Horký vesmír a chladná atmosféra

Ve vesmíru existují oblasti, které jsou extrémně horké. Teplota plynu je v nich odhadována na tisíce nebo miliony kelvinů. Mohla by tudy prolétnout kosmická loď?

Kde se dá nalézt ve vesmíru horký plyn

Ve vesmíru se extrémně horký plyn může nacházet nejen uvnitř samotných hvězd, ale také v oblasti kolem nich. Stejně tak existuje v materiálu, který zůstává po supernovách, případně v různých řídkých oblacích mezi hvězdami.

Kromě toho se dá horký plyn nalézt i třeba v naší horní atmosféře. Ve výšce kolem 2000 km nad zemským povrchem odpovídá jeho teplota zhruba 1000 °C.

Teplota a hustota

Na první pohled je odpověď na úvodní otázku jednoduchá. Pokud je něco miliony stupňů horké, musí při průletu takovou oblastí kosmická loď okamžitě shořet. Ve skutečnosti je odpověď mnohem komplikovanější. Samotná teplota totiž nestačí.

Záleží také na tom, jak je prostředí husté, jak dlouho jím loď prochází a jaké tu panují ostatní fyzikální podmínky.

To je důvod, proč kosmická loď může ve skutečnosti proletět oblastí s velmi horkým plynem, a přesto se téměř neohřát. Ve vesmíru se totiž často setkáváme s prostředím, které je sice extrémně energetické, ale zároveň také velmi řídké. A právě řídkost rozhoduje o tom, kolik tepla se vůbec může přenést na stěny lodi.

Horký vesmírný plyn

Když se řekne horký plyn, většina lidí si představí třeba hořící oheň. Právě v tom spočívá logická chyba v našem uvažování, vycházíme totiž automaticky z fyzikálních podmínek na Zemi.

Ve vesmíru je ale situace odlišná od pozemské. Ve volném vesmírném prostoru je látka rozprostřena extrémně řídce. Mezi jednotlivými částicemi mohou být obrovské vzdálenosti.

Plyn tu může mít obrovskou teplotu, přitom ale obsahuje jen velmi malé množství částic. Teplota pak popisuje jen jejich energii, a ne to, kolik energie se nachází v daném objemu.

Když kosmická loď takovým řídkým prostředím prolétá, částice s ní sice mohou interagovat, ale děje se to relativně vzácně. Výsledný přenos tepla je proto malý. Bez častých srážek se nemůže nahromadit dostatek tepla, aby loď začala tát nebo se rozpadat.

Vstup do atmosféry

Situace se dramaticky mění, když kosmická loď vstupuje do hustšího prostředí, jakým může být třeba atmosféra planety. Tam už není prostředí řídké, ale naopak dostatečně husté na to, aby mohlo loď silně brzdit a ohřívat.

Při vysoké rychlosti se vzduch před lodí prudce stlačuje. Tím se zvyšuje jeho teplota a vzniká extrémní tepelná zátěž. To je hlavní důvod, proč musí mít návratové moduly sond a kosmické lodě tepelné štíty.

Bez tepelného štítu by loď při návratu k Zemi shořela nebo se rozpadla. Jako smutný příklad může posloužit případ raketoplánu Columbia.

Teplota versus tepelný tok

Věda o tomto jevu často mluví jako o rozdílu mezi teplotou a tepelným tokem. Teplota udává, jak energetické jsou částice, ale tepelný tok ukazuje, kolik energie skutečně proudí na povrch objektu za určitý čas.

V řídkém vesmírném plynu může být teplota obrovská, ale tepelný tok malý. V hustém plynu může být teplota nižší, ale tepelný tok tu bude zároveň díky většímu množství částic mnohem větší.

To je důvod, proč je například mezihvězdné prostředí nebo horké plazma v některých oblastech galaxie pro kosmickou loď překvapivě méně nebezpečné, než by člověk čekal. Oproti tomu představuje poměrně chladná atmosféra planety pro rychle letící objekty opravdu velký problém.

Ještě nebezpečnější než teplo...

... je ve vesmíru ovšem kosmické záření, vysokoenergetické částice, mikrometeority a prach, dlouhodobé poškozování materiálů vakuem (například samospékání kovů), různá selhání elektroniky nebo ochranných vrstev.

Kosmická loď tedy musí být navržena nejen tak, aby vydržela vnější teplo, ale i aby odolala radiaci, mechanickým nárazům a dlouhodobému působení vakua. To je jeden z důvodů, proč je technika ve vesmíru mnohem intenzivněji namáhaná a při výrobě také daleko dražší než přístroje, které používáme na Zemi.