Skip to main content

StarTram - revolúcia v doprave na obežnú dráhu?

Kategórie:

Ani viac než polstoročie od prevratného okamihu vypustenia prvej umelej družice Zeme Sovietskym zväzom nemá ľudstvo pred sebou perspektívu masívnej expanzie do vesmíru. Preč sú časy entuziazmu, keď slovné spojenie "21. storočie" bolo synonymom doby masívnych orbitálnych miest, kozmických lodí a slnečných elektrární dodávajúcich energiu z obežnej dráhy. Hlavnou príčinou stagnácie vývoja sú neúmerne vysoké náklady na vypustenie materiálu na obežnú dráhu. A tie vďaka fyzikálnym zákonom a chemickým vlastnostiam paliva pri použití klasického chemického pohonu nemajú možnosť byť výrazne (to znamená prinajmenšom stonásobne) zrazené, a to ani pri zainteresovaní súkromného sektora. Prelom môže nastať až implementovaním nového princípu. Tých bolo navrhnutých v posledných desaťročiach viacero, avšak všetky vyžadujú netriviálny vývoj technológií či materiálov príliš vzdialených od tých súčasných, alebo neponúkajú dostatočne markantné zníženie nákladov. Jeden koncept sa však týmto handicapom do značnej miery vymyká - nesie názov StarTram.

 

Úvod

StarTram je mnohými odborníkmi považovaný za najrealistickejší súčasný koncept nízkonákladového a vysokokapacitného vypúšťania materiálu na obežnú dráhu, postavený na princípoch a technológiách známych či komerčne využívaných v súčasnosti. Potrebný dodatočný vývoj je porovnateľný s rozsahom viacerých v súčasnosti komerčne pripravovaných projektov. Ceny vynášania materiálu na obežnú dráhu chemickými nosičmi sa napriek snahe o optimalizáciu v priebehu desaťročí menia len veľmi mierne - predstavujú približne 10 tisíc dolárov na kilogram užitočného nákladu umiestneného na nízku orbitu. Ani súčasný trend presunu aktivít do súkromného sektora neprinesie dostatočne výrazný efekt - najoptimistickejšie odhady pre najekonomickejší vyvíjaný súkromný nosič Falcon Heavy od spoločnosti SpaceX sa pohybujú okolo tisíc až dvetisíc dolárov na kilogram. StarTram je schopný vypúšťať materiál za mnohonásobne nižšiu cenu - pri zarátaní kompletných nákladov na štart vrátane materiálu, energií, personálu a návratnosti investície v priebehu desiatich rokov by cena kilogramu užitočného nákladu pri navrhovanom optimálnom dizajne predstavovala 43 dolárov na kilogram. Cena v takomto rozpätí spolu s kapacitou vypúšťania viac než stotisíc ton ročne má potenciál konečne umožniť začiatok skutočnej kolonizácie vesmíru. Urobila by rentabilnými okrem mnohých iných aj projekty ako napr. konštruovanie orbitálnych solárnych elektrární, či finančne uskutočniteľnými aj hmotnostne náročné medzihviezdne automatizované prieskumné plavidlá či aktívnejšiu ochranu pred prípadným impaktom asteroidu.

Princíp

Základný princíp tohto projektu nie je vôbec nový - je ním magnetická levitácia (známa pod skratkou maglev), ktorej idea je známa už viac než storočie. Existuje viacero spôsobov levitácie, z ktorých najpraktickejšie z hľadiska aplikácií v priemysle sú dva - prvým je elektromagnetické vznášanie, založené na premennom magnetickom poli, ktoré vytvára príťažlivú silu k elektricky vodivej nosnej konštrukcii vhodného tvaru. Jej nevýhodou je nestabilita, ktorá musí byť kompenzovaná elektronickou reguláciou, a spotreba energie pre nevyhnutne prítomné elektromagnety, vďaka ktorej je obmedzená výška vznášania v praktických aplikáciách na cca 15 milimetrov. V roku 1969 však navrhla dvojica fyzikov James Powell a Gordon Danby z prestížneho Brookhaven National Laboratory (výskumné centrum, ktorého objavy boli ocenené siedmimi Nobelovými cenami) nový princíp magnetickej levitácie, tzv. elektrodynamické vznášanie, ktoré na rozdiel od pôvodnej elektromagnetickej metódy využíva na levitáciu len statické magnety (supravodivé alebo permanentné) a pohyb telesa. Pohybujúce sa teleso nesúce statické magnety vyvoláva (indukuje) v okolitej vodivej konštrukcii elektrický prúd a následne odpudivé magnetické pole, ktoré udržiava teleso vo veľmi stabilnej levitujúcej polohe. Jeho najväčšou výhodou oproti elektromagnetickej levitácii je to, že je vysoko stabilný (čo má význam pri vysokých rýchlostiach a hmotnostiach), bez vzniku vibrácii, pričom stabilita vyplýva zo samotného fyzikálneho princípu, čím odpadáva nutnosť zložitej elektroniky regulujúcej magnetické polia. Ďalšou výhodou je vyššia efektivita a väčšia výška levitácie (až 10 centimetrov) minimalizujúca riziko poškodenia vplyvom mechanických prekážok (námraza či nečistoty) na nosnej konštrukcii/trati. Nevýhodou je vytváranie dostatočnej levitačnej sily až od istej rýchlosti (niekoľko km/h), a teda potreba (zasúvateľného) podvozkového či uchytávacieho systému pre nízke rýchlosti.    

