CZ20032746A3

CZ20032746A3 - Prostředek pro dopravu nákladů

Info

Publication number: CZ20032746A3
Application number: CZ20032746A
Authority: CZ
Inventors: Marian Ing. Váňa
Original assignee: Emp-Centauri, S.R.O.
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-05-18
Also published as: WO2005035362A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká prostředku pro dopravu nákladů, zejména ze země do kosmického prostoru.

Dosavadní stav techniky

V současné době je většina pohonných systémů užívaných v kosmonautice založena na reaktivním principu. V reaktivních, tj. raketových motorech se přeměňuje určitý druh energie na kinetickou energii částic, molekul a iontů plynu nebo plazmy, vytékajících z trysky motoru ven. Dle druhu výchozí energie lze dělit pohonné systémy na chemické a fyzikální. Nevýhodou chemických raketových motorů je jejich omezený specifický impuls, nejvýše asi 4500 m/s a tudíž i velká spotřeba paliva, které postačuje maximálně na několik desítek minut provozu, má-li motor dosáhnout tahu vyrovnávajícího zemskou gravitaci. Další nevýhodou je vysoká hořlavost používaných paliv a tudíž nebezpečí výbuchu motoru. Nevýhodou většiny fyzikálních motorů je poměrně malý tah neumožňující překonat zemskou gravitaci. Tyto motory potřebují pro svou činnost externí zdroj energie a jsou značně náročné na spotřebu elektrické energie. Jednou z výjimek je elektrodynamický tether, který může čerpat energii z kosmického magnetického pole a plazmatu, nemůže však fungovat v zemské troposféře a stratosféře.

Pro vertikální a horizontální pohyb v zemské atmosféře jsou používány letouny lehčí vzduchu a letouny těžší vzduchu. Letouny lehčí vzduchu, tj. především balóny a vzducholodě mají malou manévrovací schopnost a jejich pohyb je velmi silně ovlivňován atmosférickými větry. Letouny těžší vzduchu schopné delšího vertikálního pohybu v zemské atmosféře jsou zejména helikoptéry a letadla s vertikálním startem. Jejich nevýhodou je vysoký příkon energie v poměru k jejich hmotnosti. Další nevýhodou jsou velké rozměry kvůli velkým plochám křídel letadel či velkým rozměrům rotorů helikoptér. Ve spise US 6405976 je popsáno zařízení vytvářející aerodynamický vztlak pomocí řady rotujících disků umístěných nad sebou. Sousední disky rotují protisměrně a do prostoru mezi nimi je vháněn • ·) • · * · · · • · · ·^:·*··* vzduch. Toto řešení však vyžaduje přídavná zařízení na vhánění vzduchu do prostoru mezi disky.

Účelem tohoto vynálezu je konstrukce zařízení pro dosahování velkých výšek a vzdáleností od zemského povrchu, překonávající sílu zemské přitažlivosti a působící vlastní silou v jejím protisměru.

Podstata vynálezu

Výše uvedeného účelu je dosaženo prostředkem pro dopravu nákladů v provedení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že systém je tvořen přepravním zařízením pro pohyb do výšky 80 km nad zemským povrchem a dopravním zařízením pro pohyb v magnetosféře ve výškách nad 70 km nad zemským povrchem, přičemž přepravní zařízení je opatřeno nosnou konstrukcí s držákem zátěže a s alespoň dvěma paralelně uspořádanými soustavami rotorů s hnacími elektromotory, které jsou pomocí vedení spojené s napájecím zdrojem, zatímco dopravní zařízení je opatřeno supravodivým elektrickým vodičem, který propojuje zdroj energie se zdroji plazmatu, umístěnými na opačných koncích elektrického vodiče a nese prostředky pro zavěšení zátěže. Pro některé aplikace jsou podle tohoto vynálezu elektromotory pomocí kabelů, s výhodou odvíjených ze stacionárních navijáků, spojené s napájecím zdrojem, umístěným na zemském povrchu. Přepravní zařízení může být dále opatřeno stabilizační vrtulí. Dále podle tohoto vynálezu je zdroj energie dopravního zařízení tvořen slunečními články. Sluneční články mohou být uspořádané v panelech, které jsou zavěšené na elektrickém vodiči. Tyto panely mohou být opatřeny vertikálně pohyblivými klouby a horizontálně pohyblivými klouby spřaženými s motorickým ovládáním. Rovněž podle tohoto vynálezu jsou prostředky pro zavěšení zátěže opatřeny soustavou šňůr nesoucích nosič zátěže. Výhodou tohoto vynálezu je výrazně nižší přetížení při startu i v průběhu aktivního letu v porovnání s ostatními pohonnými systémy startujícími ze zemského povrchu. Další výhodou je mnohonásobná použitelnost celého tohoto dopravního prostředku a tím výrazně nižší ekonomické náklady na jeden start v porovnání se stávajícími dopravními systémy. Nezanedbatelná je rovněž vyšší bezpečnost provozu v porovnání s chemickými pohonnými systémy, kde je nebezpečí exploze • · · · · ·

• ·· ·· · · • · · • · · · • · · ··· «· pracovní látky. Navíc celý pohonný systém potřebuje mnohonásobně méně paliva v porovnání s chemickými pohonnými systémy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiložených výkresech, na nichž na obr. 1 je schematicky nakresleno přepravní zařízení a na obr. 2 je schematicky znázorněno přepravní zařízení s osmi rotory a napájením z vlastního zdroje elektrické energie. Na obr. 3 je schematicky nakresleno dopravní zařízení a obr. 4 ukazuje uchycení slunečních článků na dopravním prostředku.

Příklad provedení

Jak je uvedeno na obr. 1 a 3, je předmětný pohonný systém tvořen dvěma částmi. První část, přepravní zařízení, může být mechanicky spojena se zemským povrchem, druhá část, dopravní zařízení, je umístěna v magnetosféře alespoň několik desítek km nad zemským povrchem, typicky 150 km a výše. Přepravní zařízení slouží pro zvednutí a přenesení užitečné zátěže ze zemského povrchu do vysokých vrstev zemské atmosféry tj. do stratosféry nebo mezosféry. Tam je užitečná zátěž odpojena a uchycena na dopravní zařízení, které se může pohybovat v zemské ionosféře a případně i ve vzdálenějších oblastech kosmu. Po odpojení zátěže klesá přepravní zařízení postupně zpět k zemskému povrchu. Přepravní zařízení je opatřeno nosnou konstrukcí TO nesoucí soustavu rotorů i pro vertikální pohyb zařízení v zemské atmosféře. Rotory 1, poháněné přímo nebo přes převody jedním či více elektromotory 2, vybavenými chladicím zařízením, urychlují celé zařízení směrem vzhůru od zemského povrchu, případně je mohou brzdit při sestupu. Přepravní zařízení je vybaveno nejméně dvěma rotory 1, přičemž polovina rotorů 1 je umístěna na levé straně nosné konstrukce 10 přepravního zařízení a druhá polovina rotorů lje na její pravé straně, jak je patrné z obr. 1. Rotory 1 na levé straně se otáčejí opačným směrem než rotory 1 na pravé straně aby se alespoň zčásti zamezilo rotaci přepravního zařízení okolo své vertikální osy. Pro úplné zamezení rotace přepravního zařízení okolo vlastní vertikální osy a kjeho stabilizaci slouží rovněž stabilizační vrtule 13. Obě strany nosné konstrukce 10 jsou pomocí kloubů 3, 4 spojeny se středovým držákem 5 zátěže 6. Elektromotory 2 jsou vedením 7 zapojeny v sérii a připojeny na zdroj 9 vysokého napětí.

