Jak osvětlit Mars, aby byl vhodný pro život?

Až se lidstvo jednoho dne vydá na Mars, bude bojovat nejen s absencí atmosféry a nízkou gravitací, ale také s šerem. Jak udělat z Marsu dostatečně osvětlenou planetu? (délka blogu 3 min.)

Světlo na Zemi - šero na Marsu

Při porovnání osvětlení na Marsu a na Zemi musíme zohlednit nejen odlišné vzdálenosti obou planet od Slunce, ale také vlastnosti jejich oběžných drah a složení jejich atmosfér.

Slunce je na marsovském nebi menší, než na našem vlastním. Jeho úhlový průměr dosahuje přibližně dvou třetin velikosti pozorované ze Země.

Jelikož obíhá Mars podstatně dále od Slunce, dostává na horní hranici atmosféry v průměru pouze 43 procent slunečního svitu ve srovnání se Zemí. Zatímco na Zemi činí sluneční konstanta přibližně 1361 W/m2, na Marsu dosahuje v průměru okolo 590 W/m2.

Na Zemi kolísá intenzita slunečního záření během roku díky málo excentrické dráze jen o sedm procent. Dráha Marsu je ovšem výrazně eliptičtější. To způsobuje výkyvy slunečního záření během marsovského roku až o 45 procent. V nejvzdálenějším bodě dosahuje sluneční tok přibližně 490 W/m2, zatímco v nejbližším bodě stoupá k 715 W/m2.

Rozdíly se dají pozorovat také díky atmosféře. Na Zemi hustá atmosféra rozptyluje především modré světlo a vytváří modrou oblohu. Na Marsu je atmosféra velmi řídká, zato obsahuje jemný prach. Tento prach rozptyluje jiné vlnové délky slunečního světla, což způsobuje nažloutlý až růžovohnědý odstín denní oblohy a typicky modravý západ Slunce na Marsu.

Kvůli nižšímu slunečnímu příkonu a atmosférickému prachu je přirozené osvětlení na povrchu Marsu tedy znatelně slabší, než je na Zemi. V praxi to bude znamenat, že pro provoz solárních elektráren nebo vytápění bude na Marsu potřeba přibližně dvojnásobná plocha solárních panelů, než jakou bychom potřebovali na Zemi. To je samozřejmě nepříjemné. Pomohl by trik se zrcadly na oběžné dráze?

Spotřeba energie na Marsu

Až se jednoho dne lidstvo na Rudé planetě rozhodne usadit, bude mít problém s energií. Budeme muset vytápět obydlí, která budou stát v daleko mrazivějším prostředí, než jaké známe ze Země. Budeme muset tavit tamní led, abychom získali vodu a mohli si vyrobit raketové palivo. Budeme muset zároveň pohánět veškerou technologii, která život na nehostinné planetě umožní.

Vozit ze Země obrovské množství chemických baterií, nebo dokonce jaderné reaktory nebude zrovna jednoduché. Nabízí se tedy na první pohled jednoduché řešení: co kdybychom nad Mars umístili flotilu obřích vesmírných zrcadel, která by fungovala jako obří reflektory a zajistila pro lidskou osadu dodatečné množství slunečního světla?

Jedna technologie - dvojnásobný užitek

Mars by se dal osvětlit obřími zrcadly. Tato zrcadla by mohla využívat technologii solárních plachet. Solární plachta je tvořená extrémně tenkou reflexní membránou, na kterou dopadají fotony proudící ze Slunce. Když se foton odráží od zrcadla, předává mu drobný impuls síly. Tlak slunečního záření je sice velmi malý, ale ve vesmírném prostoru dokáže nepřetržitě zrychlovat i hodně velká tělesa.

Použití takových plachet by vyřešilo jeden z největších problémů kosmonautiky - potřebu velkého množství raketového paliva pro manévrování v meziplanetárním prostoru.

Projekt počítá s tím, že bude složené zrcadlo vyneseno raketou na nízkou oběžnou dráhu Země do výšky přibližně 800 kilometrů. Tady se zrcadlo rozvine a zahájí svou cestu.

Díky postupnému naklánění plachty vůči slunečním paprskům dokáže zrcadlo spirálovitě zvyšovat svou oběžnou dráhu, až se úplně vymaní z gravitačního vlivu Země.

Pak se vydá na meziplanetární cestu. Nakonec dojde k zachycení gravitací Marsu. Cesta z nízké oběžné dráhy Země na dráhu kolem Marsu trvá při plošné hmotnosti plachty 18 g/m2 přibližně 6 roků. Obrovskou výhodou je, že zrcadlo nepotřebuje žádnou složitou a těžkou technologii pro vstup do atmosféry a přistání na Marsu, protože jeho cílem zůstává oběžná dráha.