Obrázok 1: Elekrodynamický maglev spoločnosti JR東海 (JR Tōkai) prepravil na testovacej trati s prevádzkovou rýchlosťou vyše 500 km/h už viac než 80 tisíc pasažierov a drží dva rekordy v železničnej doprave - maximálnu dosiahnutú rýchlosť (581 km/h) a maximálnu rýchlosť dvoch protismerne sa míňajúcich vlakových súprav (1 026 km/h). Zdroj: Central Japan Railway Company

Oba typy magnetickej levitácie boli už uvedené do praxe - elektrodynamickú levitáciu využila japonská železničná spoločnosť JR, ktorá prevádzkuje elektrodynamický vlak na testovacej trase s dĺžkou 18,4 kilometra (ktorú v tomto období práve predlžuje na 42,8 km). Japonci sa chopili idei Powella a Danbyho a za približne dve miliardy dolárov v náročnom horskom teréne vybudovali trať pre maglev, ktorý už v prefektúre Jamanaši prepravil bez nehody viac než 80 tisíc pasažierov. Štandardná prevádzková rýchlosť presahuje 500 km/h, pričom v roku 2003 dosiahol rýchlosť 581 km/h, ktorá je dodnes neprekonaným vlakovým rekordom (prevyšujúcim aj francúzsky nemagnetický TGV).

Starší elektromagnetický typ levitácie od roku 2004 komerčne prevádzkuje na 30.5 km trati Čína - pre Šanghaj ho skonštruovali nemecké firmy za 1.33 miliardy dolárov (pozri názorné video z cesty týmto vlakom). S testovacou prevádzkou elektromagnetických maglevov majú viacročné skúsenosti aj ďalšie krajiny (najmä Nemecko s testovacím maglevom Transrapid). Viacero ďalších krajín v súčasnosti buduje vlastné magnetické trate, keďže maglev okrem rýchlosti ponúka aj výrazne nižšie prevádzkové náklady v porovnaní s klasickými rýchlovlakmi, predovšetkým vďaka absencii mechanického opotrebenia.

Jadro projektu je teda založené na reálne existujúcej a funkčnej technológii. Samozrejme, medzi cestou v magnetickom vlaku a na orbitu je ešte výrazný rozdiel. Pozrime sa spoločne, čo všetko je potrebné na to, aby sa z Maglevu stal StarTram.

Základné charakteristiky

Navrhnuté boli tri verzie/generácie StarTramu - "generácia 1" je schopná na obežnú dráhu dopraviť len materiál, "generácia 2" okrem materiálu dokáže vyniesť na orbitu aj ľudí, a "generácia 1.5" slúži ako pomocná urýchľovacia metóda pre chemický nosič. Všetky využívajú pre vysoké rýchlosti vhodnejšiu elektrodynamickú levitáciu. V tomto článku sa budeme zaoberať len generáciou 1, pretože je technologicky menej náročná, výrazne menej nákladná a teda realistickejšia a uskutočniteľnejšia než generácia druhá. A - buďme úprimní - aj keď prítomnosť človeka vo vesmíre je z dlhodobého hľadiska potrebná, v prvom rade je nutné dopravovať do kozmu veľké množstvo materiálu, keďže množstvo ďalších potrebných činností či aktivít je možné automatizovať a robotizovať. Nebudeme sa zaoberať ani generáciou 1.5, ktorá je síce technologicky jednoduchšia ako generácia 2, ale je aj menej efektívna a neposkytujúca dostatočne revolučné zníženie nákladov na dosiahnutie orbitálnej dráhy. Podrobnejšie informácie záujemca nájde v zdrojoch na konci tohto článku (anglicky).

Aké sú teda navrhované základné súčasti prvej generácie StarTramu a do akej miery ich pokrývajú súčasné technológie?

Vákuový tunel

Určite nie je potrebné zvlášť zdôrazňovať, že pre úspešné vypustenie na obežnú dráhu je nutná predovšetkým dostatočná rýchlosť, rovná minimálne prvej kozmickej rýchlosti (na povrchu Zeme nadobúdajúcej hodnotu 7,905 km/s). Rýchlosť maglevu na Zemi je limitovaná jediným faktorom - odporom vzduchu. Existujúce magnetické vlaky spotrebujú väčšinu energie na prekonanie odporu vzduchu, nie na zrýchlenie či levitáciu. Keďže rýchlosť maglevu závisí od frekvencie elektromagnetického vlnenia (na ktorom maglev akoby pláva, podobne ako surfer pláva na vrchole vlnenia vody), jeho rýchlosť vo vákuu môže dosiahnuť enormné hodnoty. Je preto prirodzené, že ak chceme zvýšiť rýchlosť, musíme vybudovať vákuový tunel, v ktorom maglev aj na Zemi dokáže dosiahnuť rýchlosť niekoľkých kilometrov za sekundu. Čína v roku 2011 už ohlásila započatie vývoja trate vákuového (resp. nízkotlakového) maglevu, ktorý by za cenu 32 miliónov USD/km trate chceli v spolupráci s americkými autormi patentu skonštruovať v priebehu desiatich rokov ako súčasť čínskych ambícií v oblasti vysokorýchlostnej dopravy.

