzv. mini-magnetosférický plasmový pohon). V tomto konceptu je tedy možné použít mnohem menší supravodivé smyčky. Velkou nevýhodou všech těchto magnetických plachetnic jsou nároky kladené na supravodivé kabely, nepříznivé ovlivnění jejich funkce poblíž planetárních magnetosfér, vznik nebezpečných lokálních radiačních pásů (podobných Van Allenovým radiačním pásům kolem Země) a nejrůznější technické problémy.

Posledním významnějším konceptem jsou nejrůznější chemické a elektromagnetické katapulty (urychlovače, děla). Ty jsou použitelné ke zlevnění vynášení nákladů na oběžnou dráhu. Náklad by byl na orbitu vlastně vystřelen. Zde se dá uvažovat o několika konceptech. Z chemických to jsou klasická děla (projektil je akcelerován vysokotlakým plynem vzniklým prudkým hořením/explozí náplně), lehká tlaková plynová děla (projektil je akcelerován expanzí předem stlačeného plynu), „bucharové“ urychlovače (projektil se pohybuje dolů do hlavně, stlačuje hořlavou směs plynů, která je následně za projektilem zapálena a dojde k prudké akceleraci projektilu opačným směrem) a pneumatické katapulty (využívají rozdílného atmosférického tlaku v nízkých nadmořských výškách oproti vysokým nadmořským výškám k urychlení rakety). Z elektromagnetických konceptů to jsou kolejnicová děla (jde vlastně o lineární elektrický motor na stejnosměrný proud), cívková děla (projektil je urychlen stacionárními cívkami tvořícími hlaveň) a magnetická levitace. Až na jednu výjimku (magnetickou levitaci) ale žádný z těchto konceptů nevypadá v praxi použitelně - za prvé většina děl (ať už chemických, či elektromagnetických) je dnes schopná urychlit na potřebné rychlosti jen malé projektily (od několika gramů maximálně po několik kilogramů) a za druhé je při tom dosaženo strašlivého přetížení (od 10000g při použití klasických chemických děl, až po 200000g při použití elmag. kolejnicových děl), které by případnou lidskou posádku (nebo i náklad) doslova rozdrtilo. Naproti tomu koncepty využívající magnetické levitace (MAGLEVY) sice ani zdaleka nejsou raketu schopny urychlit na únikovou rychlost potřebnou k dosažení nízké oběžné dráhy Země, ale také při jejich používání přetížení nepřekročí 3g, což je obrovská výhoda a umožňuje to jejich běžné používání. Princip je známý z magnetických rychlovlaků - na dlouhé magnetické dráze by vlivem magnetického pole levitoval náklad (tedy raketa či raketoplán). Ta by byla systémem lineárního elektromagnetického motoru urychlována na rychlost cca 900km/h a na konci by dráhu opustila. Až pak by došlo k zážehu raketových motorů. Tím by bylo možné ušetřit na pohonném systému prvního stupně raket a tak by se výrazně snížily náklady na vesmírné lety (ač se to nezdá, tak právě prvních několik sekund, kdy je třeba uvést raketu/raketoplán do pohybu, je nejnákladnější částí každé vesmírné mise).

Jiným systémem pohonu, vhodným k levnému vynášení nákladů na oběžnou dráhu, by mohlo být využití laseru k zahřívání pracovní látky ve spalovací komoře, kterou by v nižších výškách tvořil vzduch a ve vyšších výškách (nad 30km, kde je vzduch už moc řídký) pak palivo. Tento systém už byl několikrát testován, ale jen s miniaturními modely (měřícími jen 10-15cm a vážícími pouhých 50g) a málo výkonnými lasery (do 10kW), takže oběžné dráhy samozřejmě dosaženo nebylo. V budoucnu se ovšem počítá s použitím několika vysokovýkonných pulsních laserů (s celkovým výkonem až 100MW), které by byly schopny na oběžnou dráhu vynášet malé družice do hmotnosti 100kg. Existuje také možnost využít část energie laseru ke generování silného elektrického pole, které by ionizovalo okolní vzduch před modelem. Přídavné supravodivé magnety by pak ovlivňovaly proudění vzniklé plasmy kolem modelu a tak snižovaly čelní odpor vzduchu (to by se ale zřejmě projevilo až při velkých nadzvukových rychlostech).

Posledním věc, o které se jen okrajově zmíním, jsou nejrůznější vskutku exotické pohonné systémy (pokud se dají pohonnými systémy vůbec nazývat). Jedním z nich je využití vesmírných provazů (lan, kabelů). Jejich použití je vskutku všestranné. Roztažená lana mohou být použita například ke zvyšování/snižování oběžné dráhy těles (satelitů, raketoplánů, vesmírných stanic, atp.), získávání elektrické energie z planetárních elektromagnetických polí a k elektromagnetickému pohonu v rámci planetárních elmag. polí. Dokonce existují způsoby, jak vesmírná lana využít i k vynášení nákladu ze Země na oběžnou dráhu (to je ale otázkou vzdálenější budoucnosti). Odtud už není daleko k úvahám o postavení jakýchsi gigantických ultradlouhých vesmírných věží, které by mohly „vyrůstat“ ze Země téměř až na nízkou oběžnou dráhu (kde by ovšem stále muselo být použito raket s vlastním pohonem). Jinou možností je také postavení základny na geosynchronní oběžné dráze a odtud svedení lan celých 35785km až na Zemi (pro vyrovnání orbitální dynamiky by ale musely vést lana i opačným směrem - asi 110000km). Tak by mohl být vybudován jakýsi vesmírný výtah. I když to zní neuvěřitelně, i takovými návrhy se NASA skutečně zabývala a došla k tomu, že by ve vzdálené budoucnosti byly realizovatelné!

