Američtí miliardáři chtějí zachránit lidstvo před vyhynutím a jejich receptem jsou podle všeho obří rakety. Necelých čtrnáct dnů poté, co zakladatel Amazonu Jeff Bezos představil projekt obřího nosiče New Glenn, ho zakladatel firem SpaceX a Tesla Elon Musk trumfnul.
Na 67. Mezinárodním astronomickém kongresu vystoupil s prezentací „Meziplanetárního přepravního systému“ (ITS - Interplanetary Transport System), kterou můžete (pochopitelně v angličtině) celou shlédnout na YouTube. Má jít o v celé řadě ohledů opravdu špičkový a v celé další řadě ohledů přímo převratný systém spojující vícenásobně použitelný první raketový stupeň pro dopravu z povrchu Země na oběžnou dráhu a dva typy specializovaných kosmických lodí: jeden pro dopravu zhruba stovky lidí na Mars, druhý typ (odvozený od prvního) na doplňování paliva pro marsovské lodě na oběžné dráze Země.
Mírně řečeno jde o smělou představu, v mnoha ohledech navíc s velmi mlhavými rysy, zároveň však technicky velmi propracovanou. I propagační video, které Muskovu prezentaci doplnilo, nebylo jen uměleckou ilustrací, ale bylo založeno na konstrukčních plánech (tj. CAD modelech), na kterých ve firmě SpaceX už roky pracují. Těm, kdo ho ještě neviděli, doporučujeme ho přečtením článku shlédnout, získají o hodně přesnější představu, o čem se bude mluvit:
Technická úroveň projektu je podle nás důvodem věnovat se mu trochu podrobněji. Tím druhým je fakt, že Musk je vlivný a umanutý miliardář, který má evidentně vůli a možná i prostředky, aby se pokusil své utopické představy uskutečnit. Byť se to dnes může zdát velmi nepravděpodobné.
Na Mars v čtyřech krocích
Muskův marsovský plán obsahuje čtyři základní kroky, ke kterým se budeme v průběhu článku opakovaně vracet, tak si je shrňme hned na začátku. Jsou to:
- vícenásobná použitelnost zařízení, a to v plném rozsahu (nejen prvního stupně)
- doplňování paliva na oběžné dráze
- výroba paliva na Marsu
- výběr správného paliva
ITS má být jejich ztělesněním v kolosálním měřítku. Průměr prvního, motorového stupně je 12 metrů. Průměr vesmírné lodi či od ní odvozeného tankeru je 17 metrů, výška celého komplexu 122 metrů. Pro srovnání: „měsíční“ Saturn V měl výšku cca 110 metrů a byl výrazně štíhlejší. Ještě větší rozdíl je ovšem v motorových výkonech a nosnosti.
Srovnání výkonů systému ITS a (dnes už vyřazené) měsíční rakety Satrun V. Rozměry jsou si sice podobné, ale na papíře má nový systém mnohem lepší výkony - velký je rozdíl především v tahu (třetí řádek) a nosnosti (předposlední řádek tabulky).
SpaceX uvádí, že hlavní tahoun projektu, tedy první, návratový stupeň ITS, má mít maximální tah 128 000 kN. Saturn V měl tah prvního stupně 31 000 kN a plánovaný nosič Bezosovy firmy Blue Origin nazvaný New Glenn má mít v prvním stupni tah 17 000 kN. ITS má na nízkou oběžnou dráhu (LEO) vynést zhruba 300 tun v návratovém provedení a 550 tun v jednorázové verzi. Rekordní Saturn V měl nosnost cca 140 tun, plánovaný nosič firmy Blue Origin New Glenn má vynést zhruba 100 tun nákladu (hrubý a spíše optimistický odhad).
V prezentaci bylo napsáno, že jeden nosič pro ITS by mohl zvládnout tisíc startů, což je údaj, který vypadá spíše jako vystřižený za sci-fi než rozumná konstruktérská úvaha. Ale na to si v případě Muskova projektu budeme muset zvyknout.
