Budou lasery pohánět družice?
Sice se někdy říká, že ve 20. století lidstvo vykročilo ke hvězdám, skutečnost ale není tak vzletná. Pokroky v kosmonautice jsou sice značné, ale i když jsou výpravy sond k objektům naší soustavy fantastická záležitost, hvězdy nám zůstávají zoufale nedostupné. Alespoň co se cestování týče, nemluvíme teď o dálkovém průzkumu. Vždyť i Voyager 1, tedy sonda, která se zatím dostala nejdál od Slunce, uletěla zatím pouhých 20,5 světelných hodin. K hvězdě Proxima Centauri, nejbližšímu sousedu naší soustavy ve vzdálenosti 4,22 světelných let, by se svou zdánlivě úctyhodnou rychlostí 61 198 km/h v hodině letěl přes 70 000 let.
Rekord mezi lidskými výtvory drží sonda Parker Solar Probe, které se krátkodobě podařilo dosáhnout rychlosti 393 042 km/h, nyní zpomaluje a po opakovaném zrychlení se odhaduje, že v roce 2025 dosáhne neuvěřitelných 690 000 km/h. No, neuvěřitelných – vše je otázka úhlu pohledu. Pořád se pohybujeme na nějakých 0,064 % rychlosti světla, což je zoufale málo pro cestu ke hvězdám. A to jde o rychlost dosaženou kombinací klasických motorů a gravitačních triků. Jinými slovy, chceme-li vůbec o vyslání sondy k cizí hvězda uvažovat, musíme změnit způsob myšlení a hledat nové metody pohonu.
Právě tady nastává chvíle, kdy na scénu vstupují lasery a laserové technologie. Zdá se to být k nevíře, ale skutečně je teoreticky možné, aby lasery poháněly družice. Tedy, jak už to tak bývá, má to spoustu háčků – musely by to být velké lasery, malé družice a rozhodně to není něco, co bychom zvládli postavit zítra. Ze všech možných teoretických úvah je ale tato to nejreálnější, jak jsme se možnosti poslat alespoň něco k cizím hvězdám s naší soudobou technologií přiblížili. Bohužel, kapitáne Picarde – warp pohon bude muset zatím počkat.
Fyzikální princip celého konceptu spočívá v tzv. tlaku záření. Světlo lze popsat jako vlnění i jako částici, jeho částicová podstata se ale právě tlakem záření projevuje. Elektromagnetické záření – včetně světla – je kvantováno na fotony, u kterých lze popsat všechny částicové veličiny, včetně energie a hybnosti. I fotony se tak projevují starou známou newtonovskou hrou na akci a reakci. Jinými slovy: i světlo má mechanické účinky a silové působení, což jsou vlastnosti, které si s ním obvykle nespojujeme. Ovšem někdy je lepší věřit částicovým fyzikům spíš než selskému rozumu. Ten by nás nabádal k tomu, že světlo pohne tak maximálně slunečnicemi, když se za ním otáčejí a rozhodně přece na nic netlačí.
Koncept laserem poháněné “plachetnice” (Zdroj: Breakthrough Initiative)
Samozřejmě, pokud jde o sluneční světlo, bavíme se o zdánlivě velmi slabých projevech. V případě slunečního záření to ilustrují tzv. sluneční plachetnice. Jde o princip pohonu v kosmonautice již experimentálně vyzkoušený. Sluneční plachetnice je typ sondy, která rozvine plachtu ze speciálních materiálů, pomocí kterých zachytává fotony slunečního záření. Ty svým odrážením předávají soustavě energii a hybnost. Samotné zrychlení je velmi, velmi malé – s plachtou o ploše 600 m2 činí jen 0,0005 m s-2. Na rozdíl od raketového pohonu ale dokáže působit velmi dlouho, takže sluneční plachetnice jsou schopné za 100 dní dosáhnout díky fotonům rychlosti až 10 000 km/h.
Dobře, sluneční záření – a co kdybychom dokázali proud fotonů koncentrovat do úzkého paprsku a tím jejich energii efektivně maximalizovat na velmi malé ploše? Škoda, že taková technolog- a, ano, takovou technologii máme: světelným obloukem se vracíme zpátky k laserům.
