Balónem na oběžnou dráhu

Myšlenku balónu můžeme s trochou nadsázky vystopovat až ke starému Archimédovi. Podle jeho zákona se bublina vzduchu ve vodě bude vznášet nahoru, směrem k hladině. Archimédův zákon ale nevyžaduje, aby okolní prostředí bylo kapalné. Stejně bude stoupat bublina lehkého plynu ve vzduchu. Stačí pak jen bublinu uzavřít do neprodyšného vaku, přepásat provazy, připevnit koš a balón je na světě. Jako první tento nápad realizovali bratři Montgolfierové.

Náplní byl tehdy horký vzduch, který je (byť jen nepatrně) lehčí, než vzduch studený. I tak malý rozdíl hustot při jimi určeném objemu již stačil aby se balón vznesl a vyzvedl lehčí zátěž. Horkovzdušné balóny používáme dodnes. Výhody i nevýhody jsou zřejmé. Horký vzduch se snadno a relativně levně připraví, je však přece jen poměrně těžký. Dlouho se hledaly plyny, které by vynesly balóny výše, tady plyny výrazně lehčí, než horký vzduch. Od doby Avogadra je ale známo, že (při dané teplotě a tlaku) nejlehčí plyn musí být ten, který je tvořen nejlehčími molekulami. Tím sklaplo různým podvodníkům, prodávajícím vzorce zázračně lehkých plynů. Nejlehčí plyn je bez diskuse vodík.

Je možné (alespoň principiálně) připravit nějaké lehčí médium? Teoreticky bychom mohli vodík zahřát. Horký vodík je samozřejmě lehčí, než studený, jenomže technicky vzato je proces ohřevu vodíku (musí být ohříván za letu, aby nevychladl) poměrně nebezpečnou záležitostí. Druhá cesta, jak vodík "odlehčit" je, nepoužívat molekuly vodíku H2, ale atomární vodík H(1), ten je dvakrát lehčí. Bohužel je také mnohem reaktivnější. Považujeme téměř za nemožné vodík udržet při běžných podmínkách v atomárním stavu. Sám, a velmi bouřlivě, přechází do molekulární konfigurace H2. V té však nevydrží dlouho, neboť se reakcí zahřeje na zápalnou teplotu a ihned reaguje s kyslíkem na vodu. V praxi to vypadá tak, že v jednu chvíli máme balón naplněný lehkým atomárním vodíkem a za zlomek sekundy balón přeplněný ohřívaným (vlastně rozžhaveným) vodíkem. Následná exploze pak kazí dojem z celého experimentu.

Jak tedy na to? Edisonovským řešením by bylo "naplnit" balón vakuem. Vakuum je bez diskuse to nejlehčí, co by mohlo v balónu být, pokud si nechceme vymýšlet médium se zápornou hmotností, potažmo hustotou. Taková hmota je zatím k mání pouze ve scifi románech. Balón "naplněný" vakuem musíme bohužel pokládat za marginální. K takto ideálnímu vznášedlu se můžeme v úvahách pouze přiblížit. Tlak okolní atmosféry odsoudí podobný přístroj k okamžitému kolapsu. Sestrojit dostatečně lehkou a přitom pevnou kouli, která by zachovala tvar i při podtlaku jedné atmosféry je pro současnou technologii nedostižným snem.

Nedá se nic dělat, máme-li vzlétnout a zůstat přitom se svými ideami stát pevně na zemi, musíme balón něčím naplnit. Naplnit něčím hmotným, avšak dostatečně rozpínavým aby okolní tlak balón nerozmačkal. Zároveň požadujeme hustotu menší, než má nejlehčí plyn vodík, a to pokud možno mnohanásobně. Pro naše potřeby by byl příliš těžký i ohřátý atomární vodík (i pokud bychom jej dokázali stabilizovat). Nechceme nemožné, když požadujeme něco lehčího než to nejlehčí?

Ale ne, vodík je sice nejlehčí prvek, ale není to to nejlehčí, co známe. Lehčí jsou například elektrony. Co kdybychom naplnili balón samotnými elektrony? Záporně nabité elektrony se velmi silně odpuzují. To, že se libovolná látka nerozlétne na kusy odpudivými silami mezi nimi (v každé látce jsou hojně zastoupeny) je způsobeno kompenzací kladným nábojem atomových jader. Elektrony jsou přitom, posuzováno pouze z hmotnostního hlediska, zanedbatelnou složkou. Hmotnost elektronu je přibližně dvoutisíckrát menší, než hmotnost protonu. Přitom síla, kterou působí na jiný náboj je (s přihlédnutím na jeho hmotnost a rozměry) doslova Titánská, jen těžko porovnatelná s čímkoli, co známe z běžného života. (V jádrech atomů panují samozřejmě síly mnohem větší, ale s těmi nemusíme pro jejich krátký dosah a specifický charakter počítat.)

Produkovat elektrony umíme relativně bez nesnází. Běžně to dělá například katodová trubice (nalezneme v každé klasické obrazovce). Ukazuje se, že tlak způsobený odpudivými silami elektrického náboje je úměrný čtvrté mocnině hustoty náboje. Ve skutečnosti je tato síla ještě o něco větší, protože je podpořena termickým pohybem částic. Pak se ovšem výpočet komplikuje, neboť pohybující se náboj vytváří kolem sebe magnetické pole, které zpětně ovlivňuje okolní částice. To vše je ale málo podstatné, protože dominantní silou zde je již dříve uvedené elektrické odpuzování. Stačí pak elementární výpočet a zjistíme, že hmotnost náplně balónu je téměř nulová. Přiblížili jsme se tedy k našemu ideálu, k balónu "vyplněnému" vakuem. Tentokrát ale nemáme problémy s tlakem okolního prostředí.