Graf představy fungování celého systému ITS. Ze Země by měla k Marsu odstartovat na několikrát s pomocí prvního motorového stupně, který by na oběžnou dráhu vynesl jak samotnou meziplanetární loď, tak také tankery nutné k jejímu naplnění. Loď by pak doletěla k Marsu, kde by doplnila palivo a vydala se na cestu zpět. Všimněte si vpravo nahoře malé poznámky, která vypočítává, kolikrát by který prostředek v rámci systému měl být za dobu své životnosti využit: nosič 1000krát(!!), tanker 100krát, loď k Marsu 12krát.
Vícenásobná použitelnost raket je dnes v módě. Týká se zatím jen prvních stupňů jaderných nosičů (které ovšem jsou také nejdražší) a hlavním tahákem je právě snižování ceny. Cena paliva do raket je v porovnání s cenou strojů téměř zanedbatelná, a pokud by se podařilo levně a rychle po návratu připravovat části raket k dalším startům bez snižování spolehlivosti, cenové relace by to mohlo změnit zcela zásadně. Nejen Musk a Bezos, ale už i tradičnější výrobci (včetně evropského Airbusu, výrobce Ariane) se už také bojí stát stranou a tomuto tématu se také věnují, byť přece jen opatrněji.
Základní rysy prvního stupně jsou vyzkoušené z dnešní generace nosičů firmy SpaceX, raket Falcon. První stupeň urychlí náklad zhruba na rychlost 8 500 km/h, pak se (za méně než 20 minut) vrátí zpět na Zem. Na přistání by měl spotřebovat zhruba sedm procent z celkových zásob paliva na palubě. Během letu v atmosféře ho budou řídit rošty připomínající plošky v horní části stroje, jaké známe z Falconu 9.
Rozdíl, a to na pohled výrazný, by měl podle všeho být v přistání, které už nebude probíhat na velké podvozkové nohy jako na dnes používané raketě Falcon 9, ale do jakési „kolíbky“ přímo na kosmodromu. Nabízí se předpoklad, že důvodem je úspora hmotnosti. Z bezpečnostního hlediska by šlo ovšem o extrémně riskantní manévr, protože v případě nehody (a ta je při dostatečném počtu startů v podstatě nevyhnutelná) dojde k vyřazení nejen stroje, ale i nákladné infrastruktury pro jeho start.
Když jsme u startů, ty by měly probíhat z mysu Canaveral, konkrétně z rampy 39A, ze které startovalo Apollo 11 k Měsíci, a časem i možná z jiných lokalit. Takovým malým, ale zajímavým detailem je, že rampa 39A je dnes chráněnou technickou památkou, ale svými parametry pro ITS určitě stačit nebude (třeba rampa i jáma na odvádění spalin budou malé). Někdo bude muset ustoupit - buď historie, nebo Musk.
Šetření s uhlíkem
Nosič na pohled možná nevypadá revolučně, ale pod povrchem se skrývá velká technická zajímavost. Nárůst jeho výkonu oproti dnešním strojům je daný do značné míry zjednodušením a odlehčením celého systému. Klíčové je přitom využití uhlíkových vláken, která se pro stavbu nosičů dnes nepoužívají (ani SpaceX je nepoužívá). Jeden velký důvod je, že špatně snášejí nízké teploty, takže nejsou vhodné pro výrobu nádrží a dalších dílů, kterými protéká hluboce chlazené palivo (pro ty, kdo se o kosmonautiku tolik nezajímají, doplníme, že nádrže raket jsou dnes nosnou částí konstrukce, aby byla hmotnost co nejnižší, takže stavět je z jiného materiálu než zbytek trupu by znamenalo, že hmotnost se nesníží).
Musk a konstruktéři ze SpaceX se domnívají, že pokrok ve využití uhlíkových vláken to změnil, a mělo by být možné vytvořit i nádrže na chlazené palivo bez použití kovu, který by celou konstrukci učinil těžší. A zřejmě už to dokázali: prezentace obsahovala snímek prvního prototypu uhlíkové palivové nádrže pro marsovskou loď. Nádrž Musk označil za nejobtížněji zvládnutelnou část uhlíkové konstrukce, a proto prý SpaceX začal s ní.
Pohled do nitra uhlíkové nádrže na raketové palivo firmy SpaceX
Nevíme, jak dlouho už je tento díl dokončen, ale podle Muska prošel prvními zkouškami s podchlazeným palivem, které měly dopadnout velmi dobře. To bylo snad největší překvapení celé prezentace, protože jako jedno z mála už bylo hmatatelné. Uhlík by mělo být možné využít i u stávajících raket Falcon, což by mělo přinést i nárůst výkonů.