Celkově jde o všech těchto atypických pohonných systémem říci, že kromě gravitační trampolíny, která je a bude hojně využívána, má v blízké budoucnosti šanci na úspěch ještě solární a možná i magnetická plachetnice. Ovšem k využití plachetnic k mezihvězdným cestám se stavím skepticky. Ze systému určených k levnějšímu vynášení nákladů na oběžnou dráhu by měl v nejbližší budoucnosti dosáhnout úspěchu MAGLEV, na kterém pracuje NASA, a který má šanci stát se standardním systémem pro vynášení nákladů (a snad i raketoplánů) na oběžnou dráhu. Pokud ovšem dojde k pokroku v oblasti využívání laseru (nebo možná i soustředěného paprsku mikrovln) k vynášení materiálů do vesmíru, měl by tento systém oproti MAGLEVu velkou výhodu - rakety (respektive sondy, satelity, vesmírné lodi - prostě cokoliv, co by bylo potřeba vynést do vesmíru) by nemusely mít vůbec žádný atmosférický pohonný systém, kdežto v případě použití MAGLEVu musí mít vlastní výkonný raketový pohon (start rakety je jen ulehčen).

III. Budoucnost a mezihvězdné lety

a) Úvod

            Cestovat ke hvězdám je pradávným snem lidstva. Ale ani dnes, když se lety do vesmíru staly téměř rutinní záležitostí, nejsme tomuto snu o moc blíže než v dobách Julia Verna. Máme sice technologii umožňující nám cesty do našeho nejbližšího vesmírného okolí, ale ani její sebelepší zdokonalení v podobě budoucích pokročilých pohonných systémů, ať už elektrických, nukleárních, termonukleárních, či dokonce anihilačních, nám neumožní tento dávný sen naplnit. Některé z pokročilých pohonných systémů sice mají potenciál umožnit i cesty mimo naši sluneční soustavu, ale dostat se s nimi jen k našim nejbližším hvězdným sousedům, tj. Proximě a Alfě Centauri, by bylo otázkou desítek, možná i stovek let. I kdyby ve vzdálené budoucnosti díky genetice a kryogenním hybernačním technologiím bylo možno tyto cesty podnikat, z lidského i čistě vědeckého hlediska je to podle mě přinejmenším nevýhodné, ne-li zcela zbytečné. Mohlo by se tedy zdát, že Einsteinova speciální teorie relativity a z ní plynoucí absolutní rychlostní limit daný rychlostí šíření elektromagnetických vln (tedy i světla) ve vakuu, nás omezuje na naši Sluneční soustavu, či v nejlepším případě na nejbližší hvězdy, ale není tomu tak.

Pro hrdiny nejrůznějších vědeckofantastických knih, či filmů není překonávání mezihvězdných vzdáleností žádným oříškem. Pro mnohé z nich je to dokonce každodenní rutinní záležitostí. Červí díry, warpový pohon, hyperprostor a tachyony. To vše pomáhá hrdinům science fiction vypořádat se s nekonečnými mezihvězdnými vzdálenostmi, a tak se stalo nepostradatelným inventářem prakticky všech soudobých sci-fi. Každý, kdo by si myslel že jde o pouhé výmysly důmyslných autorů, by se však hluboce mýlil. Všechny tyto termíny mají reálný základ v soudobé teoretické fyzice a matematice. Je sice pravda, že k cestování ve science fiction tak často používaný hyperprostor je pouhou fikcí a s hyperprostorem známým z reálné vědy nemá moc společného, a že tachyony, hypotetické částice pohybující se nadsvětelnou rychlostí využívané v některých sci-fi k nadsvětelné komunikaci, by se ve skutečnosti (pokud by vůbec existovaly) ke komunikaci zřejmě ani nedaly využít, ale jedno je jisté. Warpový pohon a červí díry by alespoň teoreticky k „nadsvětelnému“ pohonu a komunikaci i v realitě použitelné byly.

Říkáte si jak je to možné? Ne nadarmo jsem pojem „nadsvětelné“ dal do uvozovek. Hmotné těleso totiž skutečně rychlosti světla (jak již bylo nesčetněkrát teoreticky i experimentálně prokázáno) dosáhnout (natož ji překročit) nikdy nemůže. Alespoň ne klasickou cestou. Tak, jak těleso zrychluje a jeho rychlost se přibližuje rychlosti světla, dochází k relativnímu zvyšování hmotnosti tělesa a to potřebuje k dalšímu zrychlení čím dál tím více energie. Ke zrychlení na rychlost světla by bylo potřeba nekonečné množství energie, což samozřejmě není možné tělesu dodat. Těleso by také při rychlosti světla dosahovalo nekonečné hmotnosti. Další věcí je diletace času. Tak, jak by vesmírná loď zrychlovala k rychlostem blízkým rychlosti světla, docházelo by k relativnímu zpomalení času plynoucího na její palubě. Extrémním příkladem je situace, kterou jsem uvedl už v úvodu - kdyby vesmírná loď zrychlovala neustále o 1g, tak by posádce na její palubě k překonání celé naší Galaxie stačilo pouhých 12 let, ale všude jinde mimo loď by čas plynul normální rychlostí, takže na Zemi by uplynulo celých 100000 let. Kdyby loď zrychlila na rychlost světla (což samozřejmě není možné), tak by se čas pro posádku na palubě zcela zastavil. Všechny tyto důsledky jsou dány Einsteinovou speciální teorií relativity a jeho slavnou rovnicí E=mc².

Pojem „nadsvětelné“ jsem uvedl do uvozovek z prostého důvodu. Cestování pomocí červích děr nebo různých typů warpového pohonu se v globálním pohledu sice jako nadsvětelné jeví, ale v lokálním měřítku nadsvětelné není. Je to dáno tím, že tyto systémy pohonu využívají možností daných obecnou teorií relativity a nejnovějšími poznatky z kvantové mechaniky k manipulaci se samotným časoprostorem.

