Jak je těžko v beztíži/ Země se vzdaluje od Slunce

4. září 2009 instalovali astronauti na Mezinárodní kosmickou stanici ISS novou nádrž na tekutý amoniak. Víc než osmisetkilogramová nádrž, která je součástí termoregulačního systému stanice, byla údajně nejtěžším břemenem, s jakým kdy astronauti při výstupu do volného kosmu pracovali... Co je na tom, řeknete si možná - na oběžné dráze je přeci stav beztíže. Jenže takhle snadné to není. Manipulace s těžkými břemeny není ani na oběžné dráze jednoduchá; možná je dokonce složitější, než tady dole, na Zemi. Stav beztíže totiž pochopitelně břemena jejich hmotnosti nezbavuje. Povídali jsme si o tom s Antonínem Vítkem, odborníkem na kosmonautiku z Akademie věd České republiky. Jak to tedy s břemeny na orbitě vlastně je?

Antonín Vítek: Ve vesmíru existuje stav beztíže, ale fyzikální tělesa mají stále svou hmotnost a mají-li hmotnost, mají i setrvačnost. To znamená, že když chcete uvést nějaké těžké těleso do pohybu, tak jste asi v takové situaci jako ti siláci, kteří držíce v zubech provaz roztáhnou třeba dvacetitunový železniční vagon nebo kamion. Je to přesně to samé. Musíte být samozřejmě pevně ukotven a pak můžete hnout v podstatě libovolně těžkým (správně řečeno hmotným) tělesem. Ale čím bude hmotnější, tím pomaleji mu budete udílet nějaký pohyb. A stejně pomalu ho budete zastavovat, takže kdybyste se, nedej Pánbůh, dostali mezi ten předmět a nějakou konstrukci stanice, tak vás to může asi tak zdeformovat a zranit, jako když se budete snažit před nárazníkem zastavit železniční vagon. Přestože pojede po rovině a strašně pomalu, tak vás stejně rozmačká. Naštěstí, pokud se to dělá venku mimo stanici (uvnitř stanice velká tělesa v podstatě nejsou), astronauti mají k dispozici manipulátory, takzvané kanadské paže. Velká kanadská paže, která je ve výbavě stanice, je schopna přemístit, to znamená uvést do pohybu a zase zastavit, těleso o hmotnosti až 120 tun. Malý robotický manipulátor, kterým je vybaven raketoplán, je schopen manipulovat zhruba s dvacetitunovými předměty. Takže k přemístění nějakého břemena o hmotnosti řádově stovek kilogramů skutečně stačí použít těch manipulátorů, které fungují přibližně jako jeřáby.

Říkal jste, že stačí, aby byl astronaut pevně ukotven, a pak že pohne poměrně těžkým břemenem. Je to ale opravdu pevné ukotvení, pokud je astronaut ukotven na povrchu vesmírné stanice, která sama nijak pevně v prostoru ukotvena není?

Antonín Vítek: Samozřejmě, ale tady jde zase o to, že v současné době ta stanice, když je k ní připojen raketoplán, má nějakých plus minus 400 tun. Když hýbáte nějakým tělesem, které má 400 kilogramů, tak to je tisíckrát lehčí a podle zákona zachování impulsu těžiště zůstává na jednom místě. To znamená, že když udělíte tomu čtyřsetkilogramovému tělesu rychlost, řekněme, jednoho centimetru za sekundu, tak tu stanici odstrčíte opačným směrem tisíckrát pomalejší rychlostí zhruba setiny milimetru za sekundu. V tom je celý problém, který už znal i Archimédes.

Vraťme se ještě k manipulátorům, které astronauti na oběžné dráze používají. Jak vlastně vypadají, kde a jak jsou upevněny a jak se s nimi pracuje?