Dalším realitě skutečně poměrně blízkým prvkem v prezentaci byly i motory, které mají stroj pohánět. Mají název Raptor a jsou to motory s uzavřeným cyklem, které používají jako palivo metan a kyslík (ten je tzv. okysličovadlem samotného paliva, ale pro laiky to není až tak důležité). Raptory mají být špičkou ve své kategorii: mají mít ve spalovací komoře nejvyšší pracovní tlak a zřejmě také největší poměr hmotnosti a tahu (tj. výkonu). Pracovní tlak v komoře má být 30 MPa. Na Falconu používaný motor Merlin pracuje s tlakem 10 MPa, a „Ferrari“ mezi raketovými motory, ruský RD-180, pracuje s tlakem 26 MPa. V praxi to vede k tomu, že Raptor je zhruba podobně veliký jako Merlin, ale má zhruba třikrát tak velký tah, a to zhruba 3 000 kN. Zatím má tento motor za sebou jen první pokusný zážeh na zemi, takže nelze hodnotit, jak dobře se vývoj daří, ale papírové parametry jsou skvělé.
První stupeň má pohánět 42 těchto motorů. Mají být rozděleny do dvou skupin - sedm jich bude pohyblivých a budou sloužit k řízení přistání, zbytek bude ukotvený pevně. Pro přistání ITS je důležité i to, že nový motor Raptor by měl mít vysoce regulovatelný výkon v rozmezí 20-100 procent svého tahu (dnes to je obvykle zhruba 50 - 100 %). Aby se dosáhlo co nejlepších hodnot, palivo i okysličovadlo se budou do komory dopravovat blízko teplotě tuhnutí, aby byly co nejhustší (do spalovací komory se tak jednoduše vejde více „hořlavin“, takže výsledkem je větší výkon na stejný objem).
Konstrukční plán první stupně systému ITS s připojenou meziplanetární lodí.
Motor je také navržený tak, aby měl dobré výsledky ve vakuu (specifický impuls 382 s), protože musí odvést velkou část práce mimo zemskou atmosféru - samozřejmě hlavně na samotných „marsovských“ lodích a také specializovaných „tankerech“, které budou vozit na oběžnou dráhu palivo pro tyto lodě. O těch se mnoho nemluvilo, ale podle všeho jsou v mnoha ohledech podobné samotné marsovské lodi, a tak nám nezbývá než přejít k dalšímu plavidlu.
Lodí na Mars
Samotná kosmická loď k Marsu má mít také konstrukci z uhlíkových vláken. V přední části má být hermetizovaný nákladní prostor, a tedy i prostor pro posádku. Nápadným a z konstrukčního hlediska určitě hodně komplikovaným prvkem je velká „výhledová“ paluba (tj. velké sklo) na přídi stroje. Z technického hlediska jde o zcela zbytečnou „vychytávku“, která jen snižuje pevnost celého stroje. Její přítomnost nejspíše souvisí s tím, že Musk chce cestu na Mars podle svých slov nabízet jako atraktivní zážitek, ale určitě bychom nebyli překvapeni, kdyby tento prvek v dalších fázích vývoje zmizel.
Pod prostorem posádky má být nehermetizovaný (tj. bez atmosféry) prostor pro náklad, který může být ve vakuu, a pak už následuje velká nádrž na tekutý kyslík a další metan, za kterými leží motorová sekce. Kosmická loď bude poháněná devíti motory Raptor. Šest z nich jsou verze uzpůsobené pro vakuum (poznáte je podle toho, že mají několikanásobně větší trysku, protože to je ve vakuu účinnější) a tři ve stejné verzi, kterou používá první stupeň a mají lepší výkon v atmosféře.
Konstrukční plán meziplanetární lodi systému ITS firmy SpaceX. Velmi podobně by měly vypadat i „tankery“ pro doplňování paliva na oběžné dráze, a tak legenda popisuje zároveň i ty. Loď je zhruba 50 metrů dlouhá, a její prázdná hmotnost je 150 tun (90 tun pro tanker, který se obejde bez systémů na podporu života). Pohání ji devět motorů, které dávají celkový tah 31 000 kN, a na Mars by měla dopravit (když jí předtím na oběžné dráze několikrát doplní palivo) celkem až 450 tun náklad, včetně stovky lidí.