Na principu mechanických účinků světla je totiž postavený koncept projektu Breakthrough Starshot, započatý v roce 2016; jedním z jeho duchovních otců byl i před časem zesnulý Stephen Hawking. Cíl má ambiciózní: vyslat flotilu světelných plachetnic k hvězdě Alpha Centauri, u které se v obyvatelné zóně nachází exoplaneta srovnatelná velikostí se zemí. V teorii celý projekt pracuje s aplikacemi technologií a fyzikálních principů, které už známe. Sonda vybavená světelnou plachtou by se ostřelováním zacílenými laserovými paprsky mohla z oběžně dráhy urychlit způsobem, jaký klasické doposud užívané pohony nemůžou nikdy nabídnout. Cílem projektu je dostat sondy (tzv. StarChip) na rychlost 20 % rychlosti světla. S takovým kvaltem by se rázem cesta trvající desítky tisíc let zkrátila na pár desetiletí, v případě Alpha Centauri něco málo přes 20 roků.
To nejdůležitější – co zároveň představuje hlavní technickou výzvu – jsme zatím jen naznačili: Jak zaznělo, mechanické účinky světla jsou velmi malé. Aby tedy bylo reálné o využití laserů pro účel pohonu uvažovat, bavíme se o soustavě o výkonu až 100 gigawattů. To je hodně! A i tak by takový laser působil na světelnou plachtu silou jen asi 7 N. To je málo! Tedy, málo je to jen zdánlivě. Pokud by totiž sonda byla mimořádně malá a sérii paprsků by se podařilo udržet alespoň 10 minut, odhaduje se, že by se dalo dosáhnout zrychlení až 100 km s-2. Sonda by ovšem musela mít váhu jen několik málo gramů, a to včetně plachty o průměru 5 metrů.
Soustava laserů pro pohon sond ke hvězdám bude muset být masivní konstrukcí (Zdroj: Breakthrough Initiative)
V teorii by tedy vše fungovat mělo, v praxi je ale podobný projekt jednou velkou soustavou technologických obtíží. Aby se kompenzovala velikost sond a předpokládané ztráty po cestě, hovoří se o roji až 1000 ks mezihvězdných včeliček. Přirovnání ke včelkám není přeháněním, sondy by opravdu musely být velmi malé. Jejich konstrukce tedy představuje skutečnou výzvu miniaturizace – ať už jde o senzory, vysílače či (jaderné) napájení. Největší technologickou, a tedy i finanční, váhu celého projektu ale představují samotné lasery na zemi. Musela by vzniknout obrovská soustava navzájem koordinovaných zářičů. Současný koncept pracuje s konstrukcí 10 kW laserů na ploše 1 km2, které by teprve ve vzájemné součinnosti dosáhly požadovaných 100 GW. Není asi potřeba příliš zdůrazňovat, že něco takového potřebuje vyřešit celou řadu aspektů: napájení, schopnost udržet paprsky dostatečně dlouho, koordinaci se sondami apod.
V případě teoretického využití laserů pro pohon sond tak zvláštním způsobem stojíme jednou nohou v současné realitě, druhou nohou skoro v žánru sci-fi. V tom smyslu, že pokud vezmeme samotná teoretická východiska tohoto snažení, pak se vše zdá být perfektně reálné. Podle fyziky by to zkrátka fungovat mělo. Ve smyslu konkrétních technologických řešení, koordinace tak masivního projektu a definitivní realizace je ale cíl ještě míle a míle daleko. To, že ale nejde o marné blouznění, ilustruje i fakt, že se na dílčích projektech podílejí vědci z celého světa, včetně ČR.
Cestování ke hvězdám v sobě vždycky mělo kus snění, něco ostatně musí alespoň trochu vyvažovat přijatelný skepticismus a racionalitu. S takovým sněním by ovšem byla jistá poetika v tom, kdybychom ke hvězdám nakonec pluli na světelném paprsku.
