31. října 1936 se šest mladých kutilů přezdívaných „raketoví chlapci“ málem upálilo ve snaze vymanit se ze zemské gravitace. Skupina se shlukla v rokli na úpatí kalifornského pohoří San Gabriel, aby otestovala malý proudový motor na alkohol. Chtěli dokázat, že raketové motory mohou vyletět do vesmíru, a to v době, kdy se takové myšlenky setkávaly s posměchem. Tento cíl byl narušen, když se vznítilo kyslíkové potrubí, které divoce mlátilo a šlehaly z něj plameny.
Odvaha raketových chlapců upoutala pozornost aerodynamika Theodora von Karmana, který již se dvěma z nich pracoval na Caltechu. Nedaleko místa jejich ohnivého neštěstí zřídil malou zkušební plochu, kde Rocket Boys pokračovali ve svých experimentech. V roce 1943 se z tohoto místa stala Jet Propulsion Laboratory (JPL) a von Karman jejím prvním ředitelem. JPL se od té doby rozrostla do rozlehlého terénního střediska NASA s tisíci zaměstnanci, přesto si dokázala zachovat svou zakladatelskou motivaci: testovat hranice výzkumu, konvence budiž zatraceny.
V průběhu let zaznamenala mnoho úspěchů. Na počátku 70. let 20. století postavili inženýři JPL sondu Pioneer 10, která jako první dosáhla únikové rychlosti ze sluneční soustavy. O několik let později na ně navázali Voyagerem 1 a 2, nejrychlejšími z mnoha objektů zaměřených na mezihvězdný prostor. Od počátku kosmického věku do vypuštění sond Voyager, tedy v rozmezí pouhých dvou desetiletí, raketoví vědci více než zdvojnásobili rychlost letu. Za uplynulá desetiletí však Voyagery následovala pouze jedna další kosmická sonda, která opustila sluneční soustavu, a žádná z nich tak vysokou rychlostí. Nyní začínají být rakeťáci z JPL opět neklidní a v tichosti plánují další velký skok.
Souvislým tématem nových snah je, že sluneční soustava nestačí. Je čas vydat se za hranice známých planet, ke hvězdám. John Brophy, letový inženýr v JPL, vyvíjí nový motor, který by mohl urychlit lety do vesmíru o další desetinásobek. Leon Alkalai, architekt misí JPL, plánuje dalekou cestu, která by začala nepravděpodobným, ikarovským pádem ke Slunci. A výzkumný pracovník JPL Slava Turyshev má možná nejdivočejší nápad ze všech, vesmírný teleskop, který by mohl poskytnout důvěrný pohled na vzdálenou planetu podobnou Zemi – aniž by se tam skutečně vydal.
Všechny tyto nápady jsou dalekosáhlé (podle Brophyho ne úplně šílené), ale pokud se podaří byť jen jeden, bude to mít obrovské důsledky. Raketoví chlapci a jim podobní pomohli nastartovat lidstvo jako vesmírný druh. Současná generace v JPL by mohla být tou, která nás vynese mezi hvězdy.
Raketové reakce
Pro Brophyho byl inspirací projekt Breakthrough Starshot, extravagantně odvážný projekt, který v roce 2016 oznámili zesnulý Stephen Hawking a ruský miliardář Jurij Milner. Konečným cílem projektu je vybudovat kilometr širokou laserovou soustavu, která by dokázala vystřelit miniaturní kosmickou loď na 20 procent rychlosti světla, což by jí umožnilo dosáhnout hvězdného systému Alfa Centauri (náš nejbližší hvězdný soused) za pouhá dvě desetiletí.
Brophy byl skeptický, ale zaujalo ho to. Ambiciózní touhy pro něj nejsou ničím novým. „JPL povzbuzuje lidi, aby přemýšleli nestandardně, a moje bláznivé nápady jsou časem stále bláznivější,“ říká. I podle těchto měřítek mu koncept Starshotu připadal příliš vzdálený od technologické reality. Začal však přemýšlet o tom, zda by mohl vzít stejnou koncepci, ale zmenšit ji tak, aby byla skutečně proveditelná během našich životů.