Při použití více rotorů 1 řazených nad sebou lze rozměry zařízení ještě výrazněji zmenšit nebo lze naopak snížit celkový příkon potřebný pro funkci zařízení. To platí i pokud přepravní zařízení není napájeno elektrickou energií pomocí kabelů 8 a není tudíž spojeno se zemí, ale je napájeno vlastním zdrojem energie, např. elektrobateriemi nebo spalovacím motorem apod.

Při vertikálním pohybu v zemské atmosféře je působením vzdušných proudů přepravní zařízení vychylováno do stran. Proto lze polohu rotorů 1, včetně elektromotorů 2, natáčet okolo horizontální osy pomocí otočných kloubů 3, které je možné zamknout v potřebné poloze. Přitom lze rotory 1 naklopit tak aby se vykompenzovalo boční působení větru a vlastní zařízení se pohybovalo co nejpřímější cestou kolmo vzhůru směrem od zdroje 2 vysokého napětí. Ktomu dále slouží, kolem vertikální osy otočný, středový kloub 4 se zámkem. Středový kloub 4 rovněž umožňuje aby se rotory 1 natáčely do potřebného směru a spolu se stabilizační vrtulí 13 brání nechtěnému otáčení zařízení kolem vertikální osy. K samovolnému otáčení zařízení kolem vertikální osy může dojít například vlivem nestejných otáček rotorů i. Ke stabilizaci polohy zařízení v atmosféře lze použít ovšem i další metody nebo zařízení jaké se používají například u vrtulníků. Pro kompenzaci bočního působení větru je také možné vybavit přepravní zařízení pomocnou vrtulí, která bude otočná okolo horizontální osy a poháněná vlastním elektromotorem. Naklápěním rotorů 1 pomocí otočných kloubů 3 a využitím stabilizační vrtule 13, případně též pomocí středového kloubu 4, lze též řídit pohyb přepravního zařízení v horizontálním směru.

Rotory I lze uzavřít do ochranného krytu, samostatně pro levou i pravou stranu. Takto může proudit vzduch nad sebou umístěnými rotory 1 pouze svislým směrem ve směru zemské tíže a eliminuje se tím vliv pomaleji se pohybujícího bočního vzduchu. Tímto opatřením lze tah rotorů i přepravní části ještě poněkud zvýšit. Vhodnější než stejnosměrné elektromotory 2 jsou střídavé motory, které mají obvykle vyšší výkon v poměru ke své hmotnosti. V tom případě jsou elektromotory 2 napájeny každý z nezávislého DC/AC převodníku 12 napětí, který tedy funguje

9 9 jako zdroj střídavého napětí. Tyto zdroje střídavého napětí mohou být zapojeny do série a napájeny ze společného zdroje 9 napětí. Obecně lze užít taková zapojení elektromotorů 2 nebo jejich napájecích zdrojů, např. převodníků napětí 12, vůči zdroji 9, jejichž výsledkem je, že jednotlivé elektromotory 2, pohánějící vždy jeden rotor 1, odebírají všechny přibližně stejný příkon ze zdroje 9 a tečou jimi přibližně stejné proudy. Jako vhodné jsou např. střídavé elektromotory s rotačním pláštěm u kterých lze dosáhnout až 12ti násobku statického tahu oproti jejich hmotnosti bez použití převodů. Elektromotory 2 je vhodné vybavit přídavným chlazením neboť ve vysokých vrstvách atmosféry nestačí řídký vzduch uchladit veškeré teplo vzniklé ohmickými ztrátami ve vinutích elektromotorů a třením pohyblivých částí. Potřebný příkon pro chlazení je odebírán rovněž ze zdroje 9 vysokého napětí.

Pro zvednutí a přenesení užitečné zátěže 6 ze zemského povrchu do stratosféry nebo mezosféry je elektrická energie přiváděna ze zdroje 9 vysokého napětí na zemském povrchu pomocí kabelů 8, odvíjejících se ze stacionárních navijáků 11. Zdrojem 9 vysokého napětí je zdroj stejnosměrného napětí o velikosti řádově stovky kilovolt. Jeden kabel 8 je připojen ke kladnému pólu a druhý kabel 8 k zápornému pólu zdroje 9 vysokého napětí. Oba kabely 8 jsou ze zdroje 9 vedeny při zemském povrchu na stacionární navijáky 11 vzdálené od sebe řádově stovky metrů až několik kilometrů. Při odvíjení a navíjení jsou oba kabely 8 neustálé udržovány v částečně napnutém stavu aby se zabránilo jejich vzájemnému dotyku nebo přílišnému přiblížení a následnému zkratu zdroje 9 vysokého napětí. Napájení elektromotorů 2 je přes převodníky 12 napětí, převádějící vysoké napětí zdroje 9 na podstatně nižší napětí potřebné pro pohon elektromotorů 2. Napájecí vedení 7 je pokryto dostatečně silnou pracovní izolací zabraňující zkratování vysokonapěťového zdroje 9 přes atmosféru nebo přes převodníky napětí 12. Elektrická pevnost vzduchu je asi 1 MV/metr a s rostoucí výškou nad zemským povrchem klesá. Pro napětí zdroje 9 vysokého napětí o hodnotě řádově stovek kilovolt postačí např. několikavrstvá izolace z polyethylenu o celkové tloušťce jednotek milimetrů až centimetrů, ve vzdálenosti několika desítek až stovek metrů od pohyblivé části přepravního zařízení směrem k zemskému povrchu postačí izolace slabší a na zbylé délce kabelů 8 postačí pouze velmi slabá vrstva pro ochranu proti povětrnostním vlivům. Jedna vrstva izolace např. z polyethylenu o tloušťce 0,25mm vydrží napětí až 21 kV. Vzhledem ktomu že měrná hustota polyethylenu je 92Okg na metr krychlový činí celková hmotnost izolace řádově jednotky kilogramů.

Co se týče materiálu ze kterého jsou zhotoveny kabely 8, je vhodný např. hliník nebo měď. Pokud je přes kabely 8 přenášen výkon např. 500 kW při napětí zdroje 9 vysokého napětí o hodnotě 525 kV, teče kabely 8 přibližně proud 1A. Při průřezu kabelů 9 0,1 milimetru čtverečného a při jejich celkové délce např. 100km, váží vodiče z hliníku pouze 27 kg. Přitom jejich celkový elektrický odpor je asi 25 kC, takže celkový úbytek napětí na nich je 25 kV, o tuto hodnotu musí zdroj 9 dávat větší napětí. Na kabelech 8 tak vzniká ztrátový výkon 25 kW jehož značná část se musí vyzářit neboť ve vysokých vrstvách atmosféry je výměna tepla cirkulací vzduchu značně omezena. Celkový přírůstek oteplení kabelů 8 vlivem ztrátového výkonu na nich lze odvodit ze Stefan-Boltzmanova zákona a je tím menší, čím větší je celková plocha vodičů. Z tohoto hlediska jsou vhodné kabely 8 ploché nebo kruhového průřezu a duté. Pak jejich oteplení nepřesáhne několik málo desítek stupňů. Vzhledem ktomu že celková délka kabelů 8 stejně jako vzdálenost od zemského povrchu může dosáhnout až několika desítek kilometrů, může se měděný nebo hliníkový vodič snadno přetrhnout už jen působením své vlastní váhy. Proto je potřebné vést souběžně s vodičem i lano z velmi pevného materiálu, například z organického vlákna. Přitom lano s vodičem jsou k sobě vzájemně uchyceny po celé své délce, vodič je však ponechán velmi mírně zvlněný, nenapnutý, aby se mohl adaptovat na pružnost lana z organického vlákna které může měnit svou délku v závislosti na zatížení až o několik procent. Lano z organického vlákna má dostatečnou pevnost aby uneslo svou vlastní hmotnost i při své délce převyšující 400km a přitom má nízkou měrnou hmotnost. Při průřezu lana 0,5 mm² se zvýší celková hmotnost přepravního zařízení o hmotnost tohoto lana a při plném rozvinutí kabelu 8 činí toto navýšení 50-75 kg. Například organické vlákno známé pod obchodním označením Dyneema SK60 má měrnou hmotnost materiálu 980kg/m³ a pevnost v tahu vyšší než 4GN/m². Tento materiál je navíc vhodný i pro svou odolnost vůči UV záření a vodní vlhkosti.