Dočkáme se někdy těchto pohonných systémů? Na to dnes nelze odpovědět. Teoreticky sice mohou fungovat, ale v praxi to už tak jednoznačné není. Dnes neznáme žádnou technologii, která by umožnila vytvoření červí díry nebo realizaci warpového pohonu. Pokud někdy lidstvo bude disponovat takto pokročilými pohonnými systémy, bude to zřejmě až v hodně daleké budoucnosti. Světlou nadějí pro lidstvo může být alespoň to, že NASA vyhlásila už v roce 1996 program „Průlom ve fyzice vesmírných pohonů“ (Breaktrough Propulsion Physics Project), který si staví za cíl mimo jiné i zkoumání možností realizace umělých červích děr a warpového pohonu. Já osobně jsem přesvědčen, že jednou lidstvo těmito technologiemi (nebo i zcela jinými, o kterých dnes nemáme ani potuchy) bude disponovat. Bez možností nadsvětelného pohonu bychom totiž vždy zůstali omezeni jen na průzkum naší Sluneční soustavy, v lepším případě nejbližších sousedních hvězd. Pokud by ovšem k onomu průlomu ve fyzice někdy došlo (je jedno, jestli tomu tak bude za 100 let nebo za 10000 let, ale já věřím, že tomu tak jednou bude) a my bychom byly schopni některý z těchto nadsvětelných pohonných systémů realizovat, otevřely by se před námi nové obzory. Nebudu přehánět, když řeknu, že by nám to doslova otevřelo dveře do širého vesmíru.

b) Warpový pohon

            Warpový pohon je asi nejznámějším ze všech nadsvětelných konceptů pohonu. Jeho slávu mu přinesl věhlasný a dnes již kultovní sci-fi seriál Star Trek, kde je warpového pohonu používáno k téměř rutinním cestám nesmírnými nadsvětelnými rychlostmi (v řádu tisícinásobků rychlosti světla). Právě na počest tohoto seriálu byl tento koncept pohonu pojmenován vědcem, který ho vymyslel, jako warpový pohon (tento výraz byl totiž v seriálu používán dávno předtím, než byl vymyšlen reálný koncept warpového pohonu). Na druhou stranu je to trochu paradoxní, protože warpový pohon tak, jak je v seriálu prezentován (využívající fiktivního subprostoru), nemá s tímto skutečným konceptem moc společného.

            A jak warpový pohon funguje? Autor tohoto konceptu, vynikající teoretický fyzik mexického původu Miguel Alcubierre, publikoval v roce 1994 list ve kterém vyšel z jeho práce v oboru obecné teorie relativity a dnešního „standardního modelu“ vesmíru a gravitace. V oné pamětihodné práci popsal způsob, jak pomocí modifikace časoprostoru umožnit vesmírné lodi cestovat jakoukoliv rychlostí bez žádných omezení. Před vesmírnou lodí by byl vesmír kompresován (podobně jako by k tomu docházelo v případě zániku vesmíru při tzv. „velkém křachu“, opaku velkého třesku - vesmír by v onom místě de facto zanikal) a za lodí expandován (podobně jako k tomu docházelo při velkém třesku - vesmír by v onom místě de facto vznikal). Tak by byl vytvořen jakýsi ostrůvek (či bublina) časoprostoru, který by se mohl pohybovat neomezenou rychlostí a ve kterém by se loď nacházela. Na lodi by nedocházelo k žádné diletaci času ani k žádnému nebezpečnému přetížení. Čas na lodi by plynul stejnou rychlostí jako na Zemi. Je to dáno tím, že rychlost rozpínání (respektive komprese) samotného časoprostoru není ničím omezená, ani rychlostí světla (například v době tzv. inflace v průběhu velkého třesku se celý vesmír také rozpínal nadsvětelnou rychlostí). Samotná loď přitom neporušuje omezení rychlostí světla dané speciální teorií relativity - ve svém lokálním rámci vesmíru (tedy v oné warpové bublině) se loď vůbec nepohybuje, vlastně stojí na místě. Jediné, co se v rámci celého vesmíru pohybuje (třeba i tisíckrát rychleji než světlo - rychlost je skutečně libovolná), je onen úsek časoprostoru ve kterém se loď nachází, ona warpová bublina.