Loď by na Mars měla podle propočtů SpaceX dopravit maximálně 450 tun nákladu podle toho, kolikrát ji „tankery“ před cestou na oběžnou dráhu kolem Země dovezou palivo. Počet nutných doplňovacích letů bude podle prezentace tři až pět. Výhodou opakovaných startů „tankerů“ je mimo jiné i to, že je možné obsloužit meziplanetární stroj s pomocí relativně „malého“ nosiče, jehož vývoj by měl být o to méně obtížný a nákladný - a totéž se samozřejmě týká i výroby. Případná selhání menšího stroje také představují menší problém než výpadek či přímo zničení případného obřího systému.
Stejně jako první stupeň by měla i kosmická loď k Marsu přistávat „na stojáka“ s pomocí svých trysek. Přistání má ovšem probíhat poněkud jinak: po vstupu do atmosféry se totiž loď má natočit „břichem“ proti směru letu, aby ji aerodynamický odpor zabrzdil. Teprve po zpomalení má následovat otočka tryskami k zemi a přistání. Není to triviální manévr a nic podobného žádná loď (natož pilotovaná) zatím nepředvedla. K jeho obtížnosti připočtěme ještě fakt, že lodě budou alespoň v případě prvních letů přistávat na Marsu nikoliv na kosmodrom, ale na doslova panenskou marsovskou půdu.
Opominutá radiaceJe zajímavé, že Musk se v podstatě nezabýval radiační ochranou posádky během přeletu k Marsu. Loď by se měla během cesty natočit tak, aby motory, nádrže a náklad stínily posádku před škodlivou radiací od Slunce, ale jinak považuje toto nebezpečí za poměrně malé. V tom by s ním ovšem celá řada odborníků nesouhlasila. |
Loď k Marsu má být vícenásobně použitelná stejně jako zbytek systému. Musk její životnost odhadoval na zhruba 30 let, což by znamenalo, že zhruba 90-150 dnů trvající přelet může provést zhruba 12krát. Mars a Země jsou totiž ve vhodném vzájemném postavení jednou za zhruba 26 měsíců, i když jejich vzdálenost je vždy trochu jiná, a proto je délka přeletu tak variabilní.
Benzinka na Marsu
Pokud má být loď k Marsu použita vícekrát, musí na to mít palivo. Brát ho s sebou je nejen podle Muskových propočtů velmi nevýhodné, a tak se rozhodl, že jej bude vyrábět na místě.
To znamená, že pro pohon systému musí posloužit palivo, které na Marsu lze vyrábět. Ve SpaceX prý původně pracovali s představou, že by vhodným palivem pro ITS mohl být vodík s kyslíkem jako okysličovadlem, které by šlo vyrábět z marsovského vodního ledu. Nakonec ji zavrhli kvůli technickým obtížím spojeným se skladováním vodíku, který vyžaduje poměrně náročnou infrastrukturu, pokud ho chcete zachovat v kapalném stavu (vyžaduje to extrémně nízké teploty blízké absolutní nule).
Jako nejslibnější se jim nyní jeví kombinace kyslíku jako okysličovadla s metanem (CH4). Na Marsu jsou hypoteticky přítomné suroviny pro jejich výrobu, tedy vodní led a oxid uhličitý v atmosféře. Výroba bude probíhat z vytěžené vody a CO2 z atmosféry podle dnes poměrně dobře známých reakcí (elektrolýza a tzv. Sabatierova reakce pro výrobu metanu), zdrojem energie mají být fotovoltaické panely.
Když jsme u paliva, zmiňme i jednu další specialitu ITS: metan a kyslík z hlavních nádrží se budou používat i jako „palivo“ ve stabilizačních tryskách rakety, které například raketu orientují během sestupu k Zemi. Pro srovnání, například Falcon 9 používá pět pracovních látek, což by vyžadovalo vystavět na Marsu ještě o hodně komplikovanější infrastrukturu. Mimochodem, motory ITS by se měly zažehnout elektrickou jiskrou - na rozdíl od Falconu 9, který na to využívá právě jednu ze zmíněných pěti pracovních látek.