• · * ·· ·

Pří počátečním uvedení přepravního zařízení do provozu otáčející se rotory 1 vyvolávají atmosférický vztlak a postupný pohyb přepravního zařízení směrem vzhůru, přitom jsou kabely 8 postupně odvíjeny ze stacionárních navijáků H. Jelikož přepravní zařízení může fungovat pouze v zemské atmosféře, je možné tímto způsobem vynášet zátěž 6 do výšky pouze několika desítek kilometrů. Z výše uvedeného konkrétního příkladu vyplývá, že současné technologické možnosti umožní výstup do výše maximálně 50 až 75km nad zemský povrch. To proto, že ve výšce okolo 75 km je atmosférický tlak desettisíckrát až stotisíckrát nižší než při povrchu Země a rotory 1 by se musely otáčet nadzvukovou rychlostí při rozměrech zařízení jaké byly popsány v dříve uvedeném příkladu. Pro vynesení zátěže 6 do ještě větších výšek je třeba ji v maximální dosažené výšce předat z přepravního zařízení na dopravní zařízení.

Přepravního zařízení lze použít též jako prostředku pro horizontální a vertikální přepravu pouze v zemské atmosféře. V takovém případě není přepravní zařízení napájeno ze zemského povrchu, ale z vlastního zdroje 29 elektrické energie, jak ukazuje obr. 2, a není se zemským povrchem nijak mechanicky spojeno. Mechanickou energii rotorů i lze při sestupu využít též pro rekuperaci elektrické energie zpět do zdroje 9 vysokého napětí.

Dopravní zařízení je v podstatě dlouhý elektrický vodič 14, orientovaný přibližně kolmo ke směru siločar zemského magnetického pole a přibližně rovnoběžně se zemským povrchem. Dopravní zařízení je vybaveno zdrojem elektrické energie, kterým jsou polovodičové sluneční články 15, dávající stejnosměrné napětí o velikosti několika desítek volt. Pro zajištění průtoku stejnosměrného proudu elektrickým vodičem 14 jsou na jeho koncích umístěny zdroje plazmatu. Na jedné straně, viz obr. 3, je umístěna katoda 17b, emitující elektrony do okolní ionosféry, na druhé straně je umístěna anoda 17a sbírající elektrony z ionosféry do elektrického vodiče 14. Oba zdroje plazmatu mohou být napájeny z jednoho společného zdroje umístěného např. uprostřed elektrického vodiče 14 nebo mohou být napájeny každý z jiného zdroje energie umístěného přímo u daného zdroje plazmatu, tvořeného např. slunečními polovodičovými články a nezávislého na zdroji energie. Díky zdroji energie je část elektrického vodiče 14 směrem ke katodě 17b na záporném elektrickém potenciálu vůči okolní ionosféře, druhá část • · • · elektrického vodiče 14 směrem k anodě 17a je vůči okolní ionosféře na kladném potenciálu. Plazma emitované z katody 17b ie elektricky neutrální a díky elektricky vodivému spojení katody 17b s elektrickým vodičem 14 způsobuje průtok elektronů do okolní ionosféry. Plazma emitované anodou 17a je též elektricky neutrální a vzhledem k vodivému spojení anody s elektrickým vodičem 14 jsou elektrony přitahovány z okolní ionosféry k anodě a odtud přestupují do elektrického vodiče 14. Tato část zařízení tedy funguje jako elektrodynamický tether s plazmovými zdroji, tzv. kontaktory, na koncích. Plazmové zdroje emitují do okolní ionosféry elektricky neutrální plazma o hustotě mnohonásobně převyšující hustotu plazmatu okolní ionosféry a vytvářejí tak kontaktní plochy spojující vodivě vodič s okolní ionosférou.

Dopravní zařízení je určeno pro trvalé umístění v zemské ionosféře přibližně v oblasti zemského magnetického rovníku kde zemské magnetické pole má převážně pouze horizontální složku vůči zemskému povrchu a jeho vertikální složka je nulová nebo v porovnání s horizontální složkou zanedbatelně malá. Výsledná síla zemského magnetického pole působící na elektrický vodič 14 jej mírně prohýbá a napětí zdroje elektrické energie je orientováno tak, že elektrický vodič 14 je tlačen vzhůru od zemského povrchu, proti směru zemské tíže. Vynášená zátěž 6 je upevněna k elektrickému vodiči 14 pomocí šňůr 22 a na nich zavěšeného nosiče 23.

Provedení dopravního zařízení je znázorněno na obr. 3. Elektrický vodič 14 je tvořen nosným lanem z organického vlákna dlouhým přibližně 110 km a s ním souběžně vedeným vysokoteplotním supravodičem o stejné délce. Vlastní supravodič může být tvořen tenkými vrstvami, v podstatě filmem supravodivého materiálu naneseným na tenkých substrátech. Existují filmy z materiálu REBa₂Cu₃O7 nanesené na různých substrátech. Písmena RE označují některý prvek vzácných zemin. Tyto fólie mají tloušťku několik set nanometrů a jejich kritická proudová hustota je až 30 kA/mm², tloušťka substrátů je 50 - 100 pm a více pro proudové hustoty do 20 kA/mm², pro proudové hustoty 30 kA/mm² je supravodivý film nanesen na válcovém substrátu. To znamená, že vrstvou silnou 800nm a širokou 9 mm lze přenášet stejnosměrný proud až 215 A za předpokladu že teplota uvnitř supravodivého materiálu nepřesáhne 77K.

• · · · · · ··· *··* ·ί.·..· ·..··..·

Nanese-li se vrstva supravodivého materiálu na velmi tenký kovový pásek který je nalisován na kovový či jiný substrát, lze pásek s naneseným supravodivým materiálem použít po oddělení od substrátu jako konstrukční prvek pro vytvoření elektrického vodiče 14. Souběžně s páskem je vedeno i lano, případně několik lan, z velmi pevného materiálu, například zvýše zmíněného organického vlákna. Lano s páskem jsou k sobě vzájemně uchyceny po celé své délce, pásek je přitom ponechán velmi mírně zvlněný, nenapnutý, aby se mohl adaptovat na pružnost lana z organického vlákna které může měnit svou délku v závislosti na zatížení až o několik procent.

Vzhledem k tomu že elektrický vodič 14 bude umístěn v téměř dokonalém vakuu, které panuje ve vzdálenosti od zemského povrchu přibližně 150km a větší, jsou nároky na jeho chlazení mírné. Pouze v místech přechodů supravodič - kov, v blízkosti zdrojů plazmatu a v místech kde jsou uchyceny konstrukční části dopravního zařízení k elektrickému vodiči 14, je třeba zajistit chlazení tekutým médiem, např. dusíkem. V ostatních částech postačí odstínit elektrický vodič 14 od přímého slunečního záření a chránit supravodič proti ohřátí využitím známých řešení. Např. ve spise US 3504868 je popsán vícevrstvý obal supravodiče, který sestává ze 30 až 40 vrstev velmi tenké fólie s velkou odrazivou schopností, což zabraňuje přenosu tepla směrem k supravodiči. Zároveň jsou jednotlivé vrstvy folie zprohýbány tak že se dotýkají vzájemně jen na velmi malé ploše. V prostoru mezi vrstvami je pouze vakuum, za tímto účelem je fólie na četných místech opatřena drobnými otvory, takže jakýkoliv vzduch nebo plyn uvnitř může unikat malými otvory ven. Tento způsob ochrany byl zamýšlen pro supravodič Niob-Titan NbTi, pro vysokoteplotní supravodič by mělo stačit pouze několik vrstev ochranné fólie.

