Sciencemag.cz
Doporučujeme
Když nás oslní triky ve Hvězdných válkách nebo ve Star Treku, okamžitě si představíme obrovský futuristický vesmírný koráb nabitý všemožnými technickými vymoženostmi. Jinou možností je pomocí nanotechnologie vyrábět malinké lodi, velké jen jako náprstek, jehla, nebo dokonce menší. Ovládá nás předsudek, že kosmická loď musí být ohromná jako Enterprise, schopná poskytnout ubytování celé posádce astronautů. Podstatné funkce kosmické lodě by se však s použitím nanotechnologie daly miniaturizovat tak, že by se mohly k blízkým hvězdám vypustit milióny drobných nanolodí, z nichž by cíle dosáhl jen zlomek. Jakmile by dorazily k blízkému měsíci, mohly by vytvořit továrnu k výrobě neomezeného počtu kopií sebe samých.
Vint Cerf, jeden z původních tvůrců internetu, si představuje drobné nanolodě, které zkoumají nejen sluneční soustavu, nýbrž nakonec hvězdy samotné. Říká: „Výzkum sluneční soustavy se zefektivní díky malým, avšak účinným nanozařízením nepatrných rozměrů, jež bude snadné dopravit na povrch, pod povrch a do atmosféry našich sousedních planet a družic … Jejich možnosti lze dokonce rozšířit i na mezihvězdný průzkum.“
Savci mají jen několik málo potomků a starají se o ně, aby všichni přežili. Hmyz naproti tomu produkuje velké množství potomků, z nichž přežije jen nepatrný zlomek. Díky oběma strategiím vydržely tyto druhy na světě po miliony let. Stejně tak můžeme, místo vyslání jediné nákladné kosmické lodi, vypustit miliony drobných kosmických lodí, z nichž každá stojí pár drobných a vyžaduje velmi málo raketového paliva.
Tento koncept napodobuje velmi úspěšnou strategii, kterou známe z přírody: vytváření hejn. Ptáci, včely a jiní létající tvorové se pohybují v hejnech. Nejen že je jejich bezpečnost v hejnu vyšší, hejno také funguje jako systém časného varování. Když část hejna něco ohrozí, třeba útok dravce, rozšíří se zpráva rychle do zbytku hejna. Hejna jsou také velmi účinná energeticky. Když ptáci letí v charakteristické formaci tvaru V, brázda za hejnem a turbulence tvořené touto formací snižují energii potřebnou k letu.
Vědci charakterizují hejno jako „super-organismus“, jenž má jakoby svou vlastní inteligenci, nezávislou na schopnostech každého jednotlivce. Například mravenci mají velmi prostou nervovou soustavu a nepatrný mozek, společně však vytvoří složité mraveniště. Vědci doufají, že využijí některých těchto přírodních jevů a vytvoří „roje“ robotů (swarm-bots), jež se jednoho dne vydají na cestu k jiným planetám a hvězdám.
Podobný je hypotetický koncept chytrého prachu, který vyvíjí Pentagon: miliardy částic vyslané do vzduchu, každá s nepatrnými čidly pro průzkum. Jednotlivá čidla nejsou příliš inteligentní, ale společně mohou domů poslat hromadu informací. Organizace DARPA při Pentagonu financuje tento výzkum pro možné vojenské použití, jako je například sledování nepřátelských pozic na bitevním poli. V letech 2007 a 2009 vydalo letectvo situační zprávy, jež objasňují plány na příští desetiletí a líčí všechno od pokročilých verzí bezpilotního letounu Predator (jenž dnes stojí každý 4,5 milionů dolarů) po hejna drobných čidel menších než můra za několik pencí.
Vědce tento koncept též zajímá. Rádi by rozprašovali chytrý prach, aby během tornád, sopečných výbuchů, zemětřesení, povodní, lesních požárů a jiných přírodních jevů mohli sledovat současně tisíce stanovišť. Například ve filmu Twister vidíme partu ostřílených lovců tornád, jak riskují život a zdraví, aby umístili kolem tornáda čidla. To není příliš efektivní. Místo aby hrstka vědců během sopečného výbuchu nebo tornáda rozmisťovala několik málo čidel, která budou měřit teplotu, vlhkost a rychlost větru, může chytrý prach přenášet údaje z tisíců různých stanovišť současně na vzdálenost stovek kilometrů. Vloží-li se tato data do počítače, přinesou okamžitě informaci o vývoji hurikánu nebo sopky ve 3D a v reálném čase. Už vznikly i obchodní společnosti, které budou uvádět na trh taková nepatrná čidla, z nichž některá nejsou větší než špendlíková hlavička. Další výhodou nanolodí je, že na jejich vyslání do kosmu stačí velmi málo paliva. Na rozdíl od obrovských nosných raket, které dosahují rychlosti pouze 40 000 km/hod, je poměrně snadné vyslat do vesmíru drobné objekty letící neuvěřitelnou rychlostí. Je třeba docela snadné pomocí obyčejného elektrického pole vystřelit subatomární částice rychlostí blízkou rychlosti světla. Tyto nanočástice nesou malý elektrický náboj a proto je snadné je elektrickým polem urychlit.