Vnútorná konštrukcia tunela pre StarTram nebude zložitá - bude osadený dvoma sadami hliníkových prstencov, jedna sada slúžiaca na indukciu prúdu pre levitáciu, zatiaľ čo druhá sada bude vodičom pre striedavý elektrický prúd urýchľujúci vypúšťanú loď. Ani jedna z týchto sád prstencov nepotrebuje supravodivosť, postačí teplota okolitého prostredia. Straty a brzdenie spôsobené tzv. vírivými prúdmi (angl. eddy currents), ktoré sú vyvolávané pohybujúcim sa magnetickým poľom v stenách tunela, budú veľmi malé, preto môžu byť steny tunela vybudované zo štandardných vodivých materiálov (železobetón a oceľ).

Obrázok 2: Ľudstvo už s budovaním vákuových tunelov má skúsenosti, aj keď za iným účelom a s výrazne inými parametrami, aké sú potrebné pre StarTram. Na obrázku vľavo je pohľad do tunela urýchľovača častíc LHC (Large Hadron Collider), v ktorom bola vybudovaná vákuová trubica s dĺžkou 27 kilometrov. Tunel pre StarTram bude v porovnaní s trubicou LHC konštrukčne podstatne jednoduchší, bez komplikovaných supravodivých magnetov a vnútornej štruktúry (urýchľovacia trubica LHC pozostáva okrem iného z troch oddelených vákuových častí - pre zväzok častíc s objemom 150 m3, pre distribúciu chladiaceho hélia s objemom 5000 m3 a pre chladenie supravodivých magnetov s objemom 9000 m3). Bude mať aj menšie nároky na kvalitu vákua (v objeme 14 000 m3 je v LHC vákuum desaťkrát kvalitnejšie než na obežnej dráhe ISS, a v časti urýchľovacej trubice pre zväzok častíc je tlak dokonca niekoľkokrát nižší než na povrchu Mesiaca). Tunel pre StarTram však bude mať niekoľkodesaťkrát väčší objem ako celkový objem vákua v LHC. Zdroj: CERN 

Samozrejme, pri ceste na obežnú dráhu tunel nemôže viesť až priamo do kozmu, a loď musí byť vypustená skôr. Pri vstupe do atmosféry po opustení tunela nastane vďaka odporu vzduchu prudké spomaľovanie a zahrievanie povrchu lode. Intenzita týchto procesov závisí od tvaru lode (teda aerodynamického brzdenia), hustoty atmosféry a rýchlosti lode. Vyústenie vákuového tunela do atmosféry sa preto bude nachádzať vo vyšších nadmorských výškach (minimálne 4 kilometre) s nižšou hustotou atmosféry, čo sa dosiahne jeho situovaním v úbočí horského masívu. Stúpanie tunela v záverečnej fáze (výpočty ukazujú, že najefektívnejší uhol leží v rozmedzí 10 až 15 stupňov) teda bude zaistené prírodným podložím, nie budovaním výškových konštrukcií, čo výrazne znižuje náklady. Jeho prevažná časť však bude mať približne horizontálny sklon. Pre najefektívnejší navrhovaný dizajn bude potrebná dĺžka tunela zhruba 130 kilometrov, zrýchlenie lode približne 30 g (pre porovnanie - trénovaný ľudský organizmus vydrží preťaženie cca 10 g - preto je generácia 1 vhodná pre vypúšťanie materiálu, nie ľudí) a trvanie urýchľovania cca 30 sekúnd.

Ako vhodné umiestnenie tunelov sa javia odľahlé lokality s horskými masívmi, predovšetkým kvôli aerodynamickému tresku pri výstupe lode z tunela, a takisto z dôvodu bezpečnosti pre prípad jej dezintegrácie počas stúpania v atmosfére. Pre dopravu na polárne dráhy by najoptimálnejším bolo umiestnenie predovšetkým v Antarktíde, Aljaške, Grónsku alebo Kamčatke, pre rovníkové dráhy v centrálnej časti Južnej Ameriky či Afriky, avšak vhodné lokality sa nachádzajú aj v Číne a samozrejme aj ďalších krajinách. 