Vyvstávají problémy jiné. Balón naplněný záporným nábojem je v pohodě pouze do doby, kdy se začne pohybovat. Tak velký elektrický náboj, který je třeba k nafouknutí balónu vytváří při sebemenším pohybu neuvěřitelně silné magnetické pole. Pole tak silné, že v interakci s magnetickým polem Země vytváří zajímavé efekty. Při zkoušce prototypu byly až v rovníkových krajinách krátkodobě pozorovány polární záře. Byl-li zároveň balón unášen větrem na východ či západ, vzniklé magnetické pole jej nekompromisně táhlo vysokou rychlostí k jižnímu nebo severnímu magnetickému pólu (podle toho, zda primárně letěl na východ, nebo na západ).

Tento nedostatek snadno proměníme ve výhodu, vezmeme-li s sebou zařízení, kterému pracovně říkáme protináboj. Lapidárně řečeno, nejedná se o nic jiného, než o kus dielektrika nabitého opačně, než balón (tedy kladně). Protináboj získáme jednoduše, jako odpad po výrobě náboje. De facto by bylo nemožné vyrobit záporný náboj, aniž bychom nezískali protináboj. Zákon zachování celkového náboje, zdá se, platí bezezbytku.

Vzducholoď vezoucí s sebou protináboj je navenek vlastně elektricky neutrální. Nevytváří sice parazitní magnetické pole, ale stále se chová jako elektrický dipól. Při vhodné konstrukci dokážeme měnit geometrické uspořádání dipólu tak, abychom dokázali balón orientovat libovolným směrem. V praxi se to dělá tak, že je protináboj rozdělen do mnoha segmentů na obvodu gondoly a generátorem pouze distribuujeme náboj dle našich potřeb. Právě se konají pokusy s dotovaným protinábojem. Je to klasický protináboj s ochuzeným kladným nábojem (dielektrikum je dotováno elektrony, takže je celkový náboj poněkud menší, než je náboj balónu). Vzducholoď se pak chová jako asymetrický dipól. Ponechává si možnosti manévrování a magnetické pole, které pří tom vyvolává není tak mohutné, aby se nadalo zvládnout. Naopak se ukázalo, že do určité míry vzducholoď stabilizuje proti náhlým poryvům větru. Jako třešničku na dortu pak získáváme možnost laciného pohybu po směru magnetických silokřivek Země.

Jaká je teoretická výška dostupná balónem plněným elektrony? Vzhledem k zanedbatelné hmotnosti náplně bychom mohli počítat, že můžeme dosáhnout hranice atmosféry. Gondola s posádkou a obal balónu pak tuto výšku poněkud zmenšují - záleží na vzájemných poměrech mezi hmotností zátěže, objemem balónu a  hustotou okolní atmosféry. Potud teorie. V praxi ale musíme uvažovat různé fluktuace atmosféry, která ve stratosférických výškách je značně proměnná a nedá se vlastně říci, kde končí. Dlouho také nebylo jasné, jak se na náboji balónu podepíše kosmické záření a Van Allenovy radiační pásy. Nebudě tok nabitých částic balón vybíjet? Nebo se bude balón naopak nabíjet? Nebude vzducholoď driftovat od pólu k pólu, tak jako to činí nabité částice slunečního větru? Nebo naopak uvázne v jakémsi lokálním minimu a nebude se moci pohnout?

Mnoho otázek, mnoho odpovědí. Zemské magnetické pole je v těchto místech tak složité, že na každou z otázek můžeme dát na některých místech souhlasnou a na jiných zamítavou odpověď. Problematika je natolik zajímavá a využití natolik lákavé (i ekonomicky), že jsou uvolňovány nemalé finanční částky na detailní zmapování Van Allenových radiačních pásů. NASA např. pomalu upouští od dalšího vývoje nespolehlivých a drahých raketoplánů a připravuje návrh útlumového programu výroby ruských nosičů. Výzkum se směřuje hlavně na hledání nových druhů izolačních materiálů vhodných pro konstrukci balónů a protinábojů.

Energetická úspora tkví hlavně v tom, že není třeba sondu urychlovat až na první kosmickou rychlost (kterou pak zase obtížně zmenšujeme), ale stačí pouze dodat energii nutnou na vytvoření elektronové náplně balónu. Ta je rovná potenciální energii zátěže v cílové výšce. Navíc, jde o levnou elektrickou energii, kterou můžeme při sestupu rekuperovat. Když tedy nepočítáme nutné všudypřítomné ztráty, můžeme náklady na energii při dopravě nahoru a zpět považovat za nulové.

Na poli výzkumu a aplikace mohou být úspěšné i malé země. U nás se problematice věnuje nově vznikající výzkumný ústav pro magnetosférické aerostaty. Výroba balónu schopného vynést a usadit do lokálního minima ve vrchní vrstvě atmosféry družici je ekonomicky nenáročná. Na rozdíl od konvenčních družic, které musí ve výšce udržovat odstředivá síla, tedy pohyb, mohou elektronové aerostaty setrvat na jediném místě nad povrchem Země. Vidina telekomunikační družice ve výšce šedesáti kilometrů nad Prahou je tak přitažlivá, že přináší další nemalé peníze na výzkum i z jiných, dříve nečekaných stran. Start prvního kosmického balónu s telekomunikační družicí přímo z Prahy se očekává do tří let. Přeji dobrý signál.

2003, RuM