Projekt VASIMR

Snad každý mně dá za pravdu, jestliže prohlásím, že pohonné systémy používané v současnosti kosmickými loďmi jsou velmi nedokonalé a neefektivní. Ano, mluvím o raketovém pohonu, který disponuje obrovským tahem, ale také s tím související ohromnou spotřebou paliva. Pro meziplanetární pilotované lety je tedy nanejvýš nevhodný. Rád bych tedy těm, kteří se v tomto odvětví vědy příliš neangažují, představil v současnosti bezesporu ten nejambicióznější a nejaktuálnější projekt - pohonný systém VASIMR (NASA).

VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) v sobě spojuje klady mnoha elektrických pohonných systémů (iontové motory, MPD motory, ...) a zároveň potlačuje jejich nevýhody. Jeho konstruktéři z Laboratoře pro pokročilý vesmírný pohon (Advanced Space Propulsion Laboratory) Johnsonova vesmírného střediska v Houstonu zkombinovali tyto metody dohromady a vytvořili tak něco opravdu úchvatného, teoreticky bezporuchového (neobsahuje žádné mřížky ani elektrody, které by se mohly opotřebovávat).
Nejprve se ale podívejme na jeho funkční princip. Vlastní motor sestává ze tří magnetických komor. V první magnetické komoře je pohonná látka (o nízké molekulové hmotnosti - vodík, helium) ionizována do stavu vysokoteplotního plazmatu vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem vyzařovaným helikoidální anténou umístěnou kolem komory. Vzhledem k velké teplotě plazmatu je nutné izolovat ho od stěn komory magnetickým polem (těží se ze zkušeností nabytých z tokamaků a stelarátorů). Poté je plazma odvedeno do druhé magnetické komory, ve které pokračuje jeho ohřívání radiofrekvenčním zářením produkovaným další anténou umístěnou kolem komory (zde se využívá iontové cyklotronové resonance - podobné mikrovlnce) a oscilujícími magnetickými poli na ohromné teploty v řádu milionů stupňů Celsia. Nyní má již dostatečně velkou energii a hustotu. Proto směřuje do výtokové trysky, kde lze vhodnou geometrií magnetického pole dosáhnout proměnného specifického impulsu (=Isp [N.s/kg]; poměr tahu ku množství paliva) a tím optimalizovat výkon motoru v různých fázích letu, počínaje 10 000 N.s/kg (největší tah ze všech elektrických pohonných systémů) a konče úžasnými 300 000 N.s/kg (nízký tah, avšak vysoký specifický impuls).
Modulace tahu je ohromnou výhodou především pro pilotované lety. A proč? Všechny klasické pokročilé elektrické pohonné systémy s velkým Isp mají velmi nízký tah. To je pro dlouhodobé lety velmi výhodné, neboť se uspoří velké množství paliva. Jenže malý poměr tahu ku hmotnosti lodi znamená malé zrychlení. Vesmírné lodi odlétající z oběžné dráhy kolem Země by tedy trvalo relativně dost dlouho, než by prolétla radiačními pásy kolem Země (Van Allenovy, ...), což by mohlo ohrozit posádku. Kdybychom však použili klasické raketové motory, dosáhly bychom vysokého tahu (tedy i zrychlení) a přes toto nebezpečí by se loď dostala velmi rychle. Jenomže raketový motor je právě kvůli vysokému tahu a nízkému Isp značně neefektivní - tak velká spotřeba paliva je nepřijatelná pro dlouhé vesmírné lety, jako je např. mise na Mars. No a právě v tom je ohromná výhoda VASIMRu. Posádka prostě na počátku letu zapne mód s vysokým tahem a po překonání radiačních pásů přepne do úsporného efektivního malého tahu, ale vysokého Isp. Loď tedy bude moci být urychlována během celé cesty.
Ale ještě zpět k výtokové trysce. Za zmínku stojí její konstrukce: u VASIMRu je totiž složitým dvoustupňovým hybridním magnetickým a gasodynamickým systémem (chlazená vodíkem proudícím kolem plazmatu). Pokud se na výstupu z trysky magnetické siločáry prudce zakřiví, hmotnější ionty s vysokou kinetickou energií je již nemohou díky setrvačnosti sledovat, odtrhnou se od magnetického pole a vytékají do prostoru s vysokým specifickým impulsem. Oblak lehčích elektronů je sice sleduje v důsledku coulombické interakce, ale k jejich úniku z magnetického pole dochází obtížněji a navíc mohou na výstupu z trysky způsobit jeho deformaci. Tento problém se však již zdá být vyřešen. Nyní tedy stačí dodělat pár "drobností" a v roce 2004 by se mohly uskutečnit první testy modelu napájeného el. energií pomocí slunečních článků. Prototyp motoru by mohl být testován na Mezinárodní vesmírné stanici ISS, která je pro podobné testy ideální zkušební laboratoří.
VASIMR je primárně vyvíjen pro cestu na Mars, kterou by měl podle odhadů konstruktérů zkrátit na 115 dní. Vzhledem k jeho principu je asi každému jasné, že bude zapotřebí velkého množství energie. Je to cca 10 MW. Sluneční kolektory jsou tedy naprosto nevyhovující a bude nutné přistoupit k jadernému reaktoru. S ním vlastně konstruktéři již od začátků počítají. Klasický jaderný reaktor používaný v některých kosmických sondách (Voyagery, Pioneery) SP 100 využívá přímé přeměny tepelné energie na elektrickou (termoelektrická nebo termionická přeměna). Tyto reaktory velikosti odpadkového koše však dokáží poskytnout výkon řádově stovky kW až 1 MW. To znamená, že budeme muset použít nepřímou přeměnu energie - klasické turbíny a generátory, jako v jaderných elektrárnách. Miniaturizace sice již značně pokročila, ale i přesto bude tento systém komplexní a složitý, takže může být i poruchový (obsahuje pohyblivé mechanické součásti). Každopádně pro dodávání el. energie pro pohon VASIMR se s ním počítá.
Na začátku jsem se zmínil o neefektivních pohonných systémech dnes používaných. Pravda je to jen částečná. V roce 1998 totiž odstartovala sonda Deep Space 1, která poprvé použila jako hlavní pohonnou jednotku iontový motor, k čemuž potřebovala vysoce výkonné solární články. Princip je takovýto (velice zjednodušeně řečeno): Z katody jsou emitovány elektrony, které se srážejí s atomy xenonu a ionizují je. Ionty jsou dále urychlovány napětím 1280 V a emitovány 30 cm tryskou. Tento pohon má cca 10x větší Isp, než konvenční raketové motory (které mají Isp od 1500 do 4000 N.s/kg). Příkon této koncepce je asi 2,3 kW, přičemž je dosaženo tahu 92 mN.
Závěrem dodám jen to, že k rychlejšímu rozvoji kosmonautiky a k využití vesmíru ke komerčním účelům je nutné značně zlevnit dopravu materiálu a osob na orbitu - prvních pár minut letu totiž bývá nejnákladnějších z celé mise (včetně stavby sondy!). I na tomto projektu NASA usilovně (a zdá se, že velmi zdárně) pracuje a první ovoce by mohl přinést již kolem roku 2010.