            Tento geniální koncept má ale i velké nevýhody. První z nich je to, že k vytvoření takové deformace časoprostoru (tedy oné warpové bubliny) je potřeba tzv. negativní energie. Negativní energii si můžeme představit jako přesný opak normální energie. Ne ve smyslu elektromagnetickém (jako je tomu v případě antihmoty), ale ve smyslu gravitačním. Například hypotetická „zvláštní hmota“ (exotic matter) disponující negativní energií by byla vlastně hmota se zápornou hmotností! Ač se to může zdát zvláštní, kvantová mechanika zná jevy, při kterých dochází k projevení negativní energie. Jedním z nich je tzv. Casimirův efekt. V tomto případě dochází k tomu, že mezi dvěmi nenabitými kovovými pláty umístěnými těsně vedle sebe dojde k vytvoření regionu s negativní hustotou energie. Je to dáno tím, že pravé fyzikální vakuum není ve skutečnosti „prázdné“ - neustále v něm vznikají a zanikají páry „virtuálních“ částic a antičástic - projevují se tzv. vakuové fluktuace. Vakuum má tedy určitou hustotu energie. Jenže v prostoru mezi pláty dojde k redukování počtu vakuových fluktuací (čím je prostor tenčí, tím více vakuových fluktuací je potlačeno) a tím de facto klesne hustota vakua. Prostor mezi pláty tak má negativní hustotu energie, což se projeví tím, že tlak okolního vakua pláty smrskne k sobě. Kromě casimirova efektu zná kvantová mechanika i další jevy, při kterých dochází k projevům negativní energie - např. v kvantové optice je to využití destruktivních kvantových interferencí k potlačení vakuových fluktuací (v angličtině nazýváno jako „squeezed vakuum“ - tedy doslova „vymačkané“ vakuum). Bohužel, toto všechno jsou jen nepřímé projevy negativní energie (a přitom v nesmírně malém množství), kdežto k tomu, abychom mohli zkonstruovat warpový pohon, bychom museli být schopni přímo manipulovat s negativní energií v ohromném množství (podle některých propočtů by k vytvoření warpové bubliny o průměru 200 metrů pohybující se 10x rychleji než světlo bylo zapotřebí negativní energie v množství 10 miliardkrát větším, než je veškerá energie pozorovatelného vesmíru!). Tato obrovská negativní energie by navíc musela být zkoncentrována do nesmírně tenkého pásma (jen o málo většího než je minimální Planckova velikost). Dalším problémy je to, že podle některých teorií, jakmile by kolem lodi byla vytvořena warpová bublina, loď by jí od toho okamžiku nebyla nijak schopna zevnitř ovlivňovat - nemohla by měnit směr jejího pohybu, ani jí zastavit. Posledními problémy by mohly být vznikající slapové síly uvnitř bubliny, které by mohly loď zničit (i když tento problém podle posledních analýz nevypadá až tak závažně). Neví se také, co se stane s hmotou, která se dostane do cesty warpové bublině. Zřejmě by byla vpředu bubliny stlačena až do formy superhusté kvark-gluonové plasmy a následně by byla ve formě vysokoenergetických částic vyvržena do vnitřku bubliny přímo proti vesmírné lodi. Ta by tak zřejmě musela mít velmi odolné antiradiační štíty.

            Kromě tohoto prvního a základního konceptu warpového pohonu existuje i několik dalších schémat, které byly vymyšleny jako reakce na něj. Nejznámější z nich je Chris Van Den Broeckův mikro-warpový pohon a Krasnikovovi nadsvětelné tunely. Chris Van Den Broeckův mikro-warpový pohon funguje na zcela stejném principu, ale warpová bublina je zvenku nesmírně malá (má jen 3x10^-32m v poloměru - to je jen o málo větší než Planckova velikost). Vnitřek bubliny je přitom stejně prostorný, jako v případě Alcubierrova warpového pohonu (tedy 100 - 200m). I když to vypadá hodně nereálně, manipulace s metrikou časoprostoru to umožňuje. Díky tak malým externím rozměrům bubliny by tak byl částečně vyřešen problém s negativní energií - k urychlení bubliny na stonásobek rychlosti světla by bylo potřeba množství negativní energie odpovídající pouhým -56kg.

Krasnikovovi nadsvětelné tunely (někdy nazývané jako „nasvětelné metro“) se pak v principu už znatelně odlišují. Vesmírná loď by letěla do nějaké vzdálené oblasti vesmíru klasickým způsobem (tzn. podsvětelnou rychlostí - jako příklad si vezmeme scénář s letem na druhý konec galaxie, který by posádce vesmírné lodi zrychlující o 1g trval jen 12 let, přičemž na Zemi by uplynulo celých 100000 let). Loď by ovšem za sebou vytvářela jakousi cestu (tunel), v kterém by byla pozměněna metrika časoprostoru (zase by tak bylo činěno pomocí negativní energie). Až by loď doletěla na druhý konec galaxie, obrátila by se a letěla zpátky (zase klasickým způsobem - tedy podsvětelnou rychlostí). Tentokrát by ovšem letěla už tunelem s pozměněnou metrikou časoprostoru, který si  předtím za sebou vytvořila. Když by doletěla zpátky na Zemi, posádka by zjistila, že od jejich odletu uplynulo jen 24 let (12 let na cestu tam a 12 let na cestu zpátky). Jak je to možné? Vždyť podle speciální teorie relativity by mělo na Zemi přeci uplynout 200000 let (100000 let na cestu tam a 100000 let na cestu zpět). Je to dáno tím, že Krasnikovův tunel, kterým se loď vracela, propojuje dva odlehlé časové úseky - jde vlastně o jakýsi časový warp. Nedochází k žádnému porušení kauzality (příčinnosti), protože tunel funguje jen jednosměrně. Problém ovšem nastává, kdyby byly „postaveny“ dva takové tunely - jeden vedoucí jedním směrem a druhý opačným směrem. Pak by už ke skutečnému cestování časem a tedy porušení kauzality dojít mohlo. Podle některých teorií by ale, jakmile by byl postavena druhý tunel, který by v kombinaci s prvním umožnil cestování časem, došlo vlivem exponencionálního vzestupu silných vakuových fluktuací k jeho zničení. Výhodou Krasnikovových nadsvětelných tunelů je to, že netrpí problémem jako Alcubierrův warpový pohon, který by možná mohl být ihned po vytvoření warpové bubliny neovladatelný.