Paralelním uspořádáním desítek supravodivých pásků uchycených k lanu z organického vlákna a jejich umístěním do takovéto vícevrstvé ochranné fólie lze vytvořit elektrický vodič 14 schopný přenášet stejnosměrné proudy řádu kiloampér. Přitom jednotlivé pásky mohou být rozmístěny velmi blízko sebe neboť magnetická pole tvořená průchodem proudu v jednotlivých vnitřních páscích se vzájemně ruší.

Elektrický vodič 14 bude ve skutečnosti částečně prohnutý či různě zprohýbaný vlivem působení zemského magnetického pole a vlivem nesené zátěže 6 a ostatní hmoty ne zcela rovnoměrně zavěšené na elektrickém vodiči 14. Předpokládejme nadále že efektivní délka kabelu 14 je 100km při celkové délce kabelu 110km a že celková hmotnost dopravního zařízení včetně vynášené zátěže 6 je 1000kg. Aby se dopravní zařízení mohlo pohybovat pomalu směrem vzhůru, musí být síla Fb vyvolaná působením zemského magnetického pole větší než gravitační síla působící na dopravní zařízení vdané výšce. Pro výšku 150 až 200km nad zemským povrchem 20 musí být tedy síla F_B minimálně 9400N.

Supravodivé vrstvy v elektrickém vodiči 14 jsou podepřeny jednak velmi tenkými kovovými pásky o tloušťce srovnatelné nebo menší než je tloušťka supravodivých vrstev, jednak jedním nebo více lany z organického vlákna. Na elektrickém vodiči 14 je kromě zdrojů plazmatu a zdroje elektrické energie zavěšena užitečná zátěž 6 a případně další součásti dopravního zařízení. Pokud je tato zátěž rozložena rovnoměrně po celé délce elektrického vodiče 14, nejsou na něj kladeny prakticky žádné nároky co se týče jeho pevnosti v tahu, neboť v takovém případě jsou gravitační síla a síla F_B vyvolaná působením zemského magnetického pole ve vzájemné rovnováze. Ideálně rovnoměrné rozložení zátěže na elektrickém vodiči 14 není ale prakticky možné. Například zdroje plazmatu jsou umístěny na koncích elektrického vodiče 14. Zdroj elektrické energie, včetně slunečních článků 15, může být někde uprostřed. Sluneční články 15 mohou být více méně rovnoměrně rozložené po celé délce elektrického vodiče 14 a jednotlivé zdroje napětí jimi vytvářené jsou k němu připojeny tak, že jsou zapojeny vzájemně do série a tvoří tak dohromady zdroj. I vynášená zátěž 6 může být pomocí většího množství šňůr 22 více méně rovnoměrně zavěšena po celé délce elektrického vodiče 14 a minimálně jej tak namáhat. Pro zajištění bezpečnosti a vyloučení jeho přetržení musí elektrický vodič 14 vydržet namáhání v tahu kolem 1000 N. Vtom případě postačí lano z organického vlákna o celkovém průřezu 0,25mm² při celkové hmotnosti asi 27 kg. Spolu se souběžně vedenými supravodivými vrstvami a kovovými pásky je celková hmotnost elektrického vodiče 14 v uváděném příkladu asi 240 kg. Vlastní zdroje plazmy jsou doplněny zásobníky 16 s pracovní látkou, ze kterých je látka vypouštěna ventilem do ionizační komory, kde je pracovní látka ionizována • ·· a urychlována ven do okolní ionosféry díky tepelnému pohybu iontů a elektronů.

Aby plazmové kontaktory mohly úspěšně fungovat v zemské ionosféře, musí zdroje plazmatu emitovat dostatečné množství plazmatu. Například při použití

NH₃ jako pracovní látky, musí pro hustotu proudu protékajícího plazmatem cca 1kA/m² být hustota částic v plazmatu alespoň 10¹²/cm³.

Zdroje plazmatu vyžadují poměrně malý příkon elektrické energie použijeme-li některou dobře ionizovatelnou látku jako pracovní, například NH3, ten má navíc tu výhodu že je nevýbušný a ekologicky přijatelný. Současné komerčně vyráběné plazmové zdroje jsou schopné emitovat plazma o ekvivalentním proudu řádu desítky ampér až kiloampér i více , mnohaampérové zdroje však pro svou činnost vyžadují napětí minimálně 30 až 50 V. Pro počáteční start vyžadují napětí ještě několikanásobně vyšší a tedy i příkon. Z tohoto důvodu se jeví jako výhodnější rozmístit na koncích elektrického vodiče 14 větší množství na sobě nezávislých zdrojů plazmatu a při počátečním uvádění dopravního zařízení do činnosti tyto zapínat postupně. Větší množství zdrojů plazmatu je výhodné i z hlediska jejich potřebného příkonu, neboť voltampérovou charakteristiku těchto zdrojů lze přirovnat k charakteristice polovodičové diody, tj. čím menší proud generovaného plazmatu tím menší je napětí potřebné pro udržení tvorby plazmatu a pro průchod elektronů z tohoto zdroje do okolní ionosféry nebo naopak.

Jak již bylo zmíněno, mohou být plazmové zdroje napájeny buď ze samostatných zdrojů, nejlépe zřejmě ze slunečních článků, nebo ze společného zdroje energie. V tom druhém případě mohou odebírat proud přímo z elektrického vodiče 14 tak, že převodníky napětí 24 zapojené podle obr. 3 vytvářejí napětí potřebné pro jejich provoz. Nicméně pro počáteční uvedení zdrojů plazmatu do činnosti je zapotřebí samostatný pomocný napájecí zdroj nezávislý na zdroji energie, ledaže by byly ke zdrojům plazmatu vedeny další kabely od zdroje energie souběžné s elektrickým vodičem 14, což je dosti nevýhodné z více hledisek.

Šipky na obr. 3 směřující od převodníků napětí 24 ke zdrojům plazmatu značí směr kudy se přivádí energie potřebná pro provoz těchto zdrojů.

Hlavní úlohou zdroje energie je dodávat napětí a příkon potřebné pro vytvoření potenciálové bariéry mezi konci elektrického vodiče 14 a okolním ionosférickým plazmatem aby jím procházel potřebný stejnosměrný proud, vdaném případě • · ··· · · . Σ · ·

..... ··· ·♦ ·..·*·.· v rozmezí 2,5 až 10 kA. Lze předpokládat, že postačí celkové napětí zdroje energie o velikosti několik málo desítek volt, maximálně asi 20 Volt pro dosažení proudu elektrickým kabelem 14 v rozmezí 2,5 až 10 kA.

Pokud je dopravní zařízení nehybné vůči okolnímu ionosférickému prostředí, neindukuje se na elektrickém vodiči 14 žádné jiné napětí kromě toho dodávaného zdrojem energie. Zemská ionosféra rotuje okolo zemské osy souhlasně se Zemí, neboť zdroj zemského magnetického pole je pevně spojen se Zemí. lonty v zemské ionosféře se pohybují středními tepelnými rychlostmi okolo 1 km/s, nicméně ionosféra jako celek koná tento rotační pohyb. Mohou se v ní indukovat lokální proudy plazmatu o rychlostech řádově desítek metrů za sekundu, v oblastech zemského magnetického rovníku se tyto proudy pohybují hlavně podél rovníku rovnoběžně se zemským povrchem.