Vypúšťaný projektil

Projektil, či kozmická loď, ktorý sa bude vypúšťať, je podstatne jednoduchší (a teda aj lacnejší) ako chemické nosiče a bude slúžiť na jednorazové použitie.  Bude nutný len malý korekčný zdroj ťahu pre cirkularizáciu obežnej dráhy po vypustení (ak takýmto manévrovacím zdrojom nebudú vybavené samotné vypúšťané objekty). Trup v tvare jednoduchého valca so zúženou prednou časťou bude pokrytý supravodivými magnetmi ochladenými krátko pred vypustením na dostatočne nízku teplotu (aerodynamické trenie vo vákuovom tuneli nebude postačovať na zahriatie supravodičov nad ich kritickú teplotu). Predná časť projektilu bude dizajnovaná na odolnosť voči aerodynamickému zahrievaniu po opustení tunela, ktoré dosiahne podobné hodnoty ako pri dnešných kozmických prostriedkoch počas vstupu do atmosféry (cca 30 kW/cm2 na najnamáhanejšom mieste projektilu počas niekoľkých sekúnd po výstupe z tunela - pre porovnanie, pri vstupe sondy Galileo do atmosféry Jupitera sa jej aerodynamický kryt zahrieval až s intenzitou 35 kW/cm2). Vďaka jednoduchej konštrukcii bude väčšina hmotnosti projektilu užitočným nákladom - dizajnové hodnoty navrhujú efektívnu hmotnosť 40 ton, z toho bude užitočný náklad tvoriť 35 ton. Potrebná rýchlosť, ktorou bude loď opúšťať tunel, závisí od sklonu tunela, nadmorskej výšky jeho koncového ústia, a tvaru / aerodynamického odporu lode. Najefektívnejším spôsobom bude vypustiť loď o niečo väčšou rýchlosťou ako je prvá kozmická rýchlosť, pričom prebytok rýchlosti bude slúžiť na prekonanie brzdenia počas výstupu atmosférou. Pri sklone tunela 10 stupňov, ústí tunela v nadmorskej výške 6000 metrov a aerodynamickom tvare minimalizujúcom zahrievanie hrotu projektilu vychádza nutná počiatočná rýchlosť 8,78 km/s. Aerodynamické brzdenie počas niekoľkých sekúnd po opustení tunela dosiahne hodnotu 18 g (bude však prudko klesať), čo je hlboko v dosahu dnešných technológií, podobne ako preťaženie pri urýchľovaní. Uvedená hodnota rýchlosti platí pre prípad vypúšťania v blízkosti zemepisných pólov alebo v smere kolmom na zemský rovník, v prípade blízkosti rovníku je podobne ako pri chemických nosičoch vypúšťaním východným smerom možné využiť rotáciu Zeme, keďže povrch Zeme na rovníku rotuje rýchlosťou 465,1 m/s, čiže 1674,4 km/h. Pre zaujímavosť - človek vážiaci na rovníku presne 70 kg bude vďaka odstredivej sile a deformácii tvaru Zeme spôsobenej rotáciou Zeme vážiť na zemskom póle o 370 gramov viac.

Magnetohydrodynamické okno

Prirodzenou otázkou, ktorá skrsne pri predstave vákuového tunela končiaceho v atmosfére je, ako zabrániť prudkému vniknutiu atmosféry do vzduchoprázdneho tunela v okamihoch pred a po vypustení lode, keď tunel musí byť otvorený. Na to slúži tzv. magnetohydrodynamické (MHD) okno, ktoré pomocou elektrického prúdu, resp. rádiových vĺn ionizuje molekuly vzduchu snažiace sa o vniknutie do tunela. Takto ionizované molekuly vzduchu sú potom vypudzované magnetickým poľom, pričom celý proces je podporovaný klasickým ejektorom (prúdovým kompresorom). Inicializácii ionizácie napomôže céziový prášok, ktorý bude rozprášený pred ústie tunela tesne pred jeho otvorením.

Obrázok 3: Analogický princíp aký je navrhnutý pre MHD okno, čiže magnetickým poľom jednosmerne urýchľované ionizované médium, využívajú okrem MHD púmp úspešne aj niektoré typy iónových pohonov kozmických sond. Iónových pohonov existuje široká škála druhov, líšiacich sa druhom média/paliva, spôsobom jeho ionizácie a urýchľovania z trysiek. V priebehu desaťročí ich vývoja nazbierali predovšetkým sovietski, ruskí a americkí vedci a inžinieri bohaté praktické skúsenosti - iónové pohony sa na obežnej dráhe Zeme prvýkrát objavili už v roku 1964, a od roku 1971 ich intenzívne používal najmä Sovietsky zväz. Tieto skúsenosti boli v nedávnej minulosti pretavené do úspešného uplatnenia iónového pohonu aj pre medziplanetárne sondy ako napr. Deep Space 1, Hayabusa, či Dawn. Na rok 2012 sa pripravuje aplikácia aj pre medzinárodnú vesmírnu stanicu ISS, ktorá by tým ušetrila približne 200 miliónov dolárov ročne potrebných na korekcie dráhy chemickými motormi. Na obrázku vidíme elektrostatický iónový pohon NEXIS vyvíjaný pre (dnes už zrušený) projekt sondy JIMO k Jupiteru. Zdroj: NASA, Jet Propulsion Laboratory