            Dnes nikdo nemůže s určitostí říci, který z konceptů warpového pohonu by byl realizovatelný a který nikoliv. Dokonce ani nemůžeme vědět jestli to, co se nám dnes jeví jako možné problémy, skutečně problémy budou, nebo jestli se třeba neobjeví problémy jiné. Každopádně budoucnost vesmírných letů a celá budoucnost lidstva závisí na tom, jestli se warpový pohon podaří vynaleznout. Já osobně pevně věřím, že ano. Na otázku kdy by tomu tak mohlo být ale nedovedu odpovědět. Může se objevit nějaký novodobý génius a vynaleznout warpový pohon třeba již za několik desítek let, ale něco takového je nesmírně nepravděpodobné. Spíše bude trvat stovky, možná i tisíce let, než lidstvo podnikne první cestu nadsvětelnou rychlostí.

c) Červí díry

            Červí díra (někdy nazývaná také jako Einstein-Rosenův můstek) je jakousi zkratkou v časoprostoru. Její existence je umožněna obecnou teorií relativity. Pojem červí díra vznikl z toho, že její geometrie připomíná cestu, kterou si červ prokousává skrze jablko. Stejně jako warpový pohon je i červí díra oblíbenou rekvizitou autorů science fiction, ovšem v tomto případě je tomu opačně než u warpového pohonu - nejdříve byla vymyšlena červí díra a až poté ji začali autoři sci-fi využívat ve svých dílech. Červí díra je tunelem (či chcete-li můstkem) spojujícím dva vzdálené regiony časoprostoru. Jednoduše si její fungování můžeme představit tak, že v ten okamžik, kdy bychom vstoupili do jednoho konce, bychom se vynořili na jejím druhém konci, ať je jakkoliv daleko. Je to tedy jakási „absolutní“ forma nadsvětelného cestování. Stejně jako v případě warpového pohonu se ovšem ve skutečnosti nadsvětelnou rychlostí nepohybujeme - v našem lokálním rámci se pohybujeme normální podsvětelnou rychlostí, jen jsme si zkrátili cestu manipulací se samotným časoprostorem - prošli jsme časoprostorovou zkratkou.

            I když v některých sci-fi se objevují červí díry přírodního původu, vznik takového úkazu bez lidského zásahu je velmi nepravděpodobný. Přírodní červí díra by snad mohla vzniknout jedině v dobách ranného velkého třesku v místech, kde by se vyskytovaly určité typy hypotetických kosmologických strun se zápornou hmotností tvořících smyčku. Vzhledem k tomu, že samotná existence kosmologických strun (lineárních defektů časoprostoru s neuvěřitelnou hustotou) je extrémně nepravděpodobná, natož pak aby měly negativní hmotnost a tvořily smyčku, připadá mi tato teorie trochu přitažená za vlasy. Každopádně žádná teorie by se neměla zahazovat jen proto, že je nepravděpodobná. Vždyť i vznik života je velmi nepravděpodobnou událostí a přesto tu jsme.

            A jak by šlo uměle vytvořit červí díru? Existují dvě schémata - Morris-Thornova červí díra a Visserova červí díra. S první možností poprvé přišel Michael Morris, Kip Thorne a Ulvi Yurtsever. V dnešní kvantové mechanice je známo, že stejně tak jako ve vakuu neustále vznikají a zanikají virtuální částice a antičástice, ve velmi malých měřítkách (blízkých Planckově velikosti) ve vakuu stejným způsobem neustále vznikají a zanikají i miniaturní červí díry. Původně si vědci mysleli, že kdyby byly tyto červí díry roztaženy na větší velikosti, došlo by prakticky okamžitě, vlivem jejich vlastní gravitace, k jejich kolapsu. Ani jediný foton by nebyl schopný proletět takovou červí dírou. Jenže Morris, Thorne a Yurtsever přišli na to, že pokud by se v ústí červí díry vytvořil region s negativní hustotou energie, červí díra by se stabilizovala a bylo by jí možné zvětšit na velikosti vhodné jak pro samotné lidi, tak i pro vesmírné lodě. Je to dáno tím, že negativní energie má gravitačně odpudivé vlastnosti, a tudíž zabraňuje gravitačnímu kolapsu červí díry. Červí díra by tedy byla extrahována z vakuové „kvantové pěny“, elektromagneticky roztažena do potřebných rozměrů a stabilizována pomocí negativní energie. Jeden z otvorů červí díry by byl udržován třeba na Zemi a druhý by mohl být umístěn na palubě vesmírné lodi, nebo by mohl sám o sobě být akcelerován a vystřelen k nějaké vzdálené hvězdě. Velkou nevýhodou tohoto konceptu je ohromné množství potřebné negativní energie (pro vytvoření a stabilizování červí díry s poloměrem ústí 1m odpovídá potřebná negativní energie množství, které vyzáří 10 miliard hvězd za jeden rok). Jiným problémem by také mohlo být nebezpečné radiální pnutí a tangenciální tlak vznikající v ústí červí díry, které by mohly za určitých okolností zničit kohokoliv, kdo by se pokoušel skrze červí díru projít.

            Druhý koncept, jehož autorem je Matt Visser, je oproti předchozímu konceptu dosti odlišný. Je založený na tom, že k vytvoření červí díry by mohlo dojít spontánně mezi dvěmi místy ve vesmíru, ve kterých by docházelo ke stejným, velkým a ostrým deformacím časoprostoru. Na jednom místě ve vesmíru by byl z nějaké superhusté hmoty vytvořen prstenec. To samé by se provedlo na jiném místě ve vesmíru. Mezi těmito dvěma prstenci by pak mohlo dojít k samovolnému vzniku červí díry. Prstence by ovšem musely být tvořeny z hmoty s negativní hustotou energie (tedy se zápornou hmotností), a aby zakřivení vesmíru bylo dostatečné, muselo by jít o nějakou nesmírně hustou formu této zvláštní hmoty. Vhodným kandidátem by byly například kosmické struny se zápornou hmotností (jejichž existence je ale, jak jsem již uvedl, čistě hypotetická). Právě potřeba této superhusté zvláštní hmoty se zápornou hmotností je největší nevýhodou tohoto konceptu.