Při stoupavém pohybu dopravního zařízení vzhůru od zemského povrchu protíná elektrický vodič 14 siločáry horizontálního magnetického pole Země a podle toho jakou vertikální rychlostí se pohybuje vůči okolnímu ionosférickému prostředí se na něm indukuje napětí. O toto napětí se snižuje napětí na jeho koncích dodávané zdrojem energie. Aby elektrickým vodičem 14 procházel dostatečný proud i při pohybu dopravního zařízení vzhůru od zemského povrchu, musí být napětí zdroje energie regulovatelné aby jej bylo možné operativně snižovat, popř. zvyšovat, při pohybu vzhůru. Je-li výkon dodávaný zdrojem energie, slunečními články 15, například 350 kW, je při proudu 2,5 kA procházejícím elektrickým vodičem 14 napětí zdroje energie 140 V. Jelikož však pro průchod proudu kabelem 14 dostačuje napětí zdroje energie 20 V, dává tak tento zdroj vlastně 120 V navíc, které lze využít pro pohyb dopravního zařízení směrem vzhůru od zemského povrchu. Nachází-li se dopravní zařízení přibližně ve výšce 150 km nad zemským povrchem v oblasti Thajského zálivu, může se pohybovat rychlostí až v = 31 m/s směrem vzhůru vůči zemskému povrchu, pokud je okolní ionosférické prostředí ve vertikálním směru nehybné vůči zemskému povrchu, při proudu 2,5kA procházejícím elektrickým vodičem 14- Platí vztah U_B = B.v.l, kde B je hodnota indukce horizontálního zemského magnetického pole v daném místě a I je délka elektrického vodiče 14. Mezi konci elektrického vodiče 14 se tak indukuje napětí 120 V, • 9 · · « φ

9 které se odečítá od napětí 140 V zdroje energie. Výsledné napětí mezi konci elektrického vodiče 14 je pak 20 V.

Naopak, pro pohyb dopravního zařízení směrem k zemskému povrchu, lze mírně snížit proud elektrickým vodičem 14 a tím mu udělit rychlost směrem dolů. Na koncích elektrického vodiče 14 se pak indukuje napětí způsobené jeho pohybem směrem dolů a protínáním siločar horizontálního zemského magnetického pole. Toto napětí se přičítá k napětí zdroje energie, který v takovém případě nemusí být vůbec použit a pro průchod proudu elektrickým vodičem 14 postačí výkon generovaný při vertikálním sestupném pohybu dopravního zařízení.

Pokud jsou zdroje plazmatu v činnosti, vytváří se v jejich okolí oblaky plazmatu o hustotě iontů vyšší než je hustota okolního ionosférického plazmatu. Oblaky tak vytváří velkou sběrnou plochu kterou mohou driftovat elektrony ven z elektrického vodiče 14 přes katodu 17b a do něj přes anodu 17a a elektrickým vodičem 14 tak může protékat elektrický proud. Oblaky plazmatu v okolí zdrojů plazmatu částečně odstiňují zemské magnetické pole a snižují tak tah F_B dopravního zařízení. Toto snížení tahu je ovšem nepatrné a činí maximálně asi 1% tahu neboť zemské pole je částečně odstíněno jen na koncích elektrického vodiče 14, kde jsou zdroje plazmatu. Generované plazma totiž driftuje podél zemských magnetických siločar přibližně kolmo na elektrický vodič 14 směrem od něj.

Jelikož jsou elektrony v oblacích plazmatu kolem zdrojů mnohem pohyblivější než ionty, opouštějí rychle oblak plazmatu okolo katody 17b a zanechávají za sebou kladný potenciál. Velikost tohoto potenciálu lze určit z Boltzmannovy rovnice pro elektrony a v zemské ionosféře činí maximálně několik volt. Naopak elektrony vstupující z ionosféry do oblaku plazmatu okolo anody 17a jsou odpuzovány tepelným pohybem plazmatu unikajícím z anody takže i v okolí anody vzniká kladný potenciál nicméně i ten činí maximálně několik volt. Jelikož oba Boltzmannovy potenciály na anodě 17a i na katodě 17b mají stejné znaménko vůči okolnímu ionosférickému plazmatu, mají na činnost dopravního zařízení malý vliv. Vzhledem k Boltzmannově potenciálu je vhodné kladné napětí na elektrickém vodiči 14 v oblasti anody 17a o několik volt zvýšit a obdobně zvýšit napětí v oblasti katody 17b, resp. snížit jeho zápornou hodnotu. Toho lze dosáhnout částečným snížením produkce plazmatu v oblasti anody 17a nebo zvýšením jeho produkce • · v oblasti katody 17b. Tímto způsobem lze tedy regulovat potenciály na koncích elektrického vodiče 14, respektive na jeho levé a pravé straně směrem od zdroje energie. Zároveň lze zvyšováním nebo snižováním produkce plazmatu regulovat celkový proud tekoucí elektrickým vodičem 14.

Je možno uvažovat i jiný zdroj energie než sluneční články, jejich výhodou je ale především poměrně vysoký poměr generovaného výkonu na jeden kilogram jejich hmotnosti, relativně nízká cena, dlouhá životnost a ekologická přijatelnost. Nevýhodou je, že mohou fungovat pouze za přímého slunečního svitu. Životnost polovodičových slunečních článků 15 lze počítat na roky a běžně se dosahuje poměr výkonu k hmotnosti až okolo 600 W/kg. Existují však již články s poměrem výkon/hmotnost vyšším než 1000 W/kg. Články pracují s účinností asi 9% a mají dlouholetou životnost. Pro výkon slunečních článků 15 o velikosti 350 kW je jejich celková hmotnost 280 kg a plocha 2800 m² při jejich účinnosti 9%.

Vlastní sluneční články 15 zdroje energie mohou být přichyceny ke kabelu 14 na více místech po celé délce kabelu, přičemž čím více je míst uchycení, tím menší je namáhání elektrického vodiče 14 vlastním prohybem pod tíhou článků. Možné provedení uchycení slunečních článků 15 je schematicky znázorněno na obr. 4. Sluneční články 15 jsou uspořádány v panelech 26 o rozměrech řádově metrů až desítek metrů čtverečných a tyto panely 26 jsou na elektrickém vodiči 14 zavěšeny. V těžištích panelů 26 jsou umístěny vertikálně pohyblivé klouby 27 a horizontálně pohyblivé klouby 28 pro jejich natáčení za sluncem. Tím je zajištěno optimální využití slunečních článků 15. Natáčení kloubů 27,28 je ovládáno motoricky, příslušné elektromotory jsou napájeny přímo ze slunečních článků 15.

Všechny šňůry 22 musí být dlouhé alespoň několik desítek kilometrů aby nosič 23 ležel co nejvíce dole pod kabelem 14 a zátěž 6 tak mohla dosáhnout na přepravní zařízení v jeho nejvyšší poloze a bylo možno zátěž 6 překládat z přepravního zařízení na dopravní zařízení a naopak. Zdroje plazmatu se musí nacházet ve výšce přibližně nejméně 120 až 150 km nad zemským povrchem aby pohon dopravního zařízení mohl fungovat, v nižších výškách totiž vodivost ionosféry strmě klesá. Za předpokladu, že přepravní zařízení vystoupí do výšky až 55 km nad zemský povrch, musí být šňůry 22 dlouhé přibližně alespoň 70 km.