Osobně Brophyho zaujala myšlenka použít laserový paprsek ve stylu Starshotu, který by pomohl vypořádat se s „raketovou rovnicí“, která spojuje pohyb kosmické lodi s množstvím pohonných látek, které nese. Raketová rovnice konfrontuje každého budoucího vesmírného průzkumníka se svou krutou logikou. Pokud chcete letět rychleji, potřebujete více paliva, ale více paliva zvyšuje hmotnost. Větší hmotnost znamená, že potřebujete ještě více paliva, abyste tuto hmotnost navíc unesli. S tímto palivem je celá věc ještě těžší a tak dále. Proto bylo k vypuštění sond Voyager o hmotnosti 1 800 kg zapotřebí rakety o hmotnosti 1,4 milionu kg:
Od dob svých postgraduálních studií na konci 70. let Brophy vyvíjel mnohem účinnější typ raket známý jako iontový pohon. Iontový motor využívá elektrickou energii k vystřelování kladně nabitých atomů (tzv. iontů) z trysky vysokou rychlostí. Každý atom poskytuje jen nepatrný impuls, ale dohromady dokážou raketu vystřelit na mnohem větší rychlost než běžná chemická raketa. A co víc, energie potřebná k provozu iontového motoru může pocházet ze solárních panelů – nejsou potřeba žádné těžké palubní palivové nádrže nebo generátory. Díky tomu, že iontový pohon dokáže z menšího množství pohonné hmoty vytěžit větší rychlost, je na cestě ke zkrocení raketové rovnice.
Iontové motory však mají i své nevýhody. Čím dále jsou od Slunce, tím více jsou omezeny množstvím elektřiny, které mohou jejich solární panely vyrobit. Panely můžete udělat obrovské, ale pak přidáte velkou hmotnost a raketová rovnice vás opět zasáhne. A iontové motory mají tak mírný tah, že se nemohou samy odlepit od země; ve vesmíru jim pak trvá dlouho, než se zrychlí na svou rekordní rychlost. Brophy tyto problémy dobře zná: Podílel se na konstrukci iontového motoru na palubě sondy NASA Dawn, která právě dokončila jedenáctiletou misi k planetce Vesta a trpasličí planetě Ceres. I se svým impozantním 65metrovým rozpětím solárních článků se Dawn dostal z nuly na šedesát za neuspěchané čtyři dny.
Ion the Prize
Když Brophy uvažoval o této slepé uličce mezi účinnými motory a nedostatečnou sluneční energií, objevil se koncept Breakthrough Starshot, který mu roztočil soukolí v hlavě. Přemýšlel: Co kdybyste sluneční svit nahradili vysoce intenzivním laserovým paprskem namířeným na kosmickou loď? Iontový motor poháněný účinnějším laserem by mohl pracovat mnohem intenzivněji a zároveň by ušetřil na hmotnosti, protože by nemusel mít na palubě zdroj energie.
Dva roky po svém prozření mě Brophy provádí zkušební komorou o velikosti SUV v JPL, kde zkouší vysoce výkonný iontový motor. Jeho prototyp používá ionty lithia, které jsou mnohem lehčí než xenonové ionty používané Dawnem, a proto potřebují méně energie k dosažení vyšších rychlostí. Rovněž pracuje s napětím 6 000 V ve srovnání s napětím 1 000 V u motoru Dawn. „Výkon této věci by byl velmi překvapivý, kdybyste měli laser, který by ji napájel,“ říká.“
Je tu jen jeden drobný problém: Ten laser neexistuje. Přestože Brophy koncept Starshotu drasticky zmenšil, stále si představuje 100megawattový vesmírný laserový systém, generující 1000krát větší výkon než Mezinárodní vesmírná stanice, zaměřený přesně na rychle se vzdalující kosmickou loď. „Nejsme si jisti, jak to udělat,“ přiznává. Byl by to zdaleka největší mimozemský technický projekt, jaký byl kdy realizován. Jakmile by však byla soustava postavena, mohla by se používat opakovaně, s různými misemi, jako univerzální raketový nosič.