Opäť nejde o žiadnu novú či sci-fi technológiu, MHD okno bude slúžiť ako MHD pumpa, ktorá sa dnes bežne používa napr. pri chladení jadrových reaktorov tekutým kovom v atómových ponorkách a niektorých elektrárňach. Ako zaujímavosť si uveďme, že MHD pumpy boli dokonca použité ako unikátny druh pohonu plavidiel operujúcich bez akýchkoľvek pohyblivých častí (vrátane lodnej skrutky, a teda bez akéhokoľvek hluku) - firma Mitsubishi vyrobila funkčnú loď s MHD pohonom, ktorý ako médium používa slanú morskú vodu (vďaka limitovanej slanosti morskej vody však tento pohon lodi zabezpečil maximálnu rýchlosť len 15 km/h, a preto zatiaľ nenašiel širšie uplatnenie). Funkčné MHD okno bolo za účelom separácie vákua v časticovom urýchľovači prvýkrát vyvinuté a patentované na Brookhaven National Laboratory v roku 1995, pod názvom "plazmatické okno". Experimenty ukázali, že spotreba energie na vytvorenie kruhového plazmatického okna je necelých 8 kW na jeden centimeter priemeru. MHD okno pre StarTram s priemerom približne 3 metrov teda spotrebuje menej než 2,5 MW, čo je hlboko v možnostiach súčasnej techniky. Navyše, MHD okno bude aktívne len tesne pred a po štarte, zvyšný čas bude koniec tunela zaizolovaný mechanickým uzáverom.

Zdroj energie

Najväčšou výzvou v celom projekte bude zabezpečenie dostatočne veľkého množstva elektrickej energie dodanej v dostatočne krátkom čase. Dizajnovaný príkon bude predstavovať desiatky gigawattov dodávaných počas niekoľkých desiatok sekúnd, s najvyššou hodnotou rovnou cca 100 GW počas niekoľkých sekúnd. Takéto hodnoty nie sú dnes v priemysle používané, a konvenčné elektrárne ich nedokážu zabezpečiť. Autori zvažovali viacero ekonomicky rentabilných možností, z ktorých najrealizovateľnejším je použitie tzv. supravodivých magnetických zásobníkov energie (SMES). Tie sa dnes už komerčne používajú, pričom ich princíp nie je zložitý - v supravodiči cyklického tvaru prúdi elektrický prúd, ktorý je vďaka supravodivosti uchovávaný bez strát. Účinnosť SMES je jedna z najvyšších, aké zásobníky akéhokoľvek druhu poskytujú (späť do siete dodávajú až 95% vloženej energie, pričom straty sú spôsobené len konverziou striedavého na jednosmerný prúd a vice versa). Pre projekt StarTram bude potrebné skonštruovať veľké SMES, keďže kapacita dnes používaných SMES je pre projekt nedostatočná. Z technologického hľadiska však nie je známa žiadna prekážka zabraňujúca zväčšeniu rozmerov dnešných supravodivých zásobníkov energie, aby dosiahli potrebnú kapacitu a výkon.

Obrázok 4: Jeden z najväčších komerčne využívaných supravodivých magnetických zásobníkov energie (SMES) na svete s výkonom 10 MW je inštalovaný v továrni Kameyama na výrobu LCD televízorov firmy Sharp v Japonsku. Slúži predovšetkým na uchovávanie energie získanej solárnymi článkami, ktoré továreň používa ako jeden zo zdrojov energie. SMES uchovávajú energiu nie v chemických reakciách, ale v magnetickom poli. Vďaka veľmi vysokej účinnosti (výrazne vyššej ako napr. pri prečerpávacích hydroelektrárňach či chemických batériách), prakticky neobmedzenej dobe skladovania energie, neobmedzenému počtu cyklov nabíjania/vybíjania, flexibilite ich umiestnenia a klesajúcim cenám supravodičov sú perspektívnou technológiou napr. aj pre skladovanie energie zo solárnych a veterných zdrojov, produkujúcich energiu nárazovo a nerovnomerne. Zdroj: www.sharp-world.com

Pre StarTram bude postačujúcich šesťdesiat SMES s priemerom 250 metrov (40 bude aktívnych a 20 bude v zálohe), ktorých výroba by pri súčasných komerčných cenách supravodičov (ktoré rýchlo klesajú) stála približne jednu miliardu dolárov. Dĺžka supravodičov v nich bude menšia než celková dĺžka supravodičov v urýchľovači častíc LHC (kde ich je  použitých až 1200 ton), pričom SMES sú svojou štruktúrou a inštalačnou náročnosťou podstatne jednoduchšie.

Z pohľadu nákladov bude najdrahšou časťou projektu zabezpečenie konverzie jednosmerného prúdu uskladneného v SMES na striedavý prúd nevyhnutne potrebný pre urýchľovanie. Tento proces je jednoduchý a dobre technologicky zvládnutý, avšak na zabezpečenie potrebného výkonu v krátkom čase bude potrebné veľké množstvo paralelných elektronických súčiastok, ktorých celková cena skonzumuje polovicu nákladov celého projektu - 10 miliárd dolárov.

Chladiaci systém

Prekvapujúco bude chladiaci systém tvoriť len malú časť nákladov a je technologicky veľmi dobre zvládnutý. Chladenie budú vyžadovať supravodivé zdroje energie a jednorazovo pred štartom aj supravodiče na vypúšťanej lodi. Pri dodržaní štandardných dnes používaných spôsobov tepelnej izolácie bude výkon potrebný na chladenie celého systému rovný zhruba 2,5 MW, a to aj bez použitia vysokoteplotných supravodičov. Z technologického hľadiska nebude vyžadovať žiadne náročné prispôsobenia.

