Bylo navrženo několik technologií, které jednak šetří palivo, jednak umožňují výrazně rychlejší cestování než tradiční metodika využívající Hohmannovy přenosy. Některé z nich jsou zatím jen teoretické, ale postupem času bylo několik teoretických přístupů vyzkoušeno při kosmických letech. Například mise Deep Space 1 byla úspěšným testem iontového pohonu. Tyto vylepšené technologie se obvykle zaměřují na jednu nebo více z následujících oblastí:

• Kosmické pohonné systémy s mnohem lepší úsporou paliva. Takové systémy by umožnily cestovat mnohem rychleji a zároveň udržet náklady na palivo v přijatelných mezích.
• Využití sluneční energie a využití zdrojů in-situ, aby se zabránilo nákladné přepravě součástí a paliva ze zemského povrchu proti zemské gravitaci nebo aby se tato činnost minimalizovala (viz níže „Využití mimozemských zdrojů“).
• Nové metodiky využití energie na různých místech nebo různými způsoby, které mohou zkrátit dobu dopravy nebo snížit náklady na jednotku hmotnosti kosmické dopravy

Kromě zrychlení cestování nebo snížení nákladů by taková zlepšení mohla také umožnit větší konstrukční „bezpečnostní rezervy“ tím, že by se snížila nutnost vyrábět lehčí kosmické lodě.

Vylepšené koncepce raketUpravit

Všechny raketové koncepce jsou omezeny raketovou rovnicí, která stanovuje charakteristickou dostupnou rychlost jako funkci rychlosti výfuku a poměru hmotnosti, počáteční (M0, včetně paliva) a konečné (M1, bez paliva) hmotnosti. Hlavním důsledkem je, že rychlost mise vyšší než několikanásobek rychlosti výfuku raketového motoru (vzhledem k vozidlu) se rychle stává nepraktickou.

Jaderné tepelné a sluneční tepelné raketyEdit

V jaderné tepelné raketě nebo sluneční tepelné raketě se pracovní kapalina, obvykle vodík, zahřeje na vysokou teplotu a pak expanduje přes raketovou trysku, aby vytvořila tah. Tato energie nahrazuje chemickou energii reaktivních chemických látek v tradičním raketovém motoru. Díky nízké molekulové hmotnosti, a tedy vysoké tepelné rychlosti vodíku jsou tyto motory nejméně dvakrát úspornější než chemické motory, a to i po započtení hmotnosti reaktoru.

Americká komise pro atomovou energii a NASA testovaly v letech 1959-1968 několik návrhů. Návrhy NASA byly koncipovány jako náhrada horních stupňů nosné rakety Saturn V, ale testy odhalily problémy se spolehlivostí, způsobené především vibracemi a zahříváním při provozu motorů s tak vysokým tahem. Z politických a ekologických důvodů je nepravděpodobné, že by se takový motor v dohledné době používal, protože jaderné tepelné rakety by byly nejužitečnější na zemském povrchu nebo v jeho blízkosti a následky poruchy by mohly být katastrofální. Koncepce tepelných raket na bázi štěpení jader produkují nižší rychlosti výfukových plynů než níže popsané elektrické a plazmové koncepce, a jsou proto méně atraktivním řešením. Pro aplikace vyžadující vysoký poměr tahu k hmotnosti, jako je například únik z planety, je potenciálně atraktivnější jaderný tepelný pohon.

Elektrický pohonEdit

Elektrické pohonné systémy využívají externí zdroj, jako je jaderný reaktor nebo solární články, k výrobě elektřiny, která je pak použita k urychlení chemicky inertního paliva na rychlosti mnohem vyšší, než jakých dosahují chemické rakety. Tyto pohony vytvářejí slabý tah, a proto nejsou vhodné pro rychlé manévry nebo pro start z povrchu planety. Jsou však natolik úsporné ve spotřebě reakční hmoty, že mohou nepřetržitě střílet několik dní nebo týdnů, zatímco chemické rakety spotřebovávají reakční hmotu tak rychle, že mohou střílet jen několik sekund nebo minut. Dokonce i cesta na Měsíc je dostatečně dlouhá na to, aby elektrický pohon předstihl chemickou raketu – mise Apollo trvaly 3 dny v každém směru.