·· ····

Uvažujme průměrnou délku šňůr 22 90 km. Jako materiál pro šňůry 22 jsou vhodná výše zmíněná vlákna Dyneema vzhledem k jejich vysoké pevnosti v tahu, nízké měrné hmotnosti a odolnosti vůči UV záření. Každá šňůra 22 musí ve své spodní části unést váhu části zátěže 6 a ve své horní části poblíž kabelu 14 navíc ještě svou vlastní váhu, šňůry tedy mohou být ve své spodní části mírně zúženy. Při hmotnosti zátěže 6 250 kg pak vychází celkový průřez všech šňůr 22 přibližně 0,6 mm², což by odpovídalo jejich celkové hmotnosti cca 53 kg. Pro polohu elektrického vodiče 14 přibližně 145 km nad zemským povrchem je však, vzhledem k spolehlivému zajištění proti přetržení, vhodné volit průřez šňůr 22 vyšší, např. 1,0 mm². Tomu pak odpovídá i jejich vyšší hmotnost, kolem 100 kg. Dopravní zařízení je třeba účinně chránit proti škodlivým vlivům kosmického prostředí, především proti mikrometeoritům. Z odborné literatury je známý tzv. Hoytether, což je dlouhý vodič nebo lano složený z mnoha paralelních vodičů, vzájemně různě pospojovaných. Takováto struktura má mnohonásobně větší odolnost proti dopadům mikrometeoritů a tím i delší životnost než jednoduchý vodič. Obdobným způsobem je řešen i elektrický vodič 14 a šňůry 22.

Dopravní zařízení se může pohybovat poblíž zemského magnetického rovníku v oblasti ionosféry od přibližně 120 až 150 km výšky nad zemským povrchem až po geostacionární dráhu ve vzdálenosti přibližně 40 000 km od Země, ale i ve vzdálenějších oblastech kosmu.

Pro objasnění pohybu dopravního zařízeni v zemské ionosféře začneme od nejnižších vrstev ionosféry, kdy je zátěž 6 přeložena z přepravního na dopravní zařízení. V té době se dopravní zařízení nachází ve výšce asi 120 až 150 km nad zemským povrchem, předpokládejme že nad oblastí Thajského zálivu kde je horizontální magnetické pole nejsilnější, hodnota magnetické indukce 3,82*10‘⁵ T, a jeho vertikální složka je prakticky nulová. Dále předpokládejme že elektrický vodič 14 leží rovnoběžně s magnetickým rovníkem a žádná jeho část ani zdroje plazmy nejsou vzdáleny od tohoto rovníku více než několik kilometrů. To je možné proto, že elektrický vodič 14 je stabilizován ve vodorovné poloze souhlasně se směrem magnetického rovníku vlivem silového působení zemského magnetického pole na jeho části prohnuté částečně ve vertikálním směru. Všechny zdroje plazmatu jsou v činnosti a elektrický vodič 14, kterým prochází stejnosměrný proud 2,5 kA, je nadlehčován silou Fb, tlačící dopravní zařízení vzhůru proti směru zemské tíže. Nyní je třeba dostat dopravní zařízení postupně až na geostacionární dráhu okolo Země. Protože sluneční články 15 dodávající dopravnímu zařízení energii potřebují přímý sluneční svit, je vhodné začít s touto operací v ranních hodinách a pro oblast Thajského zálivu je nejvhodnější období v červnu v době letního slunovratu jak je vysvětleno dále.

Dopravní zařízení dostává příkon přibližně 350 kW ze slunečních článků 15 ale pro vyrovnání gravitační síly mu postačuje příkon pouze 50 kW, pro průtok proudu 2,5 kA elektrickým vodičem 14 postačuje napětí zdroje 15 20 V. Zbylých 300 kW příkonu může dopravní zařízení využít pro svůj pohyb vzhůru. Stačí tedy nepatrně zvýšit proud elektrickým vodičem 14 a dopravní zařízení se pohybuje vzhůru rychlostí 31 m/s. Přitom se jeho poloha na obloze pro pozorovatele na Zemi téměř nemění, dopravní zařízení vykonává okružní pohyb okolo zemské osy souhlasně se zemským povrchem pod ním rychlostí asi 460 m/s. Jak však jeho výška postupně narůstá, vidí pozorovatel na Zemi že se dopravní zařízení začíná pohybovat velmi pozvolna směrem k západu. To není příliš vhodné, neboť je zapotřebí aby dopravní zařízení využívalo nejsilnější horizontální magnetické pole, které se nachází právě nad oblastí Thajského zálivu a to prakticky v celém rozsahu výšek od 0 km až po geostacionární dráhu. Rovněž tak je vhodné aby si dopravní zařízení udržovalo úhlovou rychlost okružního pohybu okolo zemské osy souhlasně se zemským povrchem pod ním nebo se případně pohybovalo tímto směrem i o něco rychleji, aby tak narůstala odstředivá síla, která na dopravní zařízení působí ve směru proti zemské tíži. Za tímto účelem jsou šňůry 22 svedeny poblíž zátěže 6 do dvou hlavních šňůr, přičemž na jedné z nich je umístěn externí naviják 25, který umožňuje jednu z hlavních šňůr 22 navíjet a odmotávat v rozsahu několika set metrů. Tak lze vychýlit elektrický vodič 14 až o několik desetin stupně z horizontální polohy a síla zemského horizontálního magnetického pole může urychlovat či brzdit dopravní zařízení ve směru zemské rotace nebo popřípadě i proti ní. Toto horizontální vychylování elektrického vodiče 14 lze navíc využít i pro natáčení dopravního zařízení a tedy i slunečních článků 15 za sluncem v případě, že elektrický vodič 14 směřuje po své délce přibližně ke slunci a sluneční články 15 na něm zavěšené jsou za sebou v zákrytu.

Současně působí na elektrický vodič 14 vertikální složka F_BZ zemského magnetického pole. Tato síla Fbz je sice asi tisíckrát slabší než síla F_B tlačící elektrický vodič 14 vzhůru, za předpokladu že je dopravní zařízení po celé své délce vzdálené od magnetického rovníku Země maximálně o několik kilometrů. Jak by se ale poloha dopravního zařízení postupně odchylovala od magnetického rovníku, tato síla by rychle narůstala a dopravní zařízení by bylo urychlováno směrem k některému ze zemských pólů, až by bylo strženo na zemský povrch. Vertikální složka Fbz zemského magnetického pole Bz narůstá totiž v oblasti nad Thajským zálivem ve výšce 150 km nad zemským povrchem asi o 160 nT na každých 10 km ve směru k zemským pólům.

