https://madrid.hostmaster.org/articles/rise_fly_orbit/cs.html
Sen o letu byl vždy soutěží mezi trpělivostí a silou. První balónáři 18. století se jemně zvedali do nebe pomocí vztlakových plynů, zatímco inženýři raket 20. století prorazili oblohu ohněm. Oba přístupy sdílejí stejný cíl – uniknout tyranii gravitace – ale liší se radikálně ve filozofii. Jeden používá vzduch jako partnera; druhý ho považuje za překážku. Mezi těmito dvěma extrémy leží třetí cesta, ještě nerealizovaná v praxi, ale již nedávno nemožná v principu: solární poháněná vzducholoď, která dokáže letět do oběžné dráhy, zvedající se nejprve vztlakem, pak aerodynamickým zvedáním a nakonec centripetální podporou, a to vše bez chemického pohonného média.
V jádru tohoto konceptu stojí elektroaerodynamická (EAD) pohonná soustava – forma elektrického tahu, která využívá elektrická pole k urychlení iontů ve vzduchu. Zrychlené ionty přenáší hybnost na neutrální molekuly, čímž vytvářejí proud a čistý tah na elektrodách. Na rozdíl od rakety, která musí nést reaktivní hmotu, nebo vrtule, která potřebuje pohyblivé lopatky, elektroaerodynamická pohonná soustava funguje bez pohyblivých částí a bez palubního výfuku, pouze se slunečním světlem a vzduchem. Když je spojena s vysoce účinnou solární polností a umístěna na velkém, ultralehkém zvedacím tělesu, poskytuje chybějící složku pro udržené zrychlení v horní atmosféře, kde je odpor malý, ale vzduch stále přítomný.
Návrh je jednoduchý k popisu, ale náročný k realizaci:
Tento nápad není fantazie. Každý krok je zakořeněn v známé fyzice: vztlak, solární energie, elektrostatika a mechanika oběžných drah. Co se mění, je časová škála. Místo minut hoření zvažujeme týdny slunečního světla. Místo tun pohonného média spoléháme na pole a trpělivost.
Každá diskuse o vesmírných letech začíná a končí energií. Kinetická energie na kilogram hmotnosti potřebná k udržení kruhové oběžné dráhy kolem Země je dána
\(E_k = \frac{1}{2}v^2\)
kde \(v\) je oběžná rychlost. Pro nízkou oběžnou dráhu \(v \approx 7.8 \times 10^3 \ \mathrm{m/s}\), takže \(E_k \approx 3.0 \times 10^7 \ \mathrm{J/kg}\), neboli zhruba 30 megajoulů na kilogram. To je energetický ekvivalent spálení přibližně jednoho kilogramu benzínu na každý kilogram umístěný do oběžné dráhy. Je to velké číslo, ale ne astronomicky velké.
Nyní to porovnejte s kontinuálním solárním tokem na vrcholu zemské atmosféry: asi 1 360 wattů na čtverečný metr. Pokud bychom dokázali převést i malou část toho na kinetickou energii během dnů nebo týdnů, mohli bychom v principu dodávat potřebnou oběžnou energii. Moderní vysoce výkonné fotovoltaické polnosti mají specifické výkony řádu stovek wattů na kilogram. Při \(P_{\mathrm{sp}} = 300 \ \mathrm{W/kg}\) produkuje jeden kilogram polnosti 300 jouleů za sekundu. Během dne (\(8.64 \times 10^4\) sekund) je to \(2.6 \times 10^7\) jouleů – srovnatelné s oběžnou energií jednoho kilogramu hmoty.
Toto jednoduché porovnání ukazuje logiku tohoto přístupu. Energie pro oběžnou dráhu je dostupná ze Slunce asi za jeden den na kilogram polnosti, pokud ji lze účinně převést na tah. Praktickou výzvou je, že odpor a neefektivnosti pohltí většinu. Řešením je výška a trpělivost: pracovat v řídkém vzduchu, kde je odpor nízký, a protáhnout proces na týdny místo hodin.