NASA Deep Space One byla velmi úspěšným testem prototypu iontového pohonu, který střílel celkem 678 dní a umožnil sondě sjet kometu Borrelly, což by pro chemickou raketu bylo nemožné. Sonda Dawn, první operační (tj. netechnologická demonstrační) mise NASA, která ke svému primárnímu pohonu použila iontový pohon, úspěšně obletěla velké planetky hlavního pásu 1 Ceres a 4 Vesta. Ambicióznější verze s jaderným pohonem byla určena pro misi k Jupiteru bez lidské posádky, Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), jejíž start byl původně plánován někdy v příštím desetiletí. Kvůli změně priorit v NASA, která upřednostňovala vesmírné mise s lidskou posádkou, přišel projekt v roce 2005 o financování. V současné době se diskutuje o podobné misi jako o americké součásti společného programu NASA/ESA na průzkum Europy a Ganymedu.

Tým NASA složený z několika středisek pro posuzování technologických aplikací, vedený z Johnsonova střediska pro vesmírné lety, popsal v lednu 2011 „Nautilus-X“, koncepční studii víceúčelového kosmického průzkumného vozidla použitelného pro mise za nízkou oběžnou dráhu Země (LEO) v délce až 24 měsíců pro až šestičlennou posádku. Ačkoli je Nautilus-X přizpůsobitelný různým pohonným jednotkám pro konkrétní mise s různými konstrukcemi s nízkým tahem a vysokým specifickým impulsem (Isp), pro ilustraci je zobrazen jaderný iontově-elektrický pohon. Je určen k integraci a vyzkoušení na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) a byl by vhodný pro mise do hlubokého vesmíru z ISS na Měsíc a za něj, včetně cílů Země/Měsíc L1, Slunce/Země L2, blízkozemních asteroidů a na oběžné dráze Marsu. Obsahuje centrifugu se sníženou gravitací, která poskytuje umělou gravitaci pro zdraví posádky, aby se zmírnily účinky dlouhodobého vystavení 0g, a schopnost zmírnit radiační prostředí ve vesmíru.

Rakety poháněné štěpenímEdit

Mise s elektrickým pohonem, které již proběhly nebo jsou v současné době naplánovány, využívaly solární elektrický pohon, což omezuje jejich schopnost operovat daleko od Slunce a také omezuje jejich maximální zrychlení kvůli hmotnosti zdroje elektrické energie. Jaderně-elektrické nebo plazmové motory, pracující po dlouhou dobu při nízkém tahu a poháněné štěpnými reaktory, mohou dosáhnout mnohem vyšších rychlostí než chemicky poháněná vozidla.

Fúzní raketyEdit

Fúzní rakety, poháněné reakcemi jaderné fúze, by „spalovaly“ paliva z lehkých prvků, jako je deuterium, tritium nebo 3He. Protože při fúzi se uvolňuje asi 1 % hmotnosti jaderného paliva, je energeticky výhodnější než štěpení, při němž se uvolňuje jen asi 0,1 % hmotnosti paliva. Nicméně jak technologie štěpení, tak fúze mohou v zásadě dosáhnout rychlostí mnohem vyšších, než je potřeba pro průzkum Sluneční soustavy, a fúzní energie stále čeká na praktickou demonstraci na Zemi.

Jedním z návrhů využívajících fúzní raketu byl projekt Daedalus. Další poměrně podrobný systém vozidla, navržený a optimalizovaný pro průzkum Sluneční soustavy s posádkou, „Discovery II“, založený na reakci D3He, ale využívající jako reakční hmotu vodík, popsal tým z Glennova výzkumného střediska NASA. Dosahuje charakteristických rychlostí >300 km/s se zrychlením ~1,7-10-3 g, s počáteční hmotností lodi ~1700 metrických tun a podílem užitečného zatížení nad 10 %.