Aby se zamezilo pohybu dopravního zařízení směrem k zemským pólům, je třeba využít síly Fbi, kterou na elektrický vodič 14 působí magnetické pole elektrického proudu procházejícího v jeho blízkosti okolním plazmatem a ionosférou podél siločar zemského magnetického pole. Tento proud je vlastně pokračováním proudu I protékajícího elektrickým vodičem 14. Při výšce 150 km nad Zemí má sila F_b, magnetického pole působícího na elektrický vodič 14 hodnotu několika promile síly F_B. Přitom je elektrický vodič 14 vychylován touto silou směrem na sever tak že se zvětšuje plocha opisovaná uzavřenou smyčkou tohoto proudu. Působí-li na elektrický vodič 14 směrem na jih síla F_Bz způsobovaná vertikální složkou zemského magnetického pole a je-li velikost této síly maximálně několik promile síly F_B, jsou obě síly F_BZ i F_B) přibližně v rovnováze a dopravní zařízení není prakticky urychlováno ani směrem na jih, ani na sever. Drobné rozdíly mezi oběma silami lze dorovnávat mírným snižováním či zvyšováním proudu elektrickým vodičem 14 v řádu několika procent celkového proudu. Je ovšem zapotřebí aby se dopravní zařízení po celé své délce nacházelo ve vzdálenosti několika kilometrů, při výšce nad zemským povrchem asi 150 km, až stovek či tisíců kilometrů, při výšce nad zemským povrchem několik tisíc až desítek tisíc km, od magnetického rovníku směrem na jih, kde vertikální složka zemského magnetického pole B_zsměřuje směrem dolů k zemskému povrchu. Dopravní zařízení se tak při svém postupném pohybu vzhůru nachází neustále v jakémsi koridoru, širokém od několika kilometrů v nejnižších výškách až po několik tisíc kilometrů poblíž geostacionární dráhy. Tento koridor se táhne podél zemského magnetického ·· ···· • · · · · rovníku, ve kterém ještě dopravní zařízení může korigovat svou polohu ve směru sever-jih. Pokud by se dostalo z tohoto koridoru ven, bude na něj působit postupně narůstající síla Fbz ve směru sever-jih způsobená vertikální složkou magnetického pole Země a dopravní zařízení se po jistém čase zřítí na zemský povrch. Pro umožnění korekce polohy dopravního zařízení v severojižním směru při jeho pohybu vzhůru, musí být velikost proudu I elektrickým vodičem 14 zvolena o několik procent vyšší než je zapotřebí pro pouhé vyrovnání gravitační síly působící na dopravní zařízení.

Výchylky dopravního zařízení směrem na jih a sever je možné měřit pomocí přesných mikroakcelerometrů umístěných na různých místech elektrického vodiče 14 nebo i na jiných místech dopravního zařízení, a rovněž pomocí velmi přesného magnetometru, měřícího vertikální složku zemského magnetického pole a umístěného třeba poblíž zátěže 6. Pak je možné zavčas korigovat velikost proudu tekoucího elektrickým vodičem 14 a spotřebovat tak co nejméně příkonu od slunečních článků 15. Ve výšce 150 km nad zemským povrchem postačí pro koridor široký několik kilometrů méně než deset procent celkového příkonu dopravního zařízení. Je ovšem třeba vzít v úvahu i to, že s výškou nad zemským povrchem se mírně mění poloha zemského magnetického rovníku a že směr odstředivé síly působící na dopravní zařízení není přesně rovnoběžný se směrem gravitační síly a síly FbPři dalším stoupání dopravního zařízení směrem vzhůru sice postupně klesá využitelné napětí zdroje energie pro další pohyb vzhůru, rychlost dopravního zařízení však postupně roste neboť indukce horizontálního magnetického pole postupně klesá nepřímo se třetí mocninou vzdálenosti od zemského nitra. Vertikální rychlost dopravního zařízení je dána vztahem v_v = U_v / Β * I, kde U_v je momentální využitelné napětí zdroje .

Níže uvedená tabulka uvádí některé parametry pri pohybu dopravního zařízení směrem vzhůru :

Výška	Proud kabelem	Využitelné napětí	Vertikální rychlost	Celkový čas
(km)	(A)	(V)	(m/s)	(s)
150	2500	120	0	0
1150	3000	98	41	41000
2150	3300	87	57	61000

• · · · • · ·

Po výstupu do výšky více než 2 tisíce kilometrů nad zemský povrch se dopravní zařízení dostává do zemského stínu a začíná klesat zpět k zemskému povrchu. Klesá takovou rychlostí aby napětí mezi konci elektrického vodiče 14 bylo asi 20 V, což postačuje pro průchod takového proudu elektrickým vodičem 14, který vyvolává sílu F_B přibližně kompenzující gravitační sílu. Dopravní zařízení klesá zpočátku rychlostí asi 13 m/s, jak však narůstá indukce horizontálního magnetického pole, jeho sestupná rychlost se zmenšuje. Po přibližně 24 hodinách od začátku své cesty se opět dostává do slunečního svitu a v té době je ve výšce si 1850 km nad zemským povrchem. Další cesta dopravního zařízení pak vypadá zhruba následovně;

Výška	Proud kabelem	Využitelné napětí	Vertikální rychlost	Celkový čas
(km)	(A)	(V)	(m/s)	(s)
1850	3200	89	-11	86000
3150	4000	68	63	117000
4650	4700	54	80	136000
5650	5200	47	92	147000
7650	6200	37	117	165000

Po dosažení výšky cca 8000 km nad zemským povrchem může dopravní zařízení opět vstoupit do zemského stínu. Záleží to na pozici v jaké se vdaném ročním období nachází poloha zemské osy vůči Slunci. Pokud je právě období letního slunovratu, dopravní zařízení se už do zemského stínu nedostane a zbylá cesta na geostacionární dráhu vypadá následovně;

Výška (km)

11650

19650

Proud kabelem (A)

7700

9500

Využitelné napětí (V)

Vertikální rychlost (m/s)

176

363

Celkový čas (s)

185000

200000

Pokud bude dopravní zařízení po dosažení výšky nad zemským povrchem asi 20000 km i nadále stoupat s využitím veškerého využitelného napětí, protne geostacionární dráhu asi za 2 hodiny a odletí do meziplanetárního prostoru. Pokud chce zakotvit na geostacionární dráze, musí po dosažení výšky přibližně 20000 km začít postupně brzdit. Každopádně lze zvládnout celý výstup za necelé tři dny, sestup zpět do výšky 150 km nad zemský povrch trvá asi jeden den. Zajeden rok tak může dopravní zařízení uskutečnit přibližně 80 výstupů na geostacionární dráhu a zpět a po deseti letech provozu může jedno popisované dopravní zařízení vynést na tuto dráhu celkově až 200 tun nákladu.

Podle současných cenových relací lze dovodit, že náklady na vynesení 1 kg zátěže na geostacionární dráhu budou asi o 2 řády nižší oproti nákladům dosahovaným současnou raketovou technologií. Lze předpokládat že v průběhu jednoho až dvou desetiletí po zavedení masové výroby především supravodivých pásků ale i dalších součástí dopravního zařízení mohou tyto náklady klesnout ještě o další řád.

Při svém výstupu na geostacionární dráhu a zpět může dopravní zařízení potkávat lokální proudy plazmatu o rychlostech až několika set metrů za sekundu které vytvářejí vlastní magnetické pole. Takovéto proudy se však šíří především podél zemského magnetického rovníku a nejsou na závadu neboť napětí indukované na elektrickém vodiči 14 dopravního zařízení a způsobené těmito proudy je maximálně řádově desetiny voltu. Vzestupné a sestupné proudy mohou mít větší vliv, v oblasti magnetického rovníku se však vyskytují spíše pomalé vzestupné proudy které nijak nevadí.