Dalším krokem bude umístění zrcadel na oběžné dráze tak, aby byla neustále k dispozici, nevstupovala do stínu planety. Vědci navrhli tzv. heliosynchronní dráhy. Jsou to vlastně polární orbity. Zrcadlo na takové dráze létá neustále podél hranice dne a noci, což znamená, že nikdy nevstupuje do stínu Marsu.

Ve studii byly analyzovány čtyři hlavní výškové úrovně těchto drah.

Tzv. nízká dráha se nachází ve výšce 508 kilometrů nad povrchem. Zrcadlo na této dráze oběhne Mars dvanáctkrát za jeden marsovský den. Z nižší výšky dokáže odražené světlo zkoncentrovat do menšího a jasnějšího bodu, ale dráha pak vyžaduje velmi přesné parametry. Střední dráhy ve výškách 741 a 1012 kilometrů nejsou tak citlivé. Vyšší dráha ve výšce 1332 kilometrů nad povrchem má tu nevýhodu, že odražený paprsek se na povrchu rozptýlí do větší plochy s nižší intenzitou osvětlení.

Udržet zrcadlo na stabilní dráze není vůbec jednoduché. Tlak slunečního záření bude neustále deformovat oběžnou dráhu. Výzkumný tým proto vyvinul speciální algoritmus řízení, který za pomoci malých palubních setrvačníků mění natočení plachty. Když zrcadlo zrovna neosvětluje základnu, nakloní se tak, aby sluneční tlak vykompenzoval předchozí odchylky a vrátil objekt na stabilní dráhu. Simulace ukázaly, že tento systém dokáže udržet stabilitu orbity až několik marsovských roků.

Cílem projektu je lokální zdvojnásobení slunečního osvětlení. K tomu samozřejmě nestačí jen jedno zrcadlo. To totiž proletí nad základnou jen dvakrát za den a osvítí ji na několik minut. Pro plynulou dodávku energie je nutné vytvořit celý systém zrcadel.

Celková reflexní plocha zrcadel na oběžné dráze bude muset dosáhnout kolem 1400 km2. Vědci navrhují systém složený z přibližně 100 000 menších čtvercových plachet o rozměrech 120 x 120 metrů. Tyto plachty by byly rozmístěny ve 185 výškových vrstvách v rozmezí od 500 do 1400 kilometrů nad povrchem.

Obrovské množství zrcadel je problematické jen na první pohled. Menší zrcadla se snadněji vyrábějí a mají zároveň menší moment setrvačnosti (snadněji se s nimi manévruje a otáčí). Musí se také zohlednit to, že se musí vejít do rakety, která je vynese na oběžnou dráhu Země.

Terraformace Marsu

Vědci vypočítali, že bez zrcadel dosahuje průměrná roční teplota v určité vybrané lokalitě jen asi -65 stupňů Celsia. S přispěním zrcadel se průměrná roční teplota zvýší na -27 stupňů Celsia. I když se to zná pořád málo, znamená to, že použití zrcadel zvýší teplotu o průměrně 38 stupňů Celsia.

V přirozených podmínkách překročí denní maximální teplota bod tání vody jen během 130 dnů z celého marsovského roku. S osvětlením z vesmíru denní maxima přesáhnou bod tání každý den. Nejnižší noční teploty navíc nikdy neklesnou pod -83 stupňů Celsia (oproti přirozeným -111 stupňům Celsia).

Použití zrcadel má ještě jednu výhodu. Zrcadla dokážou směřovat odražené světlo na základnu i v době, kdy je na povrchu noc. Solární panely na povrchu budou tedy vyrábět elektřinu neustále. Potřebná kapacita obřích úložných baterií, které musí napájet základnu v noční době, se díky tomu sníží na polovinu. Vesmírná varianta je ve srovnání s elektrárnou, která stojí na povrchu, levnější, vypočítali vědci.

Problémy projektu

Aby byl celý systém realizovatelný a plachty měly dostatečný pohon, musí plošná hmotnost zrcadla dosahovat přibližně 20 g/m2 - a to včetně konstrukce, nosných ramen, baterií a řídicí elektroniky. Pro srovnání - dnešní technologie jsou 7x těžší.

Aby zrcadlo fungovalo jako přesný optický prvek a neodráželo světlo chaoticky, musí být jeho membrána dokonale rovná. Jakékoliv drobné záhyby nebo zvlnění povrchu způsobí rozptyl paprsku a obrovské ztráty energie. Udržení vysokého napětí membrány ovšem vyžaduje pevnější a těžší nosná ramena, což zase zvyšuje celkovou hmotnost.

Provozovat systém desítek tisíc objektů na oběžné dráze Marsu přináší riziko vzniku vesmírného smetí. Pokud by u jednoho zrcadla došlo k selhání řízení, tlak slunečního záření ho na nízké dráze během několika týdnů pošle k povrchu planety. Ještě horší následky by mělo rozbití plachty při případné srážce. Nosná konstrukce by pak mohla ohrozit ostatní zrcadla a satelity.

^{Zdroje: Odkaz}