Antonín Vítek: Manipulátor raketoplánu je jedním koncem ukotven v nákladovém prostoru. Má čtyři klouby - ramenní kloub, loketní kloub a dva zápěstní klouby, které umožňují manipulaci podobnou práci rukou. To všechno se ovládá pomocí počítačů, které jsou uloženy v raketoplánu a které využívají, kromě jiného, optického navádění pomocí jakýchsi "patníků", rozmístěných na stanici. Co se týče velkého manipulátoru stanice, tak ten je symetrický. Na obou koncích má úchopové zařízení, které je připojeno dvojitým zápěstním kloubem ke dvěma prostředním tyčím spojeným loketním kloubem. Velký manipulátor nemá vůbec ramenní kloub, ale po celé stanici je rozmístěna řada kotvicích míst, která se jmenují PDGF (Power and Data Grapple Fixtures), a na ně se může libovolným koncem připojit. Tím se připojí jednak na dodávku elektrické energie a jednak na datové a povelové linky. Druhý konec může uvolnit. Tímto způsobem může jako píďalka kráčet od jednoho PDGF k druhému a pohybovat se po celém povrchu amerického segmentu stanice. Kromě toho je na příčném dlouhém rameni kolejová dráha, na které může jezdit takzvaná mobilní základna. Na té mobilní základně jsou dokonce čtyři PDGF a ještě takový další pomocný minimanipulátor; tenhleten vozík se může postavit do libovolné ze sedmi pozic na té dráze. Dokonce může udělat tu věc, že dojede na konec příčného ramene, tam volným koncem chytne například nějaký modul, zvedne ho a přejede s ním jako pojízdný jeřáb na druhý konec pojezdové dráhy. Tam se zabrzdí, zacvakne, připojí se na systémy stanice a zase se dá ovládat zevnitř; pak se připevní ten modul, který takto přejel z jedné strany stanice na druhou. Takhle se třeba stěhovaly i sluneční baterie, které byly původně jinde, než jsou teď. Kromě toho mají na ruském segmentu stanice ještě ruční minijeřábek, který je ovládaný dvěma klikami. Má teleskopické rameno, které může vysouvat a zasouvat; může se zvedat nahoru, otáčet se kolem dokola a tak dále. Dá se také přemístit z místa na místo, ale to je trochu složitější. Navíc je tam ještě jeden malý manipulátor, který má japonský modul Kibo. Ten slouží k tomu, aby astronauti z laboratoře Kibo mohli ovládat vědecké experimenty, které mají na vnější plošině, které říkají "veranda".

Tak se to tedy má s břemeny a jejich přemisťováním na oběžné dráze kolem Země. Všechny podstatné informace nám o tom prozradil Antonín Vítek z Akademie věd České republiky...

Slunce na snímku z družice SOHO|foto: NASA

A ještě jedna "kosmická" zajímavost - tentokrát o podstatně větších tělesech, než jsou moduly orbitální stanice... Dráha naší planety není tak stabilní, jak se dřív myslelo. Země neobíhá kolem Slunce v neměnné a dlouhodobě zafixované vzdálenosti. Ve skutečnosti se od Slunce vzdaluje; pomalu, ale jistě. Své "jisté" však nemá žádná planeta sluneční soustavy. Je známo, že ani ty největší nevznikly tam, kde se nacházejí dnes, že se jejich dráhy postupně mění a i v budoucnu měnit budou. Jak nám řekl astrofyzik Petr Kulhánek z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, o tom, že se Země vzdaluje od Slunce, se ví teprve pár let.

Petr Kulhánek: Je to o zhruba 15 až 17 centimetrů za rok a jestliže to tímto tempem bude pokračovat, tak bude v budoucnu Země podstatně dále, než je dnes. Na první pohled by se mohlo zdát, že je to dobře, protože víme, že se Slunce zhruba za sedm miliard let stane červeným obrem a bude se zvětšovat. Kdyby Země zůstala na své současné dráze, tak by byla v té době již pod jeho povrchem, čili je tady jakási teoretická možnost, že Země tomuto osudu unikne, protože v té době, kdy se Slunce stane červeným obrem, bude dráha Země někde tam, kde je dneska Mars - a tedy nad povrchem Slunce. Nikdo ale neví, jaká bude v té době interakce se sluneční atmosférou. Podle současných simulací je vysoce pravděpodobné, že Země bude nakonec stejně stržena do Slunce právě interakcí se sluneční atmosférou.

Proč ke vzdalování Země od Slunce dochází? Podařilo se to už vysvětlit?