Exotický pohonEdit

V článku o pohonu kosmických lodí je popsána řada dalších technologií, které by se ve střednědobém až dlouhodobém horizontu mohly stát základem meziplanetárních misí. Na rozdíl od situace u mezihvězdných cest se překážky rychlého meziplanetárního cestování týkají spíše techniky a ekonomiky než nějaké základní fyziky.

Sluneční plachtyEdit

Sluneční plachty spoléhají na to, že světlo odražené od povrchu působí na povrch tlakem. Tlak záření je malý a klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce, ale na rozdíl od raket nepotřebují sluneční plachty žádné palivo. Tlak je sice malý, ale trvá tak dlouho, dokud Slunce svítí a plachta je nasazena.

Původní koncept spoléhal pouze na záření ze Slunce – například v povídce Arthura C. Clarka „Sunjammer“ z roku 1965. Novější návrhy lehkých plachet navrhují zvýšit tah tím, že na plachtu namíří pozemní lasery nebo masery. Pozemní lasery nebo masery mohou také pomoci kosmické lodi s lehkou plachtou zpomalit: plachta se rozdělí na vnější a vnitřní část, vnější část se posune dopředu a její tvar se mechanicky změní, aby se odražené záření soustředilo na vnitřní část, a záření soustředěné na vnitřní část působí jako brzda.

Ačkoli se většina článků o světelných plachtách zaměřuje na mezihvězdné cestování, objevilo se několik návrhů na jejich využití v rámci Sluneční soustavy.

V současné době je jedinou kosmickou lodí, která používá sluneční plachtu jako hlavní způsob pohonu, IKAROS, který vypustila JAXA 21. května 2010. Od té doby byla úspěšně nasazena a ukázalo se, že vytváří očekávané zrychlení. Mnoho běžných kosmických lodí a družic také využívá sluneční kolektory, panely pro regulaci teploty a sluneční stínítka jako lehké plachty, aby prováděly drobné korekce své polohy a oběžné dráhy bez použití paliva. Několik z nich má dokonce pro toto použití speciálně vyrobené malé sluneční plachty (například geostacionární komunikační družice Eurostar E3000 postavené společností EADS Astrium).

CykléryEdit

Je možné umístit stanice nebo kosmické lodě na dráhy, které cyklicky přechází mezi různými planetami, například cyklér na Marsu by synchronně přecházel mezi Marsem a Zemí s velmi malou spotřebou pohonných látek pro udržení trajektorie. Cykléry jsou koncepčně dobrý nápad, protože masivní radiační štíty, podpora života a další zařízení stačí umístit na trajektorii cykléru pouze jednou. Cyklér by mohl plnit několik rolí: habitat (například by se mohl otáčet a vytvářet efekt „umělé gravitace“); mateřská loď (poskytující podporu života pro posádky menších kosmických lodí, které se na něj napojí). Cyklery by také mohly být vynikajícími nákladními loděmi pro zásobování kolonie.

Vesmírný výtahUpravit

Kosmický výtah je teoretická konstrukce, která by dopravovala materiál z povrchu planety na oběžnou dráhu. Myšlenka spočívá v tom, že po dokončení nákladné práce na stavbě výtahu by bylo možné s minimálními náklady dopravit na oběžnou dráhu neomezené množství nákladu. I ty nejjednodušší konstrukce se vyhnou začarovanému kruhu startů raket z povrchu, kdy se palivo potřebné k překonání posledních 10 % vzdálenosti na oběžnou dráhu musí vynést až z povrchu, což vyžaduje ještě více paliva, a tak dále. Důmyslnější konstrukce kosmických výtahů snižují energetické náklady na jednu cestu použitím protizávaží a nejambicióznější systémy usilují o vyvážení zatížení při cestě nahoru a dolů, a tím o to, aby se energetické náklady blížily nule. Vesmírné výtahy jsou také někdy označovány jako „fazolové stěny“, „vesmírné mosty“, „vesmírné výtahy“, „vesmírné žebříky“ a „orbitální věže“.

Pozemský vesmírný výtah je mimo naše současné technologie, ačkoli lunární vesmírný výtah by teoreticky mohl být postaven s využitím stávajících materiálů.

