Zítřejší kosmické lodě budou postaveny z pokročilých materiálů s ohromujícími vlastnostmi.
Poslechněte si tento příběh prostřednictvím streamovaného zvuku, souboru ke stažení nebo získejte nápovědu.
16. září 2002: „To, co opravdu hledám,“ říkáte prodejci, „je auto, které ujede alespoň 10 000 mil mezi tankováními, samo se opraví, jede rychlostí 500 km/h a váží jen několik set kilogramů.“
Když tam stojí s očima dokořán, dodáš: „No jo, a můžu utratit jen asi čtvrtinu toho, co stojí tyhle ostatní auta.“
dramaticky vylepšených kosmických lodí.
Za takový požadavek se vám určitě vysmějí na parkovišti nových aut. V mnoha ohledech je však tento vysněný vůz metaforou pro vesmírná vozidla, která budeme v příštích desetiletích potřebovat k rozšíření našeho průzkumu sluneční soustavy. Tyto nové kosmické lodě budou muset být rychlejší, lehčí, levnější, spolehlivější, odolnější a univerzálnější zároveň.
Možné? Než odpovíte, zamyslete se nad tím, jak by asi reagoval rančer z doby před 200 lety, kdyby ho nějaký člověk požádal o koupi koně, který by dokázal několik hodin běžet rychlostí 100 km/h, unesl celou jeho rodinu i se všemi zavazadly a celou dobu mu zpíval jeho oblíbené písně! Dnes jim říkáme minivany.
Revoluce v technologii – jako průmyslová revoluce, která nahradila koně automobily – může učinit to, co se dnes zdá nemožné, zítra běžným.
Taková revoluce se odehrává právě teď. Tři nejrychleji se rozvíjející vědy současnosti – biotechnologie, nanotechnologie a informační technologie – se sbližují, aby vědcům umožnily bezprecedentní kontrolu nad hmotou v molekulárním měřítku. Z této intelektuální zlaté horečky vzniká nová třída materiálů s ohromujícími vlastnostmi, které se hodí spíše do vědeckofantastického románu než na laboratorní stůl.
Představte si například látku, která má stokrát větší pevnost než ocel, ale jen 1/6 hmotnosti; materiály, které se po propíchnutí okamžitě zacelí; povrchy, které „cítí“ síly, které na ně působí; dráty a elektroniku tak malou jako molekuly; strukturální materiály, které také vyrábějí a uchovávají elektřinu; a kapaliny, které se mohou podle libosti okamžitě změnit na pevné látky a zpět. Všechny tyto materiály dnes existují … a další jsou na cestě.
S takovými ohromujícími materiály, které jsou k dispozici, se stavba lepší kosmické lodi začíná jevit jako ne tak vzdálená.
Váha rovná se peníze
Problém kosmické lodi nové generace závisí na několika základních otázkách. V první řadě jsou to samozřejmě náklady.
„I kdyby se dnes podařilo vyřešit všechny technické překážky, průzkum naší sluneční soustavy musí být stále cenově dostupný, aby byl praktický,“ říká Dr. Neville Marzwell, vedoucí oddělení revolučních kosmických technologií pro příští desetiletý plánovací tým NASA.
Snížení nákladů na kosmické lety znamená především snížení hmotnosti. Každý zkrácený kilogram je kilogram, který nebude potřebovat pohon pro únik ze zemské gravitace. Lehčí kosmické lodě mohou mít menší a účinnější motory a méně paliva. Tím se zase ušetří více hmotnosti, čímž se vytvoří výhodná spirála úspory hmotnosti a snižování nákladů.
Pravda: Tato plně naložená měsíční raketa Saturn V vážila 6,2 milionu liber. Její start byl těžký a nákladný.
Úkolem je snížit hmotnost a zároveň zvýšit bezpečnost, spolehlivost a funkčnost. Pouhé vynechání částí nepomůže.
Vědci zkoumají řadu nových technologií, které by mohly pomoci zeštíhlit kosmické lodě. Například gossamerové materiály – což jsou ultratenké fólie – by mohly být použity pro antény nebo fotovoltaické panely namísto dnes používaných objemnějších součástí, nebo dokonce pro obrovské solární plachty, které zajišťují pohon a přitom mají hmotnost pouze 4 až 6 gramů na metr čtvereční.