Rakety řeší problém odporu hrubou silou – jdou tak rychle, že vzduch je irelevantní. Vzducholodě naopak spolupracují se vzduchem; mohou se zdržovat. Pokud je čas považován za spotřební zdroj, může nahradit hmotu pohonného média. Úkolem vzducholodě je udržovat malé, ale vytrvalé zrychlení během dlouhých období, možná řádu \(10^{-3} \ \mathrm{m/s^2}\), dokud nebude dosaženo oběžné rychlosti.
Pokud výstup do oběžné dráhy trvá tři týdny, neboli zhruba \(1.8 \times 10^6\) sekund, je průměrné zrychlení potřebné
\(\bar{a} = \frac{\Delta v}{t} = \frac{7.8 \times 10^3}{1.8 \times 10^6} \approx 4.3 \times 10^{-3} \ \mathrm{m/s^2}\)
– méně než polovina tisíciny zemské gravitace. Takové zrychlení jsou pro vzducholoď snadno snesitelná; nevyvolávají žádné strukturální namáhání. Jediní obtíží je udržet je, vzhledem k malému množství tahu dostupného na jednotku výkonu.
Pokud má vozidlo hmotnost \(10^3 \ \mathrm{kg}\), průměrné zrychlení \(4 \times 10^{-3} \ \mathrm{m/s^2}\) vyžaduje pouze asi 4 newtony čistého tahu – méně než váha jablka. Zdánlivá absurdita dosažení oběžné dráhy tahem jablka mizí, když se čas protáhne na týdny.
Vzducholoď začíná svou cestu jako jakýkoli lehký než vzduch: vymístěním vzduchu lehčím plynem. Vztlaková síla je dána
\(F_b = (\rho_{\mathrm{air}} - \rho_{\mathrm{gas}}) g V\)
kde \(V\) je objem plynu a \(\rho\) příslušné hustoty. U hladiny moře \(\rho_{\mathrm{air}} \approx 1.2 \ \mathrm{kg/m^3}\), \(\rho_{\mathrm{He}} \approx 0.18 \ \mathrm{kg/m^3}\) a \(\rho_{\mathrm{H_2}} \approx 0.09 \ \mathrm{kg/m^3}\). Vodík poskytuje mírně větší vztlak, asi 1,1 kg na kubický metr, oproti 1,0 kg na kubický metr pro helium. Rozdíl se zdá malý, ale kumuluje se přes tisíce kubických metrů.
Vodík tedy nabízí měřitelnou výkonnostní výhodu, i když za cenu hořlavosti. Vyžaduje přísné elektrické zónování a ventilační protokoly, zvláště protože vozidlo také nese vysokonapěťové elektrostatické systémy. Helium nabízí nižší vztlak, ale úplnou inertnost. Oba plyny jsou životaschopné; volba závisí na toleranci rizika mise. Pro rané veřejné nebo testy v obydlených oblastech je helium preferovatelné. Pro vzdálené nebo orbitální pokusy může být vodík oprávněný.
Jak vozidlo stoupá, hustota vzduchu klesá přibližně exponenciálně se škálovací výškou \(H \approx 7.5 \ \mathrm{km}\). Na 30 km je hustota asi \(1/65\) hladiny moře; na 50 km \(1/300\). Vztlak slábne odpovídajícím způsobem, ale i odpor. Plavidlo je navrženo tak, aby dosáhlo neutrálního vztlaku ve výšce, kde zůstává vysoká solární intenzita, ale dynamický tlak je minimální – zhruba 30–40 km ve stratosféře. Odtud začíná horizontální zrychlení.
Pro udržení výšky při zrychlení se vzducholoď může částečně spoléhat na aerodynamické zvedání. Pro trup zvedacího tělesa jsou síly zvedání a odporu
\(F_L = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_L, \qquad F_D = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_D\)
kde \(A\) je referenční plocha, \(C_L\) a \(C_D\) koeficienty zvedání a odporu. Protože \(\rho\) je v malé výšce malé, tyto síly jsou malé; vozidlo kompenzuje velkou plochou a nízkou hmotností.