Petr Kulhánek: Těch vysvětlení existuje několik a asi se na tom budou podílet zejména dva mechanismy. Mechanismus první je ten, že Slunce nemá konstantní hmotnost. Slunce vyzařuje, ztrácí svou energii zářením, ztrácí svou hmotnost tím, že jej opouští sluneční vítr a tato ztráta hmotnosti, zejména v závěrečných fázích vývoje za několik miliard roků, bude velice značná. Odhaduje se, že Slunce ztratí zhruba 20 % své hmotnosti, což povede k tomu, že Země díky gravitačnímu zákonu bude obíhat dále. Pak je tady druhý mechanismus, což je výměna momentu hybnosti mezi Sluncem a Zemí, odborně se tomu říká slapové síly. Země je přitahována Sluncem nestejnoměrně, protože její vnitřní okraj je ke Slunci o zemský průměr blíže než ten vzdálenější. Rozdíl gravitační síly na ten bližší a vzdálenější okraj je právě to, čemu se říká slapové síly a co způsobuje takovouto nestandardní gravitační interakci mezi Sluncem a Zemí. Na základě výměny momentu hybnosti se Země vzdaluje od Slunce. Úplně stejný efekt platí pro soustavu Měsíc-Země, kdy zase těmito slapovými silami, které jsou mimochodem na Zemi zodpovědné například za příliv a odliv, opět dochází k výměně momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí. Měsíc se také dlouhodobě od Země vzdaluje.

Vraťme se ale zpátky k soustavě Země-Slunce. Uvedli jsme tu dva mechanismy, které pravděpodobně způsobují, že Země je od Slunce stále dál. Působí oba tyto mechanismy současně a nebo má některý z nich momentálně navrch?

Petr Kulhánek: V současnosti se zdá, že větší podíl má mechanismus výměny momentu hybnosti. V budoucnosti tomu tak ale nebude. V těch závěrečných fázích, kdy se Slunce začne stávat červeným obrem, bude vzdalování Země od Slunce dominantně určeno právě ztrátou hmotnosti Slunce. Až v těch úplně nejpozdnějších fázích, kdy Země začne interagovat s vnější atmosférou Slunce při jeho nafouknutí do fáze velkého obra, začne zase dominovat výměna momentu hybnosti. Čili naše představa je taková, že v tuto chvíli dominuje výměna momentu hybnosti, poté nastoupí éra, kdy bude dominovat změna hmotnosti Slunce a na závěr to bude opět výměna momentu hybnosti. Nakonec s největší pravděpodobností dojde k pohlcení Země Sluncem a jejímu odpaření. V každém případě, i kdyby Země unikla nějakým způsobem tomuto osudu a nespadla do Slunce po té konečné spirále, tak tu poslední miliardu roků už by na Zemi stejně nebyly podmínky vhodné pro život, protože teplota bude tak vysoká, že se oceán odpaří a Země přijde o svou vodu. A tím samozřejmě i o život.

Se zjištěním, že dráha Země kolem Slunce není stálá a že se vzdálenost naší planety od mateřské hvězdy zvětšuje, se ještě víc zkomplikovala i definice tzv. astronomické jednotky, vedlejší délkové jednotky soustavy SI, která se používá k měření vzdáleností v astronomii. Astronomická jednotka se obvykle chápe jako průměrná vzdálenost Země od Slunce; průměrná proto, že dráha naší planety není přesně kruhová. Někdy jsme k Slunci blíž a jindy zase dál než jednu astronomickou jednotku. Existují i jiné její definice. Jedna z nich používá třetího Keplerova zákona. V této definici však hraje významnou roli hmotnost Slunce, a ta také není konstantní. Teď se tedy navíc zjistilo, že Země se od Slunce vzdaluje. Co s tím astronomové budou dělat? Každá délková jednotka musí vycházet z nějaké fixní konstanty. Jinak je to, jako bychom měřili vzdálenost gumičkou, která pruží a navíc se bez ustání natahuje...

Petr Kulhánek: Ano, to je samozřejmě pravda. Astronomická jednotka, to je docela problém a Mezinárodní astronomická unie o něm bude diskutovat. Existuje několik návrhů, jak změnit definici astronomické jednotky. Jednou z možností je zamrazit její velikost k nějakému konkrétnímu datu a používat od té chvíle stejnou astronomickou jednotku bez ohledu na to, že skutečná vzdálenost Země a Slunce se mění...

Řekl nám na závěr našeho povídání astrofyzik Petr Kulhánek z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. Nezbývá, než dodat, že nějaká nová definice astronomické jednotky se nakonec jistě najde. Vědci jsou velmi vynalézaví.

Vysíláno v Planetáriu č. 41/2009, 10. - 16. října 2009.
Přepis: NEWTON Media, a.s. Redakčně upraveno.
Kompletní rozhovory si poslechněte ZDE (08:26) a ZDE (06:05).