Optimálne parametre projektu

Nasledujúca tabuľka sumarizuje návrh najefektívnejších hodnôt parametrov projektu. Podrobnejšie údaje (vrátane hodnôt pre viacero alternatív, nielen najoptimálnejšej, ktorú tu uvádzame) sú k dispozícii v zdrojoch na konci tohto článku.

Parameter Hodnota
 Priemer vypúšťanej lode  2 m
 Dĺžka lode  13 m
 Celková váha lode  40 ton
 Hmotnosť užitočného nákladu  35 ton
 Zrýchlenie vypúšťanej lode  30 g (~300 m/s2)
 Rýchlosť vypustenia  8,78 km/s
 Nadmorská výška vstupu do atmosféry  6000 m
 Uhol vypustenia  10°
 Dĺžka vákuového tunela  130 km
 Koeficient aerodynamického odporu  0,09
 Brzdenie pri vstupe do atmosféry  18 g (~180 m/s2)
 Zahrievanie nosu lode pri vstupe do atmosféry  30 kW/cm2
 Strata rýchlosti vplyvom aerodynamického odporu  780 m/s
 Frekvencia štartov  10 za deň
 Kapacita vynášania na obežnú dráhu  128 tisíc ton ročne
 Priemerná spotreba energie  210 MW(e)
 Elektrická energia na jeden štart  1540 GJ(e)
 Trvanie zrýchľovania  30 sekúnd
 Počet supravodivých zásobníkov energie  40
 Odhadované náklady na vývoj komponent projektu  10 miliárd USD
 Celkové náklady na výstavbu (mimo vývoja)
 19,25 miliárd USD
 Cena elektrickej energie spotrebovanej na vynesenie materiálu  ~1 USD/kg
 Celková cena vynesenia materiálu na nízku obežnú dráhu
 43 USD/kg

 

Najväčšie výzvy

Ani japonský magnetický vlak sa nezaobišiel bez technologického vývoja, ktorý ho presunul z roviny vedeckých článkov a skíc do reality. Podobne aj StarTram si vyžaduje vývoj. Pre ucelenosť si zhrňme jeho čiastočne už zmienené najnáročnejšie body:

  • zväčšenie kapacity SMES zásobníkov energie. Dnešné experimentálne SMES sú dimenzované na dodávanie maximálne 400 MW(e) počas doby sto sekúnd, StarTram bude potrebovať SMES s trojnásobne kratším časom vybíjania a približne päťkrát vyššou kapacitou (v závislosti od počtu použitých SMES). Nie sú však známe žiadne technologické obmedzenia, ktoré by takýto krok znemožňovali, nevynímajúc obmedzenia dané maximálnym prúdom a intenzitou magnetického poľa, zdravotnými účinkami silných magnetických polí, či výrobou dlhých supravodičov, ktorými sa SMES vyznačujú.
  • konverzia enormného jednosmerného prúdu (DC) na striedavý prúd (AC). Technológia tohto procesu je dobre zvládnutá a široko používaná (od súčiastok v PC, cez klimatizácie, pohon lokomotív a prenos elektrickej energie z niektorých elektrární až po hybridné automobily ako napr. Toyota Prius), náročná však bude paralelizácia veľkého počtu súčiastok nutná pre zvládnutie konverzie veľkého výkonu. Existujúce invertory vysokonapäťových prenosových sústav elektrární sú však už schopné konverzie výkonov niekoľkých gigawattov, takže pre StarTram nepôjde ani tak o technologickú ako skôr finančnú výzvu.
  • magnetohydrodynamické okno. MHD okno malého priemeru bolo doposiaľ použité v časticových urýchľovačoch na oddelenie vákua od okolitej atmosféry. Projekt StarTram vyžaduje okno väčšieho priemeru vytvorené na krátky čas, pričom experimenty ukázali, že okno je stabilné a  jeho priemer závisí len od použitej energie elektrického a magnetického poľa.  Vývoj MHD okna je teda otázkou hľadania najvhodnejšieho a najefektívnejšieho dizajnu, nie technologického objavu.
  • zabezpečenie dostatočného zrýchlenia. Dnešné magnetické vlaky nepoužívajú z dôvodov pohodlia pasažierov zrýchlenie intenzívnejšie než 0,2 g. Toto obmedzenie je však čisto praktické, keďže pri dostatočnom príkone je zrýchlenie dané len zmenou frekvencie elektromagnetického poľa. Elektromagnetický spôsob urýchlenia už v sedemdesiatych rokoch minulého storočia experimentálne úspešne demonštroval schopnosť dosiahnuť zrýchlenie projektilu 30 g (zariadenie elektromagnetického katapultu pod názvom Mass Driver 1 bolo skonštruované na Massachussetts Institute of Technology a nezahŕňalo magnetickú levitáciu).