Poměr \(L/D = C_L / C_D\) určuje účinnost aerodynamického letu. Moderní kluzáky mohou překročit \(L/D = 50\) v hustém vzduchu. Ultralehká vzducholoď navržená s extrémní hladkostí a minimálními přívěsky by mohla plausibilně udržet efektivní \(L/D\) 10–20 i v řídkém vzduchu. Ale jak se vzduch dále řídí, přechod k orbitálnímu letu není omezen zvedáním – je řízen výkonem odporu.
Výkon potřebný k překonání odporu je
\(P_D = F_D v = \frac{1}{2} \rho v^3 A C_D\)
a škáluje s kubem rychlosti. Proto rakety zrychluje rychle: pokud se zdržují, odpor spotřebovává jejich energii exponenciálně. Vzducholoď bere opačnou cestu: zrychluje tam, kde je \(\rho\) tak malé, že \(P_D\) zůstává omezené i při kilometrech za sekundu.
Pokud například \(\rho = 10^{-5} \ \mathrm{kg/m^3}\) (typické poblíž 60 km výšky), \(A = 100 \ \mathrm{m^2}\), \(C_D = 0.05\) a \(v = 1\,000 \ \mathrm{m/s}\), pak
\(P_D = 0.5 \times 10^{-5} \times (10^3)^3 \times 100 \times 0.05 = 2.5 \times 10^4 \ \mathrm{W}\),
nebo 25 kW – snadno v dosahu solárního. Naopak u hladiny moře by stejná konfigurace potřebovala 25 gigawattů.
Pravidlo je jednoduché: řídký vzduch kupuje čas, a čas nahrazuje pohonné médium.
Na počátku 20. století fyzikové pozorovali, že silná elektrická pole poblíž ostrých elektrod ve vzduchu vytvářejí slabou modrou korónu a jemný proud vzduchu. Tento „elektrický vítr“ vzniká přenosem hybnosti mezi ionty a neutrálními částicemi. Byl považován většinou za zvědavost, dokud se vysokonapěťová elektronika nedozrála. Když je správně uspořádán, může efekt produkovat měřitelný tah.
Elektroaerodynamická pohonná soustava funguje aplikací vysokého napětí mezi emitorem, tenkým drátem nebo hranou, která produkuje ionty, a sběračem, širší elektrodou, která je přijímá. Ionty se zrychluje v elektrickém poli, narážejí do neutrálních molekul vzduchu a předávají hybnost plynu dopředu. Zařízení cítí stejnou a opačnou reakci, čímž vytváří tah.
Zatímco rané demonstrace byly skromné, nedávné experimenty – včetně pevnokřídlého iontového letadla zalétaného MIT v roce 2018 – prokázaly, že je možný stabilní, tichý let. Přesto nápad předchází této milníku. O roky dříve výzkum do formulací založených na Maxwellově tenzoru elektroaerodynamického tahu ukázal, jak stejná fyzika může škálovat na větší geometrie a řidší vzduch. V této formalizaci tah nevzniká z „větru“, ale z elektromagnetického napětí integrováného přes objem oblasti výboje.
Relevantní rovnice je odvozena z Maxwellova napěťového tenzoru \(\mathbf{T}\), který pro elektrostatické pole je
\(\mathbf{T} = \varepsilon \left( \mathbf{E}\mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \mathbf{I} \right)\)
kde \(\varepsilon\) je permitivita média, \(\mathbf{E}\) vektor elektrického pole a \(\mathbf{I}\) identitní tenzor. Čistá elektromagnetická síla na těleso je získána integrací tohoto tenzoru přes jeho povrch:
\(\mathbf{F}_{\mathrm{EM}} = \oint_{\partial V} \mathbf{T} \cdot \mathbf{n} \, dS\).
V ionizované oblasti se to zjednoduší na objemovou hustotu síly
\(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \nabla \varepsilon\),
kde \(\rho_e\) je lokální hustota náboje. V plynu přibližně uniformní permitivity druhý člen mizí, zanechávajíc elegantní Coulombovu tělesnou sílu
\(\mathbf{f} \approx \rho_e \mathbf{E}\).