Podobné zařízení jako je popisované dopravní zařízení, lze použít i pro dopravu v meziplanetárním prostoru. Uspořádání a vzhled takového dopravního prostředku však musí být trochu jiné. V meziplanetárním prostoru v rovině ekliptiky se vyskytuje meziplanetární magnetické pole způsobované slunečním větrem. Siločáry tohoto magnetického pole tvoří spirály vycházející z povrchu slunce a rozprostírající se v rovině ekliptiky do miliardy kilometrů vzdálených oblastí. Typická hodnota indukce meziplanetárního magnetického pole je poblíž oběžné dráhy Země asi 5*10'⁹ Tav oblasti vnějších planet sluneční soustavy je typická hodnota 10*⁹ T. Zároveň se rovinou ekliptiky šíří směrem od slunce do okolního prostoru sluneční vítr typickou rychlostí 400 km/s, ve vyšších heliografických šířkách je jeho rychlost až 800 km/s. Jeho původ je ve sluneční koroně a je tvořen plazmatem o typické energii 10 eV s hustotou ionizovaných částic 10⁷ m ³. Umístíme-li někde poblíž oběžné dráhy Země do takového prostředí dlouhý vodič protínající kolmo rovinu ekliptiky, bude se mezi konci takového vodiče indukovat napětí U_B = B_sy * v_s * l_s ,kde B_sy je složka magnetického pole rovnoběžná s oběžnou dráhou Země, v_s je vzájemná rychlost slunečního větru a kabelu a l_s je délka kabelu ve směru kolmém ke složce B^. Mezi konci vodiče dlouhého 100 km se tak indukuje napětí typicky 200 V a zajistíme-li průtok proudu elektrickým vodičem 14 například o hodnotě I = 10 kA, můžeme generovat výkon až 2 MW. Sluneční články nejsou tedy zapotřebí. Generovaný výkon je možné využít pro napájení některého fyzikálního motoru, například iontového, kterým je tento dopravní prostředek rovněž vybaven. Iontový motor může urychlovat elektrický vodič 14 libovolným směrem pokud je jeho specifický impuls menší než dvojnásobek rychlosti slunečního větru vůči kabelu, tj. menší než asi 800 km/s. To proto, že generovaný výkon je dán vztahem P_B = B_sy * v_s * l_s * I = F_B * v_s . Výkon Ρ, iontového motoru o ideální účinnosti je dán vztahem P, = F, * (l_spj/2), kde Fi je tah iontového motoru a l_spj je jeho specifický impuls. Je-li hmotnost dopravního zařízení 1000 kg, pro dosažení zrychlení způsobovaného činností iontového motoru 0,01 ms'² postačí tah iontového motoru 10 N a jeho specifický impuls tak může být až 400 km/sec. Dopravní prostředek s takovýmito parametry může překonat vzdálenost jedné astronomické jednotky v průběhu necelých dvou měsíců a přelet Země-Mars a zpět, se zabržděním u Marsu, je s ním možné uskutečnit v příhodném období za přibližně čtyři měsíce při spotřebě pracovní látky do 30% hmotnosti celého zařízení.

Může být obtížné udržovat elektrický vodič 14 napnutý kolmo k siločárám magnetického pole slunečního větru. Vtom případě může být stabilizován pomalou rotací kolem svého těžiště tak, že rovina jeho rotace je kolmá k magnetickým siločárám. Stačí pak střídavě, každou polovinu periody rotace elektrického vodiče 14, měnit směr proudu, který jím protéká. Generovaný výkon se však sníží asi 1,6krát.

Podobně jako ve slunečním větru, může tento dopravní prostředek fungovat i v mezihvězdném prostoru. Magnetické pole, stejně jako plasma, je v kosmu všudypřítomné. Lze využít rychlosti slunečního větru ve vyšších heliografických šířkách a urychlit tak dopravní prostředek do mezihvězdného prostoru rychlostí až 800 km/s. Zatím nejsou známé vlastnosti plazmatu za oblastí heliopauzy, neboť tak daleko se ještě žádná kosmická sonda nedostala. Nicméně použije-li se pro pohyb v mezihvězdném prostoru obdobný dopravní prostředek jako ve slunečním větru, může být tento prostředek urychlován proti toku plazmatu. Tak například pohybuje-li se tento dopravní prostředek ve směru kolmém k siločárám galaktického magnetického pole rychlostí vg = 800 km/s vůči okolnímu plazmatu

a přitom je vodič orientován kolmo k siločárám magnetického pole a směru pohybu, generuje se v elektrickém vodiči 14 protékaném proudem výkon F_B * v_G, který lze použít pro napájení například iontového motoru který je součástí dopravního prostředku. Má-li iontový motor ideální stoprocentní účinnost přeměny dodávané energie v kinetickou energii urychlovaných částic a je-li jeho specifický impuls roven rychlosti v_G, je jeho tah dvojnásobný v porovnání se sílou F_Ba dopravní prostředek tak může být urychlován na ještě větší rychlost až po určité době dosáhne rychlosti několikanásobně převyšující původních 800 km/s. Vztah mezi konečnou v_GK a počáteční rychlostí v_G0 dopravního prostředku jakož i jeho počáteční hmotností Mo+m a konečnou hmotností Moje následující:

v_Gk ⁼ v_Go * [(Mo + m)/M₀]^1/2 ,

Vztah platí za předpokladu, že magnetický specifický impuls dopravního prostředku je podstatně vyšší než v_GK. Toho lze dosáhnout prodloužením elektrického vodiče 14 až na několik tisíc kilometrů délky a snížením poměru rychlostí v, /v_e v oblacích plazmatu kontaktorů. Tento poměr lze ovlivňovat například zvyšováním počtu jednotlivých zdrojů plazmatu při současném snižování proudu plazmatu v nich.

Pokud například 95% hmotnosti dopravního prostředku tvoří pracovní látka, je možno jej urychlit až na 3500 km/s z původních 800 km/s. Je-li dopravní prostředek koncipován jako dvoustupňový, je možné dosáhnout konečné rychlosti druhého stupně až 15000 km/s. Pro brždění dopravního prostředku v mezihvězdném prostředí pak postačí využít sílu F_B a jelikož přitom iontový motor není potřebný, lze to uskutečnit při minimální spotřebě paliva.

Průmyslová využitelnost

Vynález je určen pro dopravu nákladů v zemské atmosféře a do kosmického prostoru a zpět.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Prostředek pro dopravu nákladů, zejména ze země do kosmického prostoru, vyznačující se tím, že je tvořen přepravním zařízením pro pohyb do výšky 80 km nad zemským povrchem a dopravním zařízením pro pohyb v magnetosféře ve výškách nad 70 km nad zemským povrchem, přičemž přepravní zařízení je opatřeno nosnou konstrukcí (10) s držákem (5) zátěže (6) a s alespoň dvěma paralelně uspořádanými soustavami rotorů (1) s hnacími elektromotory (2), které jsou pomocí vedení (7) spojené s napájecím zdrojem (9), zatímco dopravní zařízení je opatřeno supravodivým elektrickým vodičem (14), který propojuje zdroj energie se zdroji plazmatu, umístěnými na opačných koncích elektrického vodiče (14) a nese prostředky pro zavěšení zátěže (6).
2. Prostředek pro dopravu nákladů podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektromotory (2) jsou pomocí kabelů (8) spojené s napájecím zdrojem (9), umístěným na zemském povrchu.
3. Prostředek pro dopravu nákladů podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že přepravní zařízení je opatřeno stabilizační vrtulí (13).
4. Prostředek pro dopravu nákladů podle nároku 2, vyznačující se tím, že pozemní napájecí zdroj (9) je opatřen stacionárními navijáky (11) pro odvíjení kabelů (8).
5. Prostředek pro dopravu nákladů podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zdrojem energie jsou sluneční články (15) uspořádané v panelech (29), které jsou zavěšené na elektrickém vodiči 14.
6. Prostředek pro dopravu nákladů podle nároku 5, vyznačující se tím, že panely (26) jsou opatřeny vertikálně pohyblivými klouby (27) a horizontálně pohyblivými klouby (28), přičemž tyto klouby (27,28) jsou spřaženy s motorickým ovládáním.
7. Prostředek pro dopravu nákladů podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že prostředky pro zavěšení zátěže (6) jsou opatřeny soustavou šňůr (22) nesoucích nosič (23) zátěže (6).