Kdo poletí a kdo to zaplatí
Když došlo na otázku financování celé výpravy, Musk na to šel s humorem. Prvním bodem jeho finančního plánu totiž bylo „nakrást spodní prádlo“. Pro ty, kdo podobně neznají důkladně seriál South Park, jde o odkaz právě na jeden díl této série. Sběr spodního prádla byl totiž první a v podstatě jediný bod kolosálně hloupého plánu tamních skřítků na zbohatnutí (celý plán byl: 1. nakrát spodní prádlo, 2. ??, 3. zisk).
Odkazy na popkulturu jsou pro Muska typické a v tomto případě jde o odkaz opravu vhodný. Jeho finanční plán je totiž velmi, velmi „mlhavý“. Když pomineme spodní prádlo, peníze na pokračování projektu mají pocházet z několika zdrojů: prvním mají být zisky SpaceX, která bude dále pokračovat v komerčních aktivitách (dopravě nákladů na ISS i jiné oběžné dráhy). Musk je také připraven vložit do podniku vlastní peníze, třeba z automobilky Tesla, a to údajně hned všechny své vlastní peníze: „Mám jediný důvod hromadit majetek, a to abych mohl financovat toto,“ řekl při prezentaci.
Vnější pohled na první exemplář nitra uhlíkové nádrže na raketové palivo firmy SpaceX
Také údajně ví, že ve soukromém sektoru je „značný zájem“ financovat základnu na Marsu. Celá akce podle něj nejspíše může proběhnout jako spolupráce mezi státem a soukromníky.
O financování projektu jsme se tedy mnoho konkrétního nedozvěděli. Snad jen to, že Musk a SpaceX zatím budou postupovat krok za krokem podle financí, aby projekt neustále, byť třeba pomalu, neustále postupoval vpřed.
Otázkou je také, kdo by vlastně letěl, kdyby se projekt podařilo uskutečnit. Musk jasnou odpověď neposkytl, ale na pohled se zdá, že chce časem oslovit „vyšší střední třídu“. Doufá totiž, že letenka časem bude natolik levná, aby byla reálně v dosahu lidí s nadprůměrnými příjmy. Není sice jasné, co tam přesně mají dělat (o marsovské kolonii prakticky nemluvil), ale má jich být hodně.
Dnešní odhady nákladů na cestu k Marsu hovoří řádově o miliardách dolarů za jednoho kosmonauta a za tu cenu jsou samozřejmě neprodejné. Musk chce letenku zlevnit o čtyři řády (desettisíckrát), tedy na úroveň stovek tisíc dolarů za jednotlivce. V prezentaci uváděl jako cílovou cenu medián ceny domu v USA, která se dnes pohybuje kolem čtvrt milionu dolarů. S tím, že nakonec by cena mohla klesnout zhruba na sto tisíc dolarů.
Letenku by si přitom podle něj měl zaplatit ideálně nejméně milion lidí. Milionová populace je totiž jeho odhad sebeudržitelnosti marsovské kolonie. A to je přesně to, co Musk chce: vytvořit nezávislou, samostatnou kolonii na jiné planetě, která by mohla přežít i v případě globální katastrofy na Zemi. Skromné cíle rozhodně nemá a takové by neměly být ani prostředky k jejich dosažení. Marsovské lodě mají mít kapacitu zhruba sto lidí, takže osidlování Marsu až na úroveň soběstačnosti by i s předpokládanými stovkami kosmických lodí by mělo podle Muskova odhadu trvat nějakých 40 až 100 let.
A jaký letopočet by se v té době mohl psát? V prezentaci se objevil údaj, že první ITS by mohl být připraven někdy kolem roku 2024, ale i vzhledem k poněkud mlhavému plánu financování tento údaj s klidným svědomím můžeme označit za velmi předběžný. Musk je velmi dobře známý svým kavalírským postojem k časovým odhadům a odklady nejsou v případě SpaceX, ani Tesly nic neobvyklého. A v tomto případě jde o projekt, který stavbu „soukromé“ rakety pro dopravu nákladu na oběžnou dráhu či úspěšného elektromobilu přesahuje. A nikdo dnes nedokáže přesně říci o kolik.