Tento kompaktní výraz je esencí elektroaerodynamické pohonná soustavy: kdekoji existuje elektrické pole a prostorový náboj, působí čistá tělesná síla na médium.
Samotné ionty jsou málo, ale jejich hybnost je přenášená na neutrální částice kolizemi. Střední volná dráha \(\lambda\) mezi kolizemi určuje, jak se hybnost difuzuje; škáluje inverzně s tlakem. Při nižších tlacích ionty cestují dál na kolizi a účinnost přenosu hybnosti se mění. Existuje optimální tlakový pásmo, kde ionty mohou stále kolizovat dost často, aby tlačily plyn, ale ne tak často, aby plýtvaly energií ohřevem. Pro zemskou atmosféru leží toto pásmo přibližně mezi několika torry a několika millitory – přesně rozsah mezi 40 a 80 kilometry výšky.
Obal vzducholodě se tak stává ideálním hostitelem pro elektroaerodynamické dlaždice fungující v jejich přirozeném prostředí. Atmosféra samotná je reaktivní hmotou.
Na první pohled se elektroaerodynamická pohonná soustava zdá nepravděpodobná. Nápad, že tichá, nehybná sada elektrod může generovat tah dost silný k pohybu vzducholodě, se zdá v rozporu s běžnou zkušeností. Absence viditelné reaktivní hmoty nebo pohyblivé mechaniky zpochybňuje intuici. Přesto každý ion, který se unáší v elektrickém poli, nese hybnost a hybnost je zachována. Pole působí jako neviditelná páka a vzduch jako jeho pracovní kapalina.
Základy tohoto jevu spočívají ne v exotické fyzice plazmatu, ale v Maxwellových rovnicích a jejich mechanickém vyjádření, Maxwellově napěťovém tenzoru. Tato tenzorová formulace jasně ukazuje, že elektrická pole nejsou jen vzory potenciálu – ukládají a přenáší mechanické napětí v okolní médiu.
Maxwellův napěťový tenzor v elektrostatice je
\(\mathbf{T} = \varepsilon \left( \mathbf{E}\mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \mathbf{I} \right)\)
kde \(\varepsilon\) je permitivita, \(\mathbf{E}\) elektrické pole a \(\mathbf{I}\) identitní tenzor. První člen představuje směrový tlak podél siločar a druhý člen izotropní napětí odolávající divergenci pole.
Čistá elektromagnetická síla na těleso ponořené v takovém poli je povrchový integrál tohoto tenzoru:
\(\mathbf{F}_{\mathrm{EM}} = \oint_{\partial V} \mathbf{T} \cdot \mathbf{n} \, dS\).
Fyzikálně tento výraz říká, že elektrické pole vyvíjí napětí na hranice jakékoli oblasti obsahující náboj nebo gradienty dielektrik. Ale lze ho přepsat do lokálnější, objemové formy pomocí divergence:
\(\mathbf{f} = \nabla \cdot \mathbf{T} = \rho_e \mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \nabla \varepsilon\).
První člen, \(\rho_e \mathbf{E}\), je známá Coulombova tělesná síla: hustota náboje zažívající pole. Druhý člen je důležitý pouze tam, kde se permitivita média rychle mění, jako na hranicích materiálů. Ve vzduchu je \(\varepsilon\) v podstatě uniformní, takže \(\nabla \varepsilon \approx 0\), zanechávajíc
\(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E}\).
Tato zdánlivě jednoduchá rovnice kódová celý princip elektroaerodynamické pohonná soustavy. Pokud existuje objem plynu, ve kterém ionty (s hustotou \(\rho_e\)) zažívají elektrické pole \(\mathbf{E}\), pak na ten plyn působí čistá hustota síly. Velikost celkového tahu je objemový integrál \(\rho_e \mathbf{E}\) přes oblast výboje:
\(\mathbf{F} = \int_V \rho_e \mathbf{E} \, dV\).
Elektrody cítí stejnou a opačnou reakci, čímž vytvářejí tah.