Kompozitní materiály, jako jsou ty, které se používají v tenisových raketách a golfových holích z uhlíkových vláken, již hodně pomohly snížit hmotnost v kosmických konstrukcích, aniž by byla ohrožena pevnost. Nová forma uhlíku zvaná „uhlíková nanotrubička“ je však příslibem výrazného zlepšení oproti kompozitům:
„Tato fenomenální pevnost vychází z molekulární struktury nanotrubiček,“ vysvětluje Dennis Bushnell, vedoucí vědecký pracovník Langley Research Center (LaRC), Centra excelence pro struktury a materiály NASA. Vypadají trochu jako kuřecí drát svinutý do válce s atomy uhlíku v každém z rohů šestiúhelníků.
Typicky mají nanotrubičky průměr asi 1,2 až 1,4 nanometru (nanometr je miliardtina metru), což je jen asi desetinásobek poloměru samotných atomů uhlíku.
Nahoře: Mřížka z atomů uhlíku v uhlíkové nanotrubičce je jako nástěnka pro zavěšení dalších druhů atomů a molekul, které nanotrubičce dodávají zvláštní chemické, elektrické nebo tepelné vlastnosti. Copyright: Prof. Vincent H. Crespi, Katedra fyziky Pennsylvánské státní univerzity.
Nanotrubičky byly objeveny teprve v roce 1991, ale již intenzivní zájem vědecké komunity nesmírně posunul naše schopnosti vytvářet a používat nanotrubičky. Ještě před dvěma až třemi lety byly nejdelší nanotrubičky, které byly vyrobeny, dlouhé asi 1000 nanometrů (1 mikron). Dnes jsou vědci schopni vypěstovat trubice dlouhé až 200 milionů nanometrů (20 cm). Bushnell poznamenává, že na masové výrobě těchto malých trubiček pracuje nejméně 56 laboratoří po celém světě.
„Dělají se velké pokroky, takže k výrobě objemných materiálů s využitím nanotrubiček pravděpodobně dojde,“ říká Bushnell. „Co nevíme, je, jak moc se tato 600násobná pevnost oceli v poměru k hmotnosti projeví v sypkém materiálu. Přesto jsou nanotrubičky naší nejlepší sázkou.“
Pravda: Pevnost uhlíkových nanotrubiček v tahu výrazně převyšuje pevnost jiných vysokopevnostních materiálů. Všimněte si, že každý přírůstek na svislé ose je mocninou 10.
Kromě pouhé pevnosti budou nanotrubičky pravděpodobně důležité i pro další část plánu na snížení hmotnosti kosmických lodí: materiály, které mohou plnit více než jen jednu funkci.
„Dříve jsme stavěli konstrukce, které byly jen hloupými, mrtvými držáky aktivních částí, jako jsou senzory, procesory a přístroje,“ vysvětluje Marzwell. „Teď už to nepotřebujeme. Držák může být nedílnou, aktivní součástí systému.“
Představte si, že by tělo kosmické lodi mohlo také uchovávat energii, čímž by odpadla potřeba těžkých baterií. Nebo že by se povrchy mohly samy ohýbat, čímž by odpadly samostatné aktuátory. Nebo že by obvody mohly být zabudovány přímo do těla kosmické lodi. Až bude možné navrhovat materiály na molekulární úrovni, stanou se takové holistické struktury možnými.
Kůže kosmických lodí
Lidé cítí i sebemenší píchnutí kdekoli na svém těle. Je to úžasný kousek sebekontroly – je to možné, protože kůže obsahuje miliony mikroskopických nervových zakončení a také nervy, které tyto signály přenášejí do mozku.
Podobně by materiály, které tvoří kritické systémy v kosmické lodi, mohly být osazeny senzory v nanometrovém měřítku, které by neustále monitorovaly stav těchto materiálů. Pokud některá součástka začne selhávat – to znamená, že se „cítí špatně“ – mohly by tyto senzory upozornit centrální počítač dříve, než dojde k tragédii.
Molekulární vodiče by mohly přenášet signály ze všech těchto vetkaných senzorů do centrálního počítače, čímž by se předešlo nepraktickému objemu milionů a milionů dnešních vodičů. Tuto úlohu mohou opět plnit nanotrubičky. Příhodné je, že nanotrubičky mohou fungovat buď jako vodiče, nebo jako polovodiče, podle toho, jak jsou vyrobeny. Vědci vyrobili molekulární dráty z jiných podlouhlých molekul, z nichž některé se dokonce přirozeně samy skládají do užitečných konfigurací.