Jako příklad Brophy popisuje lithium-iontovou kosmickou loď s 300metrovými křídly fotovoltaických panelů, které by poháněly plnohodnotnou verzi motoru, který vyvíjí v JPL. Laser by panely zaléval světlem stokrát jasnějším než sluneční svit a udržoval by iontový motor v chodu až k Plutu, vzdálenému asi 4 miliardy kilometrů. Kosmická sonda by se pak mohla pohybovat značnou rychlostí a každý rok nebo dva urazit další 4 miliardy mil.
Takovým tempem by sonda mohla rychle prozkoumat nejasné oblasti, odkud přilétají komety, nebo se vydat k dosud neobjevené Planetě 9, nebo se vydat… téměř kamkoli v širokém okolí sluneční soustavy.
„Je to, jako bychom měli nové lesklé kladivo, a tak chodím a hledám nové hřebíky, které bych do něj zatloukl,“ říká Brophy zasněně. „Máme celý dlouhý seznam misí, které by se daly uskutečnit, kdybychom mohli letět rychle.“
Interstellar Medium Well
Po Brophyho geniální závratnosti je rozhovor s Alkalaiem, který má na starosti formulaci nových misí v JPL Engineering and Science Directorate, šokem. Sedí ve své velké prosklené kanceláři a vypadá jako nesmlouvavý administrátor, ale i on je muž s objevitelskou vizí.
Stejně jako Brophy si Alkalai myslí, že lidé z Breakthrough Starshot mají správnou vizi, ale nemají dost trpělivosti. „Nejsme zdaleka tam, kde bychom technologicky měli být, abychom mohli navrhnout misi k jiné hvězdě,“ říká. „Takže musíme začít malými krůčky.“
Alkalai má na mysli konkrétní krok. Ačkoli zatím nemůžeme navštívit jinou hvězdu, můžeme vyslat sondu, která odebere vzorky mezihvězdného prostředí, řídkého plynu a prachu, který proudí mezi hvězdami.
„Velmi mě zajímá poznání materiálu mimo sluneční soustavu. Nakonec jsme z něj vznikli. Život vznikl z těchto prvotních oblaků prachu,“ říká Alkalai. „Víme, že jsou v něm organické materiály, ale jaké? V jakém množství? Jsou v něm molekuly vody? To by bylo obrovské pochopení.“
Mezihvězdné prostředí zůstává špatně pochopeno, protože se k němu nemůžeme dostat: Neustálý příval částic ze Slunce – sluneční vítr – ho tlačí daleko od Země. Kdybychom se však dostali za hranice slunečního vlivu, do vzdálenosti 20 miliard kilometrů (asi 200násobek vzdálenosti Země od Slunce), mohli bychom konečně poprvé prozkoumat nedotčené vzorky naší domovské galaxie.
Alkalai chce odpovědi a chce vidět výsledky z první ruky. Je mu šedesát, takže si stanovil agresivní časový plán – není čas čekat na obří vesmírné lasery. Místo toho navrhuje jednodušší, i když stále nevyzkoušenou technologii známou jako solární tepelná raketa. Měla by nést velkou zásobu studeného kapalného vodíku, nějakým způsobem chráněnou před slunečním žárem, a provést šokující ponor do vzdálenosti asi 1 milionu kilometrů od slunečního povrchu. Při nejtěsnějším přiblížení by raketa nechala intenzivní sluneční teplo proudit dovnitř, třeba odhozením štítu. Sluneční energie by rychle odpařila vodík a vypustila ho z trysky rakety. Kombinovaný tlak unikajícího vodíku a pomoc vlastní sluneční gravitace by lodi umožnily vydat se na mezihvězdnou cestu rychlostí až 60 mil za sekundu, což je rychlost vyšší než u jakéhokoli lidského objektu – a od té doby se bude jen zrychlovat.