Ionty ve vzduchu zřídka cestují daleko před kolizí s neutrálními molekulami. Střední volná dráha \(\lambda\) je nepřímo úměrná tlaku plynu \(p\) a průřezu \(\sigma\):
\(\lambda \approx \frac{kT}{\sqrt{2} \pi d^2 p}\)
kde \(d\) je molekulární průměr. U hladiny moře je \(\lambda\) malinká – řádu desítek nanometrů. V mezosféře (kolem 70 km) se \(\lambda\) protáhne na milimetry nebo centimetry.
Když se ion zrychluje pod polem, přenáší hybnost na neutrální částice kolizemi. Každá kolize sdílí zlomek směrované hybnosti iontu; kumulativní efekt je hmotný neutrální proud – co experimentátoři nazývají iontový vítr. Plyn se pohybuje od emitoru ke sběrači a elektrody zažívají opačný reakční tah.
V velmi hustém vzduchu ionty kolizují příliš často; jejich dřící rychlost saturuje a energie se ztrácí jako teplo. V extrémně řídkém vzduchu jsou kolize příliš vzácné; ionty letí volně, ale efektivně netáhnou neutrální částice. Mezi těmito extrémy leží sladké místo, kde střední volná dráha umožňuje účinný přenos hybnosti – přesně oblast, kterou vzducholoď prochází na cestě do vesmíru.
Při tlacích asi \(10^{-2}\) až \(10^{-4}\) bar (odpovídajících 40–80 km výšce) se ionty mohou zrychlit přes makroskopické vzdálenosti před kolizí, přesto kolize stále probíhají dost často, aby vytvořily tah. Elektroaerodynamické spojování mezi polem a plynem je v nejlepším.
Elektrický výkon dodaný do výboje je \(P = \int_V \mathbf{J} \cdot \mathbf{E} \, dV\), což je přibližně \(IV\) pro stabilní proud \(I\) a napětí \(V\). Užitečný mechanický výstup je tah krát rychlost zrychlené vzdušné hmoty, ale ve stabilní pohonná soustavě nás zajímá především poměr tahu k výkonu, \(T/P\).
Empirické studie hlásí hodnoty \(T/P\) od několika millinewtonů na watt (\(\mathrm{mN/W}\)) po téměř \(0.1 \ \mathrm{N/W}\) za optimalizovaných podmínek. V atmosférickém vzduchu při standardním tlaku je EAD neefektivní; ale při snížených tlacích se zvyšuje iontová mobilita a hustota proudu lze udržet při nižších napětích, zlepšujíc \(T/P\).
Jednoduchý dimenzionální argument spojuje hustotu tělesné síly \(f = \rho_e E\) s hustotou proudu \(J = \rho_e \mu E\), kde \(\mu\) je iontová mobilita. Pak
\(f = \frac{J}{\mu}\),
takže pro danou hustotu proudu vyšší mobilita (dosažená při nižším tlaku) dává více tahu na proud. Celkový elektrický výkon je \(P = J E V\), takže tah k výkonu škáluje jako
\(\frac{T}{P} \approx \frac{1}{E \mu}\),
což naznačuje, že nižší elektrická pole nebo vyšší iontová mobilita zvyšují účinnost. Ale nižší \(E\) také snižuje proud a tím celkový tah, takže opět existuje optimální režim.
Tyto vztahy nejsou teoretické zvědavosti – určují návrh každé EAD dlaždice. Na dané výšce musí být napětí, vzdálenost mezer a geometrie emitoru naladěny tak, aby Paschenova křivka (která spojuje průrazové napětí s produktem tlak–vzdálenost) byla splněna, ale ne překročena.
Paschenův zákon pro vzduch lze vyjádřit přibližně jako
\(V_b = \frac{B p d}{\ln (A p d) - \ln [\ln (1 + 1/\gamma_{\mathrm{se}})]}\)
kde \(A\) a \(B\) jsou empirické konstanty a \(\gamma_{\mathrm{se}}\) je koeficient emise sekundárních elektronů. Proměnná geometrie vzducholodě umožňuje dynamicky upravovat \(d\), vzdálenost mezi elektrodami, aby se udržel účinný korónový výboj bez oblouku, jak klesá okolní tlak během stoupání.