Vlevo: Tento piezoelektrický materiál, vyvinutý v Langley Research Center (LaRC) NASA, dokáže „cítit“ deformace, jako je ohyb nebo povrchový tlak, a v reakci na to vytváří malé napětí, které může fungovat jako signál pro centrální počítač. Obrázek s laskavým svolením NASA’s Morphing Project v LaRC.
Vaše kůže se také dokáže sama uzdravit. Věřte tomu nebo ne, ale některé pokročilé materiály dokážou totéž. Samoregenerační materiály vyrobené z molekul s dlouhým řetězcem zvaných ionomery reagují na pronikající předmět, například kulku, tak, že se za ním uzavřou. Kosmické lodě by takové kůže mohly používat, protože vesmír je plný drobných projektilů – rychle se pohybujících úlomků z komet a asteroidů. Pokud by některý z těchto objektů o velikosti písku nebo oblázku prorazil pancíř lodi, vrstva samoregeneračního materiálu by udržela kabinu vzduchotěsnou.
Meteoroidy nejsou jediným nebezpečím; vesmír je také plný radiace. Kosmické lodě na nízké oběžné dráze Země jsou do značné míry chráněny magnetickým polem naší planety, které vytváří bezpečnou bublinu širokou asi 50 000 km se středem kolem Země. Za touto vzdáleností však představují pro vesmírné cestovatele hrozbu sluneční erupce a kosmické záření.
Pravda: Sluneční erupce vrhá do vesmíru energetické záření.
Vědci stále hledají vhodné řešení. Trik spočívá v zajištění odpovídajícího stínění, aniž by se kosmické lodi přidalo mnoho hmotnosti navíc. Některé lehké materiály stínící radiaci se v současné době testují v experimentu nazvaném (MISSE) na palubě Mezinárodní vesmírné stanice. Ty však samy o sobě stačit nebudou.
Skutečným padouchem je galaktické kosmické záření (GCR) vznikající při výbuchu vzdálených supernov. Částečně se skládá z velmi těžkých kladných iontů – například jader železa -, které se řítí velkou rychlostí. Kombinace vysoké hmotnosti a rychlosti činí tyto malé atomové „dělové koule“ velmi ničivými. Když proniknou buňkami v těle člověka, mohou rozbít DNA, což vede k nemocem a dokonce k rakovině.
„Ukazuje se, že nejhorší materiály, které lze použít pro stínění proti GCR, jsou kovy,“ poznamenává Bushnell. Když galaktický komiksový paprsek zasáhne kovový atom, může rozbít jeho jádro – proces podobný štěpení, k němuž dochází v jaderných elektrárnách. Sekundární záření vznikající při těchto srážkách může být horší než GCR, které měl kov chránit.
Ironicky vzato jsou nejlepší obranou proti těmto brutálním GCR lehké prvky jako vodík a helium, protože při srážkách s nimi vzniká jen málo sekundárního záření. Někteří lidé navrhovali obklopit obytné prostory lodi nádrží s kapalným vodíkem. Podle Bushnella by vrstva kapalného vodíku o tloušťce 50 až 100 cm poskytla dostatečné stínění. Nádrž a kryogenní systém však budou pravděpodobně těžké a nepohodlné.
I zde by se mohly hodit nanotrubičky. Mřížka z uhlíkových nanotrubiček může uchovávat vodík s vysokou hustotou a bez nutnosti extrémního chladu. Pokud tedy naše kosmické lodě budoucnosti již nyní používají nanotrubičky jako ultralehký konstrukční materiál, mohly by být tyto trubičky také naplněny vodíkem, který by sloužil jako ochrana proti radiaci? Vědci tuto možnost zkoumají.
Zleva: Když vysokoenergetické kosmické záření narazí do DNA astronautů, může to způsobit poškození vedoucí k rakovině nebo jiným nemocem způsobeným zářením. Obrázky s laskavým svolením Úřadu NASA pro biologický a fyzikální výzkum.
Jdeme-li ještě o krok dál, vrstvy tohoto strukturního materiálu by mohly být prokládány atomy jiných prvků, které dobře filtrují jiné formy záření: například boru a lithia, které si poradí s neutrony, a hliníku, který pohltí elektrony.
Táboření ve vesmíru
Povrch Země je většinou před kosmickým zářením v bezpečí, ale jiné planety takové štěstí nemají. Například Mars nemá silné globální magnetické pole, které by odráželo částice záření, a jeho atmosférický příkrov je 140krát tenčí než zemský. Díky těmto dvěma rozdílům je dávka záření na povrchu Marsu asi o třetinu vyšší než v nechráněném otevřeném prostoru. Budoucí průzkumníci Marsu budou potřebovat radiační ochranu.