„Je to velmi náročné, ale nyní modelujeme fyziku,“ říká Alkalai. Doufá, že letos začne testovat prvky tepelného raketového systému a pak svůj koncept rozvine do reálné mise, která by mohla odstartovat zhruba v příštím desetiletí. Do mezihvězdného prostředí by se dostala až za dalších deset let. Kromě odběru vzorků z našeho galaktického prostředí by taková sonda mohla zkoumat interakci Slunce s mezihvězdným prostředím, studovat strukturu prachu ve sluneční soustavě a možná by cestou navštívila i vzdálenou trpasličí planetu.
Byla by to cesta, říká Alkalai, „jakou jsme v minulosti ještě neudělali.“
Catch A Glimpse
Solární tepelné rakety a laserové iontové motory, jakkoli působivé, jsou stále absurdně nedostatečné pro překonání obrovské propasti mezi naší sluneční soustavou a exoplanetami – planetami obíhajícími kolem jiných hvězd. Turyshev se v duchu Raketových chlapců nenechává absurditou zastavit. Vyvíjí vychytralé řešení: virtuální misi k jiné hvězdě.
Turyšev mi řekl, že chce vyslat vesmírný teleskop do oblasti známé jako sluneční gravitační čočka (SGL). Tato oblast začíná ve vzdálenosti skličujících 50 miliard kilometrů, i když je to stále stokrát blíže než naši nejbližší hvězdní sousedé. Jakmile se dostanete dostatečně daleko do SGL, stane se něco úžasného. Když se podíváte zpět ke Slunci, jakýkoli objekt přímo za ním se zdá být roztažený, tvoří prstenec a je obrovsky zvětšený. Tento prstenec je výsledkem intenzivní gravitace naší hvězdy, která deformuje prostor jako čočka a mění vzhled světla vzdáleného objektu.
Pokud se správně umístíte do SGL, zvětšený objekt zpoza Slunce by mohl být zajímavou exoplanetou. Vesmírný teleskop vznášející se v SGL, vysvětluje Turyšev, by pak mohl manévrovat, odebírat vzorky z různých částí světelného prstence a rekonstruovat útržky ohnutého světla do megapixelových snímků dotyčné planety.
Tady ho musím přerušit. Řekl megapixel, jako je rozlišení, které máš na svém telefonu s fotoaparátem? Ano, opravdu mluví o snímku o rozměrech 1 000 krát 1 000 pixelů, což je dost dobré na to, abychom viděli detaily menší než 10 mil na planetě vzdálené až 100 světelných let (600 bilionů mil!).
„Mohli bychom nahlédnout pod mraky a vidět kontinenty. Mohli jsme pozorovat vzorce počasí a topografii, což je velmi vzrušující,“ říká Turyshev. Nezmíní se o tom, ale to ani nepotřebuje:
Předpokládáme-li, že vědci z JPL dokáží vyřešit problémy s dopravou na SGL, je samotná mise poměrně jednoduchá, i když nesmírně náročná. Turyšev a jeho spolupracovníci (mezi nimi i Alkalai) budou muset vyvinout vesmírný dalekohled velikosti Hubbleova teleskopu,
nebo miniflotilu menších dalekohledů, které přežijí třicetiletou cestu. Budou muset zdokonalit palubní umělou inteligenci schopnou řídit operace bez vedení z domova. Především budou potřebovat cíl – planetu, která je natolik zajímavá, že jsou lidé ochotni utratit desítky let a miliardy dolarů za její studium. Kosmický dalekohled NASA TESS právě teď provádí část této průzkumné práce a vyhledává světy velikosti Země kolem místních hvězd.
„Abychom nakonec mohli vidět život na exoplanetě, budeme ji muset navštívit. Ale mise s gravitační čočkou umožňuje studovat potenciální cíle o mnoho desetiletí, ne-li staletí dříve,“ říká vesele Turyšev.
Cesta k SGL by nás zavedla za hranice Alkalaiových dětských krůčků, daleko na cestu k mezihvězdnému výzkumu. Je to další odvážný cíl, ale tentokrát je alespoň pravděpodobnost, že vzplane, mnohem nižší.
Corey S. Powell, redaktor časopisu Discover, píše také pro jeho blog Out There. Sledujte ho na Twitteru: Sledujte jeho webové stránky: @coreyspowell. Tento článek původně vyšel v tisku pod názvem „Boldly Go“
.
