Student World

V dnešním díle se dočtete o antihmotě, anihilaci a pohonných systémech založených na jejím využití. Možná to zní tak trochu jako sci-fi, ale anihilační pohonné systémy, pokud bychom přišli na efektivnější způsob výroby antihmoty, zas tak fantastické nejsou. Dostaneme se také k nepřímým způsobům pohonu – ať už solárním, laserovým nebo mikrovlnným.

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 8×10¹³ J a při termonukleární
fůzi maximálně 3×10¹⁴ J. Naproti tomu při anihilaci dojde k
uvolnění veškeré energie z hmoty – tedy 9×10¹⁶ 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.

Příště se dostaneme k elektrickým pohonným systémům, které se jeví jako opravdu velmi perspektivní a to už v dnešní době. Probereme si i některé zcela odlišné možnosti pohonu, čímž bude druhá kapitola uzavřena.

autor Michal Křenek