            Problémem všech konceptů využívajících červí díry (a v některých případech i konceptů využívajících warpového pohonu) je možnost jejich vyústění v cestování časem a z toho plynoucí možnost porušení principu kauzality (tedy příčinnosti). Typickým příkladem je Morris-Thornova červí díra (Visserova červí díra tímto problémem trpět nemusí, protože není nutné uvádět její otvory do pohybu). Jeden z otvorů červí díry by byl umístěn na Zemi a druhý na palubě rychlé vesmírné lodi (zase si jako příklad vezmeme cestu vesmírnou lodí neustále zrychlující o 1g přes celou Galaxii). Na palubě lodi by vlivem diletace času uplynulo pouhých 12 let, než by dosáhla opačného konce galaxie. Ale za kolik let pozemského času bychom museli vlézt do otvoru červí díry na Zemi, abychom vylezli na vesmírné lodi na opačném konci galaxie? Samozřejmě bychom měly říct že za 100000 let, protože právě v této době se loď bude skutečně na druhém konci galaxie nacházet, ale ve skutečnosti tomu tak není. Otvor na Zemi bude na opačný konec galaxie ústit už za pouhých 12 let - tedy za dobu, která uplyne posádce lodi. To ovšem znamená, že otvor na Zemi ústí do vzdálené budoucnosti a otvor na vesmírné lodi naopak do vzdálené minulosti! Máme tu skutečné a nefalšované cestování časem. A právě toto je velký problém, jelikož cestování časem zákonitě může vyústit v porušení kauzality. Podle Stephena Hawkinga se tak ovšem nemůže stát. Červí díry podle něj mohou existovat i umožňovat okamžité nadsvětelné cestování a komunikaci, ale v případě, kdy by jeden z otvorů červí díry ústil do jiného časového úseku než druhý (a červí díry by tedy umožňovala cestování v čase), by bylo cestování skrze díru znemožněno. Tím, jak by se při urychlování jednoho z otvorů stávala červí díra strojem času, došlo by k vytvoření tzv. Cauchyho horizontu. Jakýkoliv předmět (nebo i pouhé světlo), který by chtěl projít skrze tuto červí díru by musel projít i skrze Cauchyho horizont. Jenže jakýkoliv pokus o transfer skrze Cauchyho horizont způsobí okamžitý exponencionární nárůst vakuových fluktuací, které způsobí destrukci červí díry. Nutno dodat, že toto je jen jedna z teorií a dnes nikdo nemůže s určitostí vědět, jak by tomu bylo ve skutečnosti.

            Červí díry jsou velmi zajímavým konceptem cestování, jelikož jako jediné umožňují zcela okamžitý (tj. bez jakékoliv časové prodlevy) přesun z jednoho místa vesmíru na jiné místo vesmíru, přičemž nezáleží na tom, jak daleko od sebe tato místa leží (může to být třeba jen pár metrů, ale klidně také stovky miliard světelných let). Červí díry jsou také o něco málo blíže realitě, než warpový pohon. Ovšem stejně tak jako warpový pohon potřebují enormní množství negativní energie nebo zvláštní hmoty se zápornou hmotností. To je činí asi tak stejně vzdálené realitě, jako warpový pohon. Vše, co jsem napsal v závěru o warpovém pohonu tudíž platí i o červích dírách. Ať je jejich konstrukce sebevíc vzdálená od současnosti, já jsem pevně přesvědčen, že jednou je lidstvo bude schopno stvořit.

d) Ostatní možnosti pohonu

            Červí díry a warpový pohon nejsou jedinými koncepty pohonu využitelnými ve vzdálené budoucnosti, i když je pravda, že jsou jedinými známými možnostmi nadsvětelného pohonu. Koncepty, o kterých se zde zmíním, jsou pouze podsvětelné pohonné systémy, ale oproti klasickým reaktivním pohonným systémům mají řadu výhod.

            První takovou možností je využití již zmíněných vakuových fluktuací k získávání energie. Lidstvo by se tak dostalo ke skutečně neomezenému energetickému zdroji bez nutnosti používání jakéhokoliv paliva a bez žádných odpadních látek - energie by byla vyráběna v libovolném množství doslova z ničeho. Revoluci, kterou by to přineslo, si jistě jsme schopni představit a využití k pohonu vesmírných lodí by se meze nekladly. Ať se to jeví jak chce vzdáleně, už teď se plánují experimenty s využitím mikroelektromechanických zařízení k získávání energie z vakua na základě Casimirova jevu. Výzkum vakuových fluktuací by kromě získání neomezeného zdroje energie mohl mít i další důsledky. Podle kvantové elektrodynamiky jsou vakuové fluktuace spjaty s nejrůznějšími fyzikálními jevy - jako např. s rychlostí šíření světla ve vakuu, hmotností částic, spontánními emisemi a topologií samotného vesmíru. Kdyby se povedlo přijít na to, jakým způsobem vakuové fluktuace tyto věci ovlivňují a jak by šlo jejich vliv zmanipulovat, mohlo by to přinést další průlom v oblasti vesmírném pohonu.

            Jiným zajímavým výzkumem je výzkum vztahu mezi elektromagnetismem a gravitací. Je zde totiž možnost, že elektromagnetismus může dynamicky ovlivňovat prostor, čas a gravitaci. Plánuje se experiment, kde by se mělo ověřit, zda-li jsou některá silná elektromagnetická pole schopna zpomalovat čas podobně, jako k tomu dochází v oblasti silných gravitačních polí. Pokud by něco takového bylo možné, pak by teoreticky mohlo být možné i přímo elektromagneticky ovlivňovat gravitaci, a tak by tohoto jevu mohlo být využito k pohonu vesmírných lodí bez nutnosti používání paliva (tedy k čistému gravitačnímu pohonu).