Místo abychom na vyslání sondy na nějaký měsíc nebo planetu vynaložili obrovské zdroje, mohla by mít jediná sonda schopnost sama se rozmnožit, a tak vytvořit celou továrnu, nebo dokonce měsíční základnu. Tyto samoreplikující se sondy se pak mohou vydat na průzkum jiných světů. (Problémem je vytvořit první nanosondu, jež se sama replikuje. To je stále ještě vzdálená budoucnost.) Roku 1980 vzala NASA myšlenku robota, jenž se sám replikuje, natolik vážně, že uspořádala speciální vědecký workshop nazvaný Advanced Automation for Space Missions, který se konal na University of Santa Clara a zabýval se několika možnostmi. Vědci z NASA zkoumali možnost vyslat malé, samoreplikující se roboty na Měsíc. Robot by tam používal místní horniny a vytvářel neomezené množství kopií sebe sama.
Většina závěrečné zprávy se věnuje detailům, jak zkonstruovat chemickou továrnu na zpracování měsíčních hornin (zvaných regolity). Robot by například přistál na Měsíci, rozložil se, pak znovu uspořádal své části tak, aby vznikla nová továrna, docela jako hračka transformer. Robot by například mohl vytvořit velká parabolická zrcadla, která by soustřeďovala sluneční světlo a začala regolity tavit. Pak by je vylouhoval kyselinou fluorovodíkovou, aby z regolitů získal použitelné minerály a kovy. Z kovů by pak byla vyrobena měsíční základna. Nakonec by robot zkonstruoval malou měsíční továrnu k samoreprodukci.
Na základě této zprávy začal roku 2002 ústav Institute for Advanced Concepts NASA financovat sérii projektů založených na těchto samoreplikujících se robotech.Jedním z vědců, kteří návrh vesmírné lodi na čipu berou vážně, je Mason Peck z Cornell University.
Měl jsem možnost navštívit Pecka v jeho laboratoři, kde na pracovním stole bylo plno komponentů, jež by nakonec mohly být vyslány na oběžnou dráhu. Vedle byla malá čistá místnost s plastovými závěsy na stěnách, kde se jemné součástky družice montují.
Jeho vize výzkumu vesmíru se diametrálně liší od toho, co nám předvádějí hollywoodské filmy. Představuje si mikročip o velikosti jednoho centimetru a vážící jeden gram, který by se dal urychlit na 1 až 10 procent rychlosti světla. Využívá k tomu prakového efektu, s jehož pomocí NASA navyšuje rychlost svých vesmírných lodí. Při tomto manévru vesmírná loď proletí v těsné blízkosti planety jako kámen v praku, a tak se gravitačního pole planety užije ke zvýšení rychlosti lodi.
Místo gravitace však chce Peck využít magnetických sil. Napadlo ho vyslat loď s mikročipem tak, aby proletěla kolem magnetického pole Jupitera, které je 20 000krát silnější než pole zemské. Chce urychlit své miniaturní hvězdné koráby pomocí magnetické síly, které se používá k urychlování subatomárních částic na biliony elektronvoltů v našich urychlovačích.
Ukázal mi vzorek lodě, která podle jeho názoru jednoho dne proletí kolem Jupitera. Je to malý čtvereček, menší než špička prstu, plný obvodů. Jeho hvězdná loď bude prostá. Na jedné straně čipu je sluneční článek, poskytující energii pro komunikaci. Na druhé straně je rádiový vysílač, kamera a další čidla. Zařízení nemá žádný motor, protože je poháněno pouze magnetickým polem Jupitera. (Institute for Advanced Concepts, jenž od roku 1998 financoval tento a další novátorské návrhy pro vesmírný program, byl bohužel v roce 2007 vzhledem k rozpočtovým škrtům uzavřen.)
Takže Peckova vize hvězdné lodi se pronikavě liší od toho, co vídáme ve sci-fi filmech, kde do kosmu odlétají obrovské kosmické lodě, pilotované mužstvem odvážných astronautů. Kdyby například byla založena základna na jednom z Jupiterových měsíců, pak by mohly být na oběžnou dráhu kolem obří planety vyslány stovky těchto drobných čipů. Kdyby na onom měsíci byly také postaveny baterie laserových děl, pak by bylo možné „postrčit“ čipy světlem laseru a zvýšit jejich rychlost až na zlomek rychlosti světla.
Pak jsem mu položil jednoduchou otázku: Jste schopen s použitím nanotechnologie zredukovat své čipy na velikost molekul? Jestliže ano, pak místo Jupiterova magnetického pole byste pro urychlení těchto čipů mohl použít urychlovačů umístěných na našem vlastním měsíci, a tak vystřelovat sondy velikosti molekul rychlostí blížící se rychlosti světla. Souhlasil, že by to byla reálná možnost, že však ještě nepropracoval detaily.
Tak jsme vzali list papíru a začali společně sestavovat rovnice pro tuto možnost. (To je způsob, jak my vědci ve výzkumu navzájem komunikujeme, jdeme k tabuli nebo vezmeme papír, abychom problém vyřešili zápisem rovnic.) Napsali jsme si rovnice pro Lorentzovu sílu, kterou Peck užívá k urychlení svých lodí kolem Jupitera, pak jsme čipy ovšem zredukovali na velikost molekul a umístili je do pomyslného urychlovače, jako je LHC (Large Hadron Collider) v CERNu.
Rychle bylo vidět, že rovnice umožňují, aby se taková hvězdná nanoloď urychlila téměř na rychlost světla, pouze s použitím konvenčního urychlovače postaveného na Měsíci. Protože jsme zredukovali velikost naší kosmické lodě z čipu na molekulu, mohli jsme zredukovat velikost našeho urychlovače z velikosti Jupitera na velikost běžného urychlovače. Vypadalo to, že tento nápad je skutečně proveditelný. Po analýze rovnic jsme se však shodli na tom, že jediným problémem je stabilita těchto jemných kosmických nanolodí. Neroztrhne urychlovač nakonec tyto molekuly? Jako u míče, jímž kolem sebe točíme na provázku, by na tyto molekuly při urychlování téměř na rychlost světla působily odstředivé síly. Také by byly elektricky nabité, takže by je mohly roztrhnout i elektrické síly. Došli jsme k závěru, že nanolodě jsou jistě jednou z možností, mohlo by však trvat celá desetiletí, než další výzkum zmenší Peckovy čipy na velikost molekuly a zpevní je tak, aby se při urychlení na rychlost blížící se rychlosti světla nerozpadly.
Takže snem Masona Pecka je vyslat hejno čipů k nejbližší hvězdě a doufat, že některé z nich mezihvězdný prostor skutečně překonají. Co však budou dělat, jestliže skutečně dorazí k cíli? Tím se zabývá Pei Zhang z Carnegie Mellon University v Silicon Valley. Vytvořil první flotilu minivrtulníků, které by jednoho dne mohly dorazit na jinou planetu. Pyšně mi svou flotilu swarm-botů ukazoval, vypadají jako dětské hračky. Vzhledem však klamou. Všiml jsem si, že v každém vrtulníku je čip zaplněný složitými obvody. Stisknutím tlačítka vypustil do vzduchu čtyři swarm-boty, jež se rozletěly všemi směry a posílaly zpátky informace. Brzy jsem byl swarm-boty obklopen.
Účelem těchto swarm-botů, jak mi řekl, je poskytovat zásadní pomoc v nouzových situacích, jako jsou požáry nebo výbuchy, tím že provádějí průzkum terénu a pozorování. Nakonec by tyto swarm-boty mohly být vybaveny televizními kamerami a čidly sledujícími teplotu, tlak, směr větru atd., což jsou informace, jež by při takovém neštěstí mohly být velmi důležitě. Tisíce swarm-botů by mohly být vypuštěny nad bitevním polem, požárem, nebo dokonce nad mimozemským terénem. Tyto swarm-boty komunikují i mezi sebou. Když některý z nich narazí do překážky, vyšle tuto informaci prostřednictvím rádiových vln ostatním swarm-botům.
Cesty do vesmíru by se tedy mohly uskutečňovat i tak, že se tisíce levných čipů na jedno použití, zkonstruovaných lidmi jako Mason Peck, vystřelí k nejbližší hvězdě rychlostí blízkou rychlosti světla. Jakmile hrstka z nich dosáhne místa určení, vysunou křídla a rotory a letí nad cizím terénem, přesně jako Pei Zhangova fl otila swarm-botů. Rádiem by vysílaly informace zpět na Zemi. Jakmile by našly slibné planety, vyslala by se druhá generace swarm-botů, aby na těchto planetách založila továrny, které pak vytvoří více kopií těchto swarm-botů, a ty pak letí k další hvězdě. Takový proces by mohl pokračovat do nekonečna.
Tento text je úryvkem z knihy
Michio Kaku: Fyzika budoucnosti – Jak bude věda do roku 2100 utvářet lidský osud a náš každodenní život
Argo a Dokořán 2013
O knize na stránkách vydavatele