„Většinu materiálů pro dlouhodobý úkryt si s sebou nemůžeme vzít z důvodu hmotnosti. Takže jedna věc, na které pracujeme, je, jak vyrobit materiály chránící před radiací z prvků, které tam najdeme,“ říká Sheila Thibeaultová, vědkyně z LaRC, která se specializuje na ochranu před radiací.
Pravda: Astronauti, kteří se utáboří na Marsu, budou potřebovat ochranu před vesmírnou radiací. Obrázek: Frassanito and Associates, Inc.
Jedním z možných řešení jsou „marsovské cihly“. Vysvětluje Thibeault: „Astronauti by si mohli vyrobit cihly odolné proti radiaci z materiálů, které jsou na Marsu místně dostupné, a použít je ke stavbě přístřešků.“ Mohli by například kombinovat písčitý „regolit“, který pokrývá povrch Marsu, s polymerem vyrobeným přímo na místě z oxidu uhličitého a vody, které jsou na rudé planetě hojné. Zapálením této směsi mikrovlnami vzniknou plasticky vypadající cihly, které se zdvojnásobí jako dobrá ochrana před radiací.
„Pomocí mikrovln můžeme tyto cihly vyrobit rychle za použití velmi malého množství energie nebo vybavení,“ vysvětluje. „A polymer, který bychom použili, přispívá k radiačním stínicím vlastnostem regolitu.“
Marsovy kryty by potřebovaly spolehlivost samočinných materiálů, trvanlivost samoregeneračních materiálů a úsporu hmotnosti multifunkčních materiálů. Jinými slovy, dům na Marsu a dobrá kosmická loď potřebují mnoho stejných věcí. O všech těchto věcech výzkumníci uvažují, říká Thibeault.
Lidé doma
Myslíme, že pokročilé materiály se budou hodit i na Zemi.
„Výzkum NASA je určitě zaměřen na letadla,“ poznamenává Anna McGowanová, vedoucí projektu NASA Morphing (výzkum pokročilých materiálů ve výzkumném středisku Langley). „Základní vědecké poznatky by však mohly být využity v mnoha dalších oblastech. Mohlo by to mít miliony vedlejších účinků.“
Zleva: Letadla zítřka, vyrobená z inteligentních materiálů, by mohla mít samohybná křídla, která by fungovala bez klapek – tím by se snížil odpor vzduchu a snížily náklady na palivo.
Ale zatím ne. Většina pokročilých materiálů postrádá technickou propracovanost, která je nutná pro vybroušený a robustní výrobek. Nejsou připraveny na premiéru. Přesto je to podle vědců jen otázka času:
Webové odkazy
Buck Rogers, pozor! — článek Science@NASA: Výzkumníci NASA studují hmyz a ptáky a využívají „chytré“ materiály s podivuhodnými vlastnostmi k vývoji nových a ohromujících konstrukcí letadel.
Vzorky budoucnosti — článek Science@NASA: Pokročilé kosmické lodě zítřka budou vyrobeny ze vzdálených materiálů s mimořádnou odolností vůči drsnému prostředí vesmíru. Cílem experimentu MISSE (Materials International Space Station Experiment) je zjistit, které materiály fungují nejlépe.
Pravda: Na pozadí vycházejícího Slunce vystupuje experiment MISSE do vesmíru mimo Mezinárodní vesmírnou stanici.
Vynoření a ukrytí — článek na Science@NASA: Měsíční a marsovská hlína by mohla poskytnout radiační ochranu posádkám na budoucích misích. Viz také článek „Výroba marsovských cihel.“
Centrum pro nanotechnologie (CNT) — v Amesově výzkumném středisku NASA.
Potřeby budoucích misí — výčet technologií potřebných pro budoucí průzkum vesmíru a některá možná řešení, od CNT.
Nanotube Links: Nanotrubky & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Výzkum v oblasti molekulární elektroniky: nanotranzistor od IBM; jednoduché logické hradlo z nanodrátků; přizpůsobitelné nanotrubky pro dráty nebo struktury z Purdue University.
Kosmické počasí na Marsu — článek Science@NASA: Budoucí lidští průzkumníci Marsu mohou nechat deštníky na Zemi, ale možná by neměli zapomínat na své Geigerovy čítače! Experiment NASA na cestě k Rudé planetě se to snaží zjistit.
.
Napsat komentář