            Dalším zajímavým výzkumem je pochopení vztahu mezi setrvačností a hmotností. Výzkum je založen na teoretické interpretaci Machova principu, tak jak ji podal James Woodward. Podle Machova principu je setrvačnost gravitačním efektem plynoucím z celkového gravitačního působení veškeré hmoty ve vesmíru na akcelerující objekt. Podle Woodwarda by měl objekt, jehož energie by se s časem měnila, i časově proměnnou hmotnost. Vědci navrhli experiment, který by mohl prokázat možné variace v hmotnosti vzniklé nelineárními vibracemi nabitého kondenzátoru. Pokud by toto bylo prokázáno, Machova principu by mohlo být využito jak k snadnějšímu urychlování vesmírných lodí, tak dokonce možná i k jejich samotnému pohonu bez nutnosti využití paliva (zase by šlo de facto o gravitační pohon).

            Zde bych chtěl upozornit i na efekt „gravitačního stínění“ rotujících vysokoteplotních supravodičů, který byl poprvé zjištěn Eugenem Podkletnovem. Podkletnov totiž naměřil ztrátu hmotnosti objektu umístěného nad zmagnetizovaným rotujícím supravodivým diskem a domníval se, že by mohlo jít o ovlivnění gravitace. Bohužel tento experiment nebyl proveden zrovna profesionálně a dnes se vědci domnívají, že ztráta hmotnosti byl zřejmě klam vzniklý nepřesným měřením. I přesto se ovšem NASA pokouší provést přesný experiment, který by tento jev (předpokládanou manipulaci s gravitací pomocí Josephsonova junkčního efektu) potvrdil, či spíše vyvrátil. Obávám se ovšem, že skutečně šlo o omyl podobně, jako tomu bylo před lety s tzv. „studenou jadernou fůzí“. Kdyby se ovšem ukázalo, že Podkletnov měl pravdu, znamenalo by to průlom ve vědě a zřejmě i jednoduchou cestu ke gravitačnímu pohonu.

            Poslední, o čem bych se zde chtěl zmínit, jsou dva kvantové jevy - tzv. kvantové tunelování a Einstein-Podolsky-Rosenův paradox (a z něj plynoucí efekt nazývaný jako „kvantová teleportace“). V obou těchto jevech dochází ke skutečně nadsvětelnému pohybu fotonů (respektive přenosu jejich stavů), ale přitom nedochází k porušení teorie relativity, jelikož jde o čistě kvantové jevy. V případě kvantového tunelování se velmi zjednodušeně řečeno jedná o to, že pokud fotony nemají dostatek energie k překonání překážky klasickou cestou, dojde k tomu, že foton nadsvětelnou rychlostí projde skrze překážku - vlastně si cestu protuneluje. Některé experimenty (např. provedené prof.  Güntherem Nimtzem, který údajně skrze 11,4cm silnou překážku poslal pomocí mikrovln Mozartovu 40. Symfonii 4,7x rychleji než světlo) nasvědčují, že by tohoto efektu mohlo být využito k nadsvětelné komunikaci, ale zřejmě tomu tak nebude. Samotné fotony sice mohou dosáhnout při kvantovém tunelování nadsvětelné rychlosti (jak to experimentálně prokázal i Raymond Chiao, kterému se skutečně povedlo skrze bariéru poslat fotony 1,7x rychleji než rychlostí světla ve vakuu), ale nelze pomocí nich poslat signál (tedy nelze nadsvětelně přenést informaci). Je to dáno Heissenbergovým principem neurčitosti. V případě kvantové teleportace je využíváno jiného jevu. Vezměte si, že máme dva fotony v entanglovaném stavu (to znamená, že jsou součástí stejného kvantového systému - toho lze dosáhnout např. pomocí laserového paprsku procházejícího skrze speciální typ hranolu) a necháme každý letět jiným směrem. Jakmile bychom s jedním z fotonů něco provedli (konkrétně pokud bychom změnili některý z jeho kvantových stavů), to samé se by se ve stejný okamžik projevilo i na onom druhém fotonu, i kdyby byl třeba stovky světelných let daleko. Vypadá to tedy, že jde o přenos informace nekonečnou rychlostí (tzn. bez časové prodlevy), což by znamenalo porušení teorie relativity. Tento paradox byl poprvé zformulován Albertem Einsteinem, Borisem Podolskym a Nathanem Rosenem, kteří chtěli poukázat na neúplnost kvantové mechaniky. Kvantové mechanice se ale tento jev povedlo vysvětlit. Dnes se mu říká kvantová nelokálnost. Byly dokonce provedeny experimenty, které platnost tohoto jevu potvrdily (např. Antonu Zeilingerovi se povedlo bez časové prodlevy „teleportovat“ polarizační stav jednoho fotonu na druhý, který byl v ten okamžik na opačné straně laboratoře). Ovšem reálnému využití k nadsvětelné komunikaci brání Heissenbergův princip neurčitosti (takže ač jednotlivé stavy fotonů mohou být přeneseny nadsvětelně, nikdy nedojde k nadsvětelnému přenosu informace - není takto možno poslat signál). Shrnuto a podtrženo, kvantového tunelování ani EPR paradoxu (tedy kvantové teleportace) nemůže být k nadsvětelné komunikaci (natož k pohonu) nikdy využito. Jednou z teoretických možností využití kvantové teleportace by snad v budoucnosti mohly být superrychlé kvantové počítače (ale i to je dosti sporné).

Závěr

            Co tedy můžeme od budoucnosti vesmírných letů očekávat? Který z pohonných systémů najde nejširší uplatnění? Zde v závěru své práce se pokusím nastínit jednu z možných alternativ, jak by budoucnost vesmírných letů mohla podle mě vypadat.