Napriek tomu, že žiaden z uvedených bodov nepredstavuje neprekonateľnú prekážku, tak nie je vylúčené, že vďaka pokračujúcemu vývoju rôznych druhov zásobníkov energie motivovanému ich rozsiahlym komerčným využitím sa riešenie prvých dvoch výziev výrazne zjednoduší.  Ako príklad uveďme v roku 2010 vypracovaný seriózny koncept gravitačných hydro-zásobníkov energie, ktorých kapacita, výkon a náklady by mohli byť pre StarTram dostatočné, pričom sú založené na existujúcich technológiách a produkujú priamo striedavý prúd bez potreby konverzie. V takom prípade by náklady na StarTram klesli o niekoľko miliárd dolárov.    

StarTram v kontexte

Najdôležitejším faktom, ktorý StarTram generáciu 1 odlišuje od alternatívnych radikálne nízkonákladových konceptov dopravy na obežnú dráhu, je teda jeho blízkosť existujúcim technológiám. I keď cieľom tohto článku nie je popis ďalších prístupov, v rámci objektivity a pohľadu v širšom kontexte stručne porovnajme StarTram s najserióznejšími a vedecko-technologickou obcou akceptovanými a rešpektovanými konkurenčnými konceptmi.

Najznámejší a nádejný je predovšetkým návrh vesmírneho výťahu (viď štúdiu NASA, článok v slovenčine a aktuálny stav diania), ktorý by bol napr. na Mesiaci uskutočniteľný už aj so súčasnými materiálmi. Jeho realizáciu na Zemi však hatí potreba netriviálneho výskumu a vývoja nosného lana, ktorého materiál (uhlíkové nanotrubičky) spĺňa požiadavky pevnosti v ťahu zatiaľ len teoreticky. Potrebou ešte rozsiahlejšieho vývoja a výskumu sa vyznačujú aj ďalšie originálne koncepty ako napr. Lofstromova slučka, orbitálny prstenec, vesmírna fontána či slingatron, ktorých technologická uskutočniteľnosť je výrazne vzdialenejšia než realizovateľnosť StarTram generácie 1, dokonca vzdialenejšia či porovnateľná s realizovateľnosťou StarTram generácie 2. Od týchto konceptov (s výnimkou slingatronu) sa StarTram odlišuje aj absenciou makroskopických štruktúr mimo zemského povrchu, a teda výrazne menej komplikovanou a nákladnou údržbou.

Existujú aj prístupy bližšie dnešným technológiám, tie však neponúkajú dostatočne výrazné zníženie nákladov na dosiahnutie obežnej dráhy - napr. laserový pohon, vesmírne delo, náporový urýchľovač (ram accelator) či hybridné magneticko-chemické pohony nie sú schopné efektívne znížiť cenu pod približne 500 USD na kilogram, a to ani za asistencie nádejných (a čiastočne experimentálne testovaných) pomocných technológií využívajúcich rôzne formy vesmírneho lana (space tether). Navyše prepravná kapacita týchto prístupov je nižšia než umožňuje StarTram.

Pravdepodobne najrealistickejším konkurentom StarTramu je "sesterský" koncept založený rovnako na princípe magnetickej levitácie -  magnetický kruhový urýchľovač (viď štúdiu a príspevky z odborných konferencií: 1, 2). Ten na rozdiel od StarTramu vďaka kruhovému tvaru nepotrebuje veľké množstvo elektrickej energie poskytnutej v krátkom čase (a teda odpadá aj problém  masívnej konverzie jednosmerného na striedavý elektrický prúd), jeho vákuový tunel je výrazne kratší, a veľkou výhodou sú aj podstatne nižšie náklady na jeho skonštruovanie - odhady sa pohybujú okolo 0,5  miliardy USD, čiže 20 krát menej než cena StarTramu. Avšak tieto pozitíva sú sprevádzané aj nevýhodami - užitočný náklad projektilu nebude môcť prekročiť 600 kg, prejaviac sa v mierne vyššej cene na kilogram (ktorá pravdepodobne neklesne pod 100 USD, čo je však stále veľmi priaznivá hodnota). Projektil tiež bude musieť mať malý priemer, a v neposlednom rade bude nevyhnutná odolnosť vypúšťaného nákladu voči odstredivému preťaženiu najmenej 2000 g. Pre odolné materiály (v zbraniach sa dnes napr. používa elektronika odolná voči preťaženiu až 10 000 g) však predstavuje aj tento koncept nádejný smer vývoja.

V prípade hlbšieho záujmu môže čitateľ  ako štartovací bod pre podrobnejšie informácie o nekonvenčných spôsoboch dopravy na orbitálnu dráhu a ich vzájomnom porovnaní využiť aj napr. pomerne komplexný prehľadový článok a v ňom obsiahnuté referencie.