SkyhookEdit

Nebeský hák je teoretická třída orbitálních upoutaných pohonů určených k vynášení užitečných nákladů do velkých výšek a rychlostí. Návrhy skyhooků zahrnují návrhy, které využívají lana rotující hypersonickou rychlostí pro zachycení vysokorychlostních užitečných nákladů nebo letadel ve velkých výškách a jejich vynesení na oběžnou dráhu. Kromě toho bylo navrženo, že rotující skyhook „není technicky proveditelný za použití v současnosti dostupných materiálů“.

Opakovaně použitelná nosná raketa a kosmická loďRedakce

Společnost SpaceX Starship, jejíž první start je plánován nejdříve na rok 2020, je navržena tak, aby byla plně a rychle opakovaně použitelná a využívala technologii opakovaného použití společnosti SpaceX, která byla vyvinuta v letech 2011-2018 pro nosné rakety Falcon 9 a Falcon Heavy.

Šéf společnosti SpaceX Elon Musk odhaduje, že samotná schopnost opakovaného použití jak u nosné rakety, tak u kosmické lodi spojené s lodí Starship sníží celkové systémové náklady na tunu dopravenou k Marsu nejméně o dva řády oproti tomu, čeho dříve dosahovala NASA.

Staging propellantsEdit

Při vypouštění meziplanetárních sond z povrchu Země, které nesou veškerou energii potřebnou pro dlouhotrvající misi, je množství užitečného zatížení nutně extrémně omezené kvůli omezením základní hmotnosti teoreticky popsaným rovnicí rakety. Jednou z alternativ, jak dopravit více hmoty na meziplanetární dráhy, je spotřebovat téměř všechnu pohonnou hmotu horního stupně při startu a poté doplnit pohonné hmoty na oběžné dráze Země před odpálením rakety na únikovou rychlost pro heliocentrickou dráhu. Tyto pohonné látky by mohly být skladovány na oběžné dráze ve skladu pohonných látek nebo by mohly být dopraveny na oběžnou dráhu v cisterně s pohonnými látkami, které by byly přímo přeneseny do meziplanetární kosmické lodi. Pro návrat hmoty na Zemi je příbuznou možností těžba surovin z nebeského tělesa sluneční soustavy, zušlechtění, zpracování a uskladnění reakčních produktů (pohonných hmot) na tělese sluneční soustavy do doby, než bude třeba naložit vozidlo pro start.

Přesun tankeru na oběžnou dráhuEdit

Od roku 2019 vyvíjí společnost SpaceX systém, v němž by opakovaně použitelný první stupeň dopravil meziplanetární kosmickou loď s posádkou na oběžnou dráhu Země, odpojil se, vrátil se na svou startovací rampu, kde by na něj byla namontována kosmická loď s tankerem, poté by obě natankovaly palivo a znovu odstartovaly k setkání s čekající kosmickou lodí s posádkou. Tanker by pak přečerpal palivo do kosmické lodi s lidskou posádkou, která by ho použila na své meziplanetární cestě. Loď SpaceX Starship je kosmická loď s konstrukcí z nerezové oceli poháněná šesti motory Raptor pracujícími na zhuštěný metan/kyslík. Je 55 m (180 stop) dlouhá, v nejširším místě má průměr 9 m (30 stop) a je schopna přepravit až 100 tun (220 000 liber) nákladu a cestujících na jednu cestu k Marsu, přičemž před meziplanetární částí cesty se pohonné látky doplní na oběžné dráze.

Továrna na pohonné hmoty na nebeském těleseEdit

Klíčovou součástí systému, který společnost SpaceX navrhla pro Mars, aby radikálně snížila náklady na lety do meziplanetárních destinací, je umístění a provoz fyzické továrny na Marsu, která by se starala o výrobu a skladování pohonných složek potřebných ke startu a letu hvězdných lodí zpět na Zemi, případně ke zvýšení hmotnosti, kterou lze dopravit do destinací ve vnější sluneční soustavě.

První hvězdná loď na Marsu ponese jako součást svého nákladu malou továrnu na pohonné hmoty. Továrna bude rozšiřována v průběhu několika synod, jakmile dorazí další zařízení, bude instalována a uvedena do převážně autonomní výroby.