V nejbližší budoucnosti půjde pořád hlavně o lety prováděné v blízkém okolí naší planety. Svědčí o tom například výstavba Mezinárodní Vesmírné Stanice. Zde nepočítám s širším využitím pokročilých pohonných systémů. Jediné, co by se podle mě mohlo uplatnit, by byl MAGLEV, který by umožnil zlevnit starty raketoplánů a vynášení nákladů na oběžnou dráhu. V případě vynášení menších satelitů by se mohly uplatnit i atmosférické laserové pohonné systémy. Objeví se také další automatizované mise. Ať už to budou lety sond směřujících k Marsu nebo i k vnějším planetám naší Sluneční soustavy, v každém případě se zde uplatní solární elektrické pohonné systémy. Nejvýhodněji se v tomto směru dnes jeví elektrostatické iontové pohonné systémy (a to nejspíše elektronový iontový pohon využitý už na sondě Deep Space One).

V o něco vzdálenější budoucnosti (osobně si myslím, že tak do 25 až 50 let) můžeme očekávat i misi na Mars s lidskou posádkou. V tomto případě vidím jasného kandidáta na pohonný systém - byl by jím elektromagnetický pohon VASIMR a energii by získával z malého jaderného reaktoru. Někdy v této době (ale spíše později) by mohlo dojít i k zřízení vědecké výzkumné základny na Měsíci. K pohonu vesmírných lodí směřujících k základně na Měsíci a nazpět by mohl být používán také VASIMR, ale cenově  by bylo zřejmě výhodnější použití některého ze solárních nebo laserových dálkových pohonných systémů. Někdy v této době by mohlo dojít i k první dálkové automatické misi. Mohlo by jít o sondu s výkonnými, ale úspornými elektrostatickými nebo elektromagnetickými pohonnými systémy, kterým by energii dodával jaderný reaktor. Sonda by mohla sloužit k průzkumu Oortova mračna a Kuiperových pásů na samých hranicích Sluneční soustavy.

V ještě vzdálenější budoucnosti (tak 50 - 100 let) počítám s nástupem termonukleárních pohonných systémů. Od toho okamžiku by byl průzkum Sluneční soustavy velmi zjednodušen, i když termonukleární vesmírné lodě by byly velmi velké a tudíž i drahé. Mohla by být zřízena stálá kolonie na Marsu i na Měsíci. Zřejmě by mohlo dojít i k průzkumným letům k jupiterových měsícům s lidskou posádkou a na některých z nich by nebylo vyloučeno ani zřízení vědeckých základen. Pokud by došlo k rapidnímu zefektivnění procesu výroby a skladování antihmoty, začaly by si anihilační pohonné systémy s termonukleárními pohonnými systémy konkurovat. Je zřejmé, že by uspěl ten systém pohonu, který by byl levnější (výkonově jsou si totiž ve většině případů vcelku podobné). Osobně si myslím, že by to i vzhledem k bezpečnosti provozu takových lodí byly spíše termonukleární pohonné systémy.

Za 100 - 200 let by mohla být realizována i dlouhodobá mise k Proximě Centauri, naší nejbližší sousední hvězdě. K tomu by muselo být využito buď gigantických lodí s termonukleárním pohonem (nejlépe s Bussardovými kolektory k získávání paliva z okolního vesmíru) nebo velkých (ale snad menších než v případě termonukleárního pohonu) lodí s anihilačním pohonem (vyhovují pouze ty s přímým využitím produktů anihilace - tedy s paprskovým jádrem). Možným konceptem jsou také laserové plachetnice, ale ty podle mě vypadají ještě více nereálně. Osobně se k takové dlouholeté mezihvězdné misi stavím dosti skepticky. Dál už je budoucnost vesmírných letů velkým otazníkem.

V hodně vzdálené budoucnosti se snad lidstvo dočká průlomu ve fyzice, který mu umožní mnohem méně omezený průzkum vesmíru. V případě podsvětelného pohonu by reaktivní motory mohly být nahrazeny gravitačními motory (ať už by využívaly kteréhokoliv z nám známých, či prozatím ještě neznámých principů) nevyžadujícími žádné palivo. Snad také dojde k tomu, že lidstvo bude schopno vyrábět energii z vakua, které se stane neomezeným zdrojem jak pro Zemi, tak pro vesmírné lodě. Vrcholem všeho by bylo vynalezení nadsvětelného pohonu - ať už by šlo o warpový pohon, červí díry, nebo nějaký pro nás zatím zcela neznámý koncept.

Toto vše jsou ovšem zatím jen spekulace. Ač jsem osobně pevně přesvědčen, že budoucnosti vesmírných letů, jak je nám nastiňována v nejrůznějších vědeckofantastických příbězích se  lidstvo jednou dočká, neznamená to, že tomu tak musí skutečně být. Je také možné, že lidstvo zůstane navždy omezeno hranicemi naší Sluneční soustavy, případně nejbližších sousedních hvězd. Až budoucnost ukáže, jak tomu bude doopravdy.

Seznam použitých pramenů a literatury

Internet:

• http://www.nasa.gov

Oficiální stránky NASA


• http://sec353.jpl.nasa.gov/apc/

NASA "Advanced Propulsion Concepts"


• http://www.lerc.nasa.gov/www/pao/warp.htm

NASA "Warp Drive, When?"


• http://vectorsite.tripod.com/taadvsp.html

Advanced Space Rocket Propulsion Systems


• http://vectorsite.tripod.com/tastars.html

Interstellar Flight


• http://staff.vscht.cz/mat/Pavel.Pokorny/physics/FTL.html

Is Faster Than Light Travel or Communication Possible?


• http://www.islandone.org/Propulsion/Alcubierre.html

SpaceTime Hypersurfing


• http://www.dd.chalmers.se/%7Ef93jojo/sidan2.htm

Wormholes and Time Machines


• http://www.socorro.demon.co.uk/gunter.htm

Quantum Tunneling


• http://info.uibk.ac.at/c/c7/c704/qo/photon/_teleport/index.html

Quantum Teleportation

Seznam příloh