 

Praktické aplikácie

S najväčšiu pravdepodobnosťou nie je nutné pripomínať, aké nové horizonty skúmania a dobývania vesmíru by znamenalo drastické zníženie nákladov dopravy materiálu na obežnú dráhu. Nebudeme teda čitateľa zdržovať zbytočným snívaním o veľkých teleskopoch či medzihviezdnych sondách, ktoré by lacné dosiahnutie obežnej dráhy prinieslo. Spomeňme si však aspoň jednu veľmi praktickú aplikáciu (keďže nemalá investícia, ktorú si projekt vyžaduje, bude v dnešnej spoločnosti realistická predovšetkým pokiaľ bude existovať praktická aplikácia prinášajúca zisk). S najväčšou pravdepodobnosťou ňou budú orbitálne solárne elektrárne. S využitím chemických nosičov by vynesenie solárnych článkov pre jednu solárnu elektráreň pri súčasných cenách elektrickej energie a efektivite solárnych článkov investora vyšlo na najmenej 100 tisíc dolárov na vyrobenú kilowatthodinu. Keďže fosílne či jadrové elektrárne majú náklady na výstavbu zhruba 3 tisíc USD/kW, je zjavné, prečo dnes o orbitálnych elektrárňach nikto reálne ani len neuvažuje. Avšak pri stonásobnej redukcii cien dopravy sa už orbitálne elektrárne stávajú atraktívnymi a rentabilnými projektmi, a to aj pri zachovaní dnešnej účinnosti solárnych článkov a pri započítaní dodatočného urýchlenia, ktoré si vyžaduje doprava z nízkej obežnej dráhy (pre ktorú je optimalizovaný StarTram) na geostacionárnu dráhu potrebnú pre orbitálne elektrárne. Nie je potrebná ani prítomnosť ľudí pri ich budovaní - už dnes existujú praktické koncepty automatického umiestňovania veľkorozmerových štruktúr na obežnej dráhe, napr. prostredníctvom tzv. MIC prístupu (Magnetically Inflated Cables; pre záujemcov odporúčame stručný abstrakt alebo priamo full-text kvalitnej a podrobnej vedeckej štúdie tohto konceptu), či možnosti diaľkového ovládania robotov (využívané napr. pri chirurgických zákrokoch na diaľku).

Vyhliadky a záver

Napriek racionálnemu jadru, z ktorého sa dá vychádzať, je technologický vývoj (podobne ako história ľudstva) len ťažko predpovedateľný, predovšetkým vďaka do veľkej miery náhodným a nesystematickým politickým či ekonomickým vstupným parametrom. Blízkosť súčasným technológiám, ani potenciálne praktické aplikácie ešte nie sú zárukou realizácie a odôvodnenia značných nákladov, aj keď sú ich najlepším logickým predpokladom. V každom prípade však koncept elektrodynamického dosiahnutia orbitálnej dráhy predstavuje s najväčšou pravdepodobnosťou najschodnejšiu cestu, ktorou sa dá dosiahnuť radikálne zníženie nákladov vypúšťania veľkého množstva materiálu (a v neskoršej fáze pravdepodobne aj ľudí) na obežnú dráhu. Základný koncept StarTramu (približne ekvivalentný generácii 2 aktuálneho konceptu) bol prvýkrát prezentovaný a patentovaný jeho autormi už v roku 2001, pričom NASA počas predchádzajúcej dekády testovala použitie maglevu ako dodatočného urýchlenia primárne chemicky poháňaného nosiča. Výskumné laboratóriá amerického ministerstva energetiky Sandia National Laboratories (vlastnené korporáciou Lockheed Martin) zaoberajúce sa popri národnej bezpečnosti a vývoji v oblasti jadrových zbraní aj širokou škálou technologického výskumu, v roku 2005 potvrdili celkovú uskutočniteľnosť a realistickosť odhadu nákladov pôvodného konceptu. Bude teda zaujímavé sledovať, či sa podobne ako v prípade japonského magnetického vlaku s aktuálne vylepšeným konceptom odborníkov stotožnia vlády, súkromné firmy či medzinárodné spoločenstvo a pretavia ho za cenu zhruba dvojtýždňového rozpočtu americkej armády do reality. Ak by sa tak stalo, otvorí sa ľudstvu konečne ekonomicky rentabilná cesta do vesmíru - cesta, ktorá môže súčasnú civilizáciu posunúť ďalej v evolučnom vývoji a z dlhodobého hľadiska zamedziť stagnácii či dokonca možno degenerácii druhu Homo Sapiens na malom izolovanom kúsku hmoty, na ktorom existuje. Prirodzenou vlastnosťou života - ľudskú civilizáciu nevynímajúc - je predsa snaha o rozšírenie sa do všetkých dostupných prostredí.

Nechajme sa prekvapiť, či žijeme v tom význačnom okamihu už približne štyri miliardy rokov trvajúcej evolúcie pozemského života, v ktorom sa táto pozoruhodná entropiu znižujúca forma hmoty dokáže masívne a cielene začať šíriť aj mimo svojho pôvodného planetárneho habitatu. 
 

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D

Primárne zdroje (anglicky; mimo hypertextov použitých priamo v článku):

StarTram 2010 (pdf, február 2010)
Frequently Asked Questions About StarTram (pdf, február 2011)
www.startram.com
MagLev - wikipedia (a sekundárne zdroje uvedené v referenciách článku)
StarTram - wikipedia

Your rating: Žiadna Average: 4.8 (40 votes)