Rané demonstrace „lifterů“ používaly tenký drát jako emitor a plochou fólii jako sběrač. Siličáry byly silně zakřivené a většina energie šla na udržení koróny spíše než na užitečný tah. Účinnost byla špatná, protože Maxwellovo napěťové pole nebylo zarovnáno se směrem požadovaného tahu.
Klíčový vhled – vyvinutý v teoretické práci předcházející ionoplánu MIT – byl považovat elektrické pole ne za vedlejší produkt, ale za primární návrhovou proměnnou. Tah vzniká z integrálu elektromagnetického napětí podél siločar, takže cílem je tvarovat tyto čáry tak, aby byly paralelní a konzistentní přes širokou oblast. Analogie je aerodynamická: stejně jako hladký laminární proud minimalizuje odpor, hladká elektrostatická topologie pole maximalizuje směrované napětí.
Toto „inženýrství topologie pole“ přeformulovává zařízení jako elektrostatický aktuátor spíše než hračku s plazmatem. Řízením zakřivenosti elektrod, strážných potenciálů a dielektrických vrstev lze udělat \(\mathbf{E}\) téměř uniformní přes cestu zrychlení, čímž se produkuje kvazi-lineární napětí a vyhýbá se destruktivnímu samo-soustředění způsobujícímu oblouk.
Důsledkem je škálovatelnost. Když jsou elektrody teselovány do čtverečních metrů dlaždic, každá s vlastním vysokonapěťovým měničem a řídicí logikou, celý obal vzducholodě lze proměnit v obří distribuovaný EAD pole. Nejsou tu pohyblivé části k synchronizaci, pouze pole k koordinaci.
Objemová hustota tělesné síly je \(f = \rho_e E\). Hustota náboje v typickém korónovém výboji při atmosférickém tlaku je řádu \(10^{-5}\) až \(10^{-3} \ \mathrm{C/m^3}\). Při sníženém tlaku může mírně klesnout, ale elektrické pole \(E\) lze bezpečně zvýšit na desítky kilovoltů na centimetr bez průrazu.
Pokud \(\rho_e = 10^{-4} \ \mathrm{C/m^3}\) a \(E = 10^5 \ \mathrm{V/m}\), je hustota síly \(f = 10 \ \mathrm{N/m^3}\). Rozprostřená přes 1 m tlustou aktivní oblast dává povrchové napětí 10 N/m² – ekvivalent několika millipascalů. To se může zdát malé, ale přes tisíce čtverečních metrů se stává významné. Povrch 1000 m² s napětím 10 N/m² produkuje 10 000 N tahu, dost na zrychlení vícetunového vozidla na milligee úrovni – přesně režim potřebný pro týdenní zvedání do oběžné dráhy.
Takové odhady ilustrují, proč EAD, navzdory nízké hustotě výkonu, stává se proveditelnou pro velké, lehké struktury v řídkém vzduchu. Na rozdíl od tryskové trysky, která získává účinnost pouze při vysoké hustotě výkonu, EAD získává výhodu z plochy. Obal vzducholodě poskytuje hojnou plochu; proměna v aktivní povrch je přirozený zápas.
Každý fyzikální systém má provozní niké. Pro EAD pohonnou soustavu je nejlepší režim tam, kde je tlak plynu dost nízký, aby umožnil vysoká napětí a dlouhé střední volné dráhy iontů, ale ne tak nízký, aby se plazma stala bezkolizní.
Pod asi 20 km je atmosféra příliš hustá: iontová mobilita je nízká, průrazová napětí vysoká a energie se plýtvá ohřevem plynu. Nad zhruba 100 km se vzduch stává příliš řídkým: ionizace nelze udržet kontinuálně a neutrální reaktivní hmotu mizí. Mezi asi 40 a 80 km leží přechodné pásmo – dolní mezosféra – kde může EAD pohonná soustava produkovat své nejlepší poměry tahu k výkonu.