Továrna na pohonné hmoty SpaceX využije velké zásoby oxidu uhličitého a zdrojů vody na Marsu, bude těžit vodu (H2O) z podpovrchového ledu a shromažďovat CO2 z atmosféry. Chemický závod zpracuje suroviny elektrolýzou a Sabatierovým procesem na kyslík (O2) a metan (CH4) a poté je zkapalní, aby usnadnil jejich dlouhodobé skladování a konečné využití.

Využití mimozemských zdrojůUpravit

Současná vesmírná plavidla se snaží startovat s veškerým palivem (pohonnými látkami a zásobami energie) na palubě, které budou potřebovat po celou dobu své cesty, a současné vesmírné konstrukce se zvedají ze zemského povrchu. Nezemské zdroje energie a materiálů jsou většinou mnohem dále, ale většina z nich by nevyžadovala vyzdvižení ze silného gravitačního pole, a proto by jejich využití ve vesmíru mělo být dlouhodobě mnohem levnější.

Nejdůležitějším nezemským zdrojem je energie, protože ji lze využít k přeměně nezemských materiálů na užitečné formy (z nichž některé mohou také produkovat energii). Byly navrženy přinejmenším dva základní mimozemské zdroje energie: výroba energie ze slunečního záření (nebráněného mraky), a to buď přímo pomocí slunečních článků, nebo nepřímo soustředěním slunečního záření na kotle, které vyrábějí páru pro pohon generátorů; a elektrodynamické tety, které vyrábějí elektřinu ze silných magnetických polí některých planet (Jupiter má velmi silné magnetické pole).

Vodní led by byl velmi užitečný a je rozšířen na měsících Jupiteru a Saturnu:

• Nízká gravitace těchto měsíců by z nich učinila levnější zdroj vody pro vesmírné stanice a planetární základny než její vynášení ze zemského povrchu.
• Nezemské zdroje energie by mohly být využity k elektrolyzaci vodního ledu na kyslík a vodík pro použití v bipropelentních raketových motorech.
• Jaderné tepelné rakety nebo sluneční tepelné rakety by ji mohly využít jako reakční hmotu. Pro použití v těchto motorech byl navržen také vodík, který by poskytoval mnohem větší specifický impuls (tah na kilogram reakční hmoty), ale tvrdí se, že voda předčí vodík v poměru cena/výkon, přestože má o řád nižší specifický impuls.

Kyslík je běžnou součástí měsíční kůry a pravděpodobně se hojně vyskytuje i na většině ostatních těles ve Sluneční soustavě. Mimozemský kyslík by byl cenný jako zdroj vodního ledu pouze v případě, že by se podařilo nalézt odpovídající zdroj vodíku. Možné využití:

• V systémech podpory života vesmírných lodí, vesmírných stanic a planetárních základen.
• V raketových motorech. I v případě, že další pohonná hmota musí být dopravena ze Země, mohlo by použití mimozemského kyslíku snížit náklady na vypuštění pohonné hmoty až o 2/3 v případě uhlovodíkového paliva nebo o 85 % v případě vodíku. Úspory jsou tak vysoké, protože kyslík tvoří většinu hmotnosti ve většině kombinací raketového paliva.

Naneštěstí je vodík spolu s dalšími těkavými látkami, jako je uhlík a dusík, ve vnitřní Sluneční soustavě mnohem méně hojný než kyslík.

Vědci očekávají, že na některých planetách, měsících a kometách vnější Sluneční soustavy najdou širokou škálu organických sloučenin, a rozsah možného využití je tak ještě širší. Například metan lze použít jako palivo (spalované s mimozemským kyslíkem) nebo jako surovinu pro petrochemické procesy, například pro výrobu plastů. A čpavek by mohl být cennou surovinou pro výrobu hnojiv, která by se používala v zeleninových zahradách orbitálních a planetárních základen, čímž by se snížila potřeba dopravovat na ně potraviny ze Země.

I nezpracovaná hornina může být užitečná jako raketové palivo, pokud se použijí hromadné pohony.