Bolo by možné dopravovať satelity na obežnú dráhu Zeme obrovským kanónom v štýle Julesa Verna?
Hoci myšlienka dopravy satelitov na obežnú dráhu Zeme obrovským kanónom v štýle Julesa Verna znie fascinujúco a bola inšpiráciou pre mnohých autorov sci-fi (vrátane samotného H. G. Wellsa vo filme Things to Come), v skutočnosti je to mimoriadne nepraktické a prakticky nemožné s dnešnými technológiami, a to z niekoľkých kľúčových dôvodov:
Prečo kanónom nevystrelíme satelit do vesmíru?
Potrebná rýchlosť:
Pre dosiahnutie nízkej obežnej dráhy (LEO) je potrebná orbitálna rýchlosť okolo 7,8 km/s (približne 28 000 km/h).
Na únik zo zemskej gravitácie (napr. na Mesiac) by bola potrebná úniková rýchlosť okolo 11,2 km/s.
Takáto rýchlosť dosiahnutá vnútri kanóna by vyvolala extrémne vysoké gravitačné preťaženie (G-sily).
Gravitačné preťaženie (G-sily):
Aby satelit dosiahol orbitálnu rýchlosť v relatívne krátkej hlavni kanóna, zrýchlenie by bolo tisíce, ak nie desaťtisíce G.
Typická raketa dosahuje zrýchlenie okolo 3-4 G. Trénovaní astronauti znesú dočasne 5-9 G.
Žiadny satelit (a už vôbec nie človek) by nevydržal takéto preťaženie. Okamžite by sa rozpadol na kusy alebo by došlo k zlyhaniu elektroniky.
Trenie o vzduch a zahrievanie:
V atmosfére by projektil opúšťajúci kanón takouto rýchlosťou narazil na obrovský odpor vzduchu.
Trenie by okamžite vygenerovalo obrovské množstvo tepla, ktoré by satelit spálilo skôr, než by opustil atmosféru. Aj meteority horia pri oveľa menších rýchlostiach. Kanón by musel byť vo vákuu, alebo by musel vystreľovať cez vakuovaný tunel do vesmíru, čo je technicky nerealizovateľné.
Atmosféra a balistická trajektória:
Projektil vystrelený kanónom by nasledoval balistickú trajektóriu. Aby dosiahol orbitu, musel by získať nielen vertikálnu, ale aj dostatočnú horizontálnu rýchlosť, čo je pri kanóne extrémne ťažké zabezpečiť.
Aj keby prežil preťaženie a zahrievanie, jednoducho by vyletel hore a potom by spadol späť na Zem ako každý iný projektil.
Satelit potrebuje kontinuálny pohon, ktorý mu umožňuje postupne zvyšovať rýchlosť a meniť trajektóriu, aby sa udržal na orbite. Kanón poskytuje len jeden impulz.
Stabilizácia a riadenie:
Rakety majú komplexné systémy riadenia, ktoré im umožňujú korigovať dráhu a stabilizovať let. Projektil z kanóna by bol po opustení hlavne prakticky nekontrolovateľný.
Alternatívne (ale stále nedostupné) metódy:
Existujú koncepty, ktoré sa približujú myšlienke "vystrelenia", ale sú to len teoretické návrhy alebo sú určené pre menšie náklady a iné účely:
Vesmírne katapulty (Launch Loops/Space Guns): Sú to hypotetické systémy, ktoré by využívali magnetickú levitáciu alebo iné formy zrýchlenia na vypustenie nákladu do vesmíru. Aj tie by však čelili problémom s G-silami a trením o atmosféru.
Vesmírny výťah: Teoretický koncept výťahu siahajúceho z povrchu Zeme na geostacionárnu obežnú dráhu. Technologicky je extrémne náročný (potrebné sú materiály s neuveriteľnou pevnosťou), ale nevyžaduje okamžité zrýchlenie.
Zatiaľ čo predstava obrovského kanóna je romantická a inšpiratívna pre literatúru, fyzikálne zákony a obmedzenia materiálov robia túto metódu neuskutočniteľnou pre dopravu satelitov (alebo ľudí) na obežnú dráhu. Rakety sú zatiaľ najefektívnejším spôsobom, ako sa dostať do vesmíru, pretože poskytujú postupné zrýchlenie, ktoré je zvládnuteľné pre náklad aj pre ľudí.
Keď hovorím, že vesmírny výťah "nevyžaduje okamžité zrýchlenie", mám na mysli zásadný rozdiel medzi konceptom kanóna (alebo rakety) a vesmírneho výťahu v spôsobe, akým získavajú rýchlosť potrebnú na dosiahnutie obežnej dráhy.
Kanón vs. vesmírny výťah
Okamžité zrýchlenie vs. postupné zrýchlenie:
Kanón (a do istej miery aj raketa):
Cieľom kanóna je udeliť objektu okamžité zrýchlenie (alebo veľmi rýchle zrýchlenie počas krátkeho času v hlavni). Projektil musí v priebehu sekúnd (či milisekúnd) dosiahnuť obrovskú rýchlosť, aby prekonal gravitáciu a odpor vzduchu.
Toto vedie k extrémnym G-silám (preťaženiu), ktoré sú pre väčšinu nákladov (a pre ľudí už vôbec) nezvládnuteľné. Objekt by sa jednoducho rozpadol.
Problémom je aj obrovské trenie o atmosféru pri takýchto rýchlostiach, ktoré by objekt spálilo.
Vesmírny výťah:
Koncept vesmírneho výťahu je založený na veľmi pomalom a postupnom zrýchľovaní pozdĺž lana.
Výťah by sa pohyboval po kábli, ktorý je ukotvený na Zemi (na rovníku) a siaha desiatky tisíc kilometrov do vesmíru, kde je zakončený protizávažím. Tento kábel by bol udržiavaný v napätí odstredivou silou rotácie Zeme a protizávažia.
Výťahová kabína (tzv. "climber") by sa po tomto kábli pohybovala pomerne nízkou a konštantnou rýchlosťou (napríklad stovky kilometrov za hodinu, čo by znamenalo dni cesty na vrchol).
Pretože zrýchlenie je postupné a nízke, nevznikajú žiadne vysoké G-sily. Náklad ani ľudia by neboli vystavení extrémnemu preťaženiu, ktoré by ich zničilo.
Problém s trením o atmosféru by bol tiež minimalizovaný, keďže výťah by sa pohyboval pomerne pomaly v hustejších vrstvách atmosféry a získaval rýchlosť postupne s narastajúcou výškou, kde je už vzduch riedky.
Zhrnutie:
Vesmírny výťah nerieši "problém okamžitého zrýchlenia" - ale snaží sa ho úplne obísť. Namiesto toho, aby objekt vystrelil do vesmíru jedným brutálnym impulzom (ako kanón), využíva gravitáciu a rotáciu Zeme v spojení s pomalým mechanickým pohybom, aby postupne dopravil náklad na orbitu. Tým eliminuje potrebu prekonať obrovské G-sily, ktoré sú najväčšou prekážkou pre metódy okamžitého zrýchlenia.