Vhodně, toto je také rozsah výšky, kde solární energie zůstává téměř neoslabená a aerodynamický odpor je řády menší než u hladiny moře. Je to úzké, ale shovívavé okno, přirozený koridor pro nový druh vozidla: ani letadlo, ani raketa, ale něco, co žije v překryvu mezi nimi.
V jakémkoli okamžiku se vstupní elektrický výkon \(P\) dělí mezi:
Celková účinnost je \(\eta = P_T / P\). Experimenty naznačují, že \(\eta\) může dosáhnout několika procent v hustém vzduchu a potenciálně desítek procent v optimalizovaném provozu při nízkém tlaku. I když skromné, tyto čísla jsou dostatečná pro solárně poháněný systém fungující během dlouhých trvání, kde lze účinnost vyměnit za čas.
Na rozdíl od chemické pohonná soustavy, která musí dosáhnout vysoké účinnosti za sekundu, aby minimalizovala palivo, si solární EAD vzducholoď může dovolit neefektivitu, pokud může fungovat neomezeně. Metrikou úspěchu není specifický impuls, ale specifická trpělivost: jouly nahromaděné během dnů.
Pro ilustraci spojitosti mezi teorií pole a běžnou zkušeností zvažte kondenzátor s rovnoběžnými deskami ve vakuu. Tlak mezi deskami je \(p = \frac{1}{2}\varepsilon_0 E^2\). Pokud \(E = 10^6 \ \mathrm{V/m}\), pak \(p \approx 4.4 \ \mathrm{N/m^2}\). Vynásobte plochou a získáte mechanickou sílu potřebnou k oddělení desek. Elektrostatické napětí je doslova mechanický tlak.
EAD pohonná soustava nahrazuje jednu desku atmosférou samotnou. Ionty jsou médiem, přes které se napětí pole přenáší. Místo statického tlaku dostáváme směrový proud. Rovnice \(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E}\) je dynamickou analogií toho statického kondenzátorového tlaku.
Když se sečte přes povrch vzducholodě, integrované napětí se stává čistým vektorem tahu, stejně jako integrovaný tlak přes povrch křídla dává zvedání. Analogie je hluboká: aerodynamické zvedání je tok hybnosti vzduchu odkloněného povrchem; EAD tah je tok hybnosti iontů zrychlených polem.
Po desetiletí skeptici odmítali EAD jako laboratorní zvědavost. Pak v roce 2018 malé pevnokřídlé letadlo postavené MIT demonstrovalo stabilní, bezvrtulový let poháněný výhradně elektroaerodynamickým tahem. „Ionoplán“ vážil asi 2,5 kilogramu a letěl desítky metrů na bateriový pohon. Jeho poměr tahu k hmotnosti byl malý, ale úspěch byl historický: první těžší než vzduch vozidlo udržené v letu iontovou pohonnou soustavou.
Klíčové je, že teorie a koncepční základy vedoucí k této demonstraci byly již nezávisle ve vývoji. Teoretický rámec prezentovaný v Elektroaerodynamická pohonná soustava (viz https://farid.ps/articles/electroaerodynamic_propulsion/en.html) popsal stejný mechanismus v termínech Maxwellova napětí a Coulombovy tělesné síly o roky dříve, zdůrazňujíc topologii pole a škálovatelnost spíše než chemii koróny.
MIT ionoplán prokázal praktičnost efektu v hustém vzduchu. Projekt Rise–Fly–Orbit se snaží ho rozšířit do řídkého vzduchu, kde se fyzika stává ještě příznivější. Pokud malé letadlo může létat při 1 baru, solární vzducholoď může letět do oběžné dráhy při mikrobarech, za předpokladu dostatečné trpělivosti a slunečního světla.
EAD pohonná soustava je koncepčně elegantní: bez pohyblivých částí, bez hoření, bez vysoko-rychlostního výfuku, bez kryogeniky. Její komponenty jsou odolné v přírodě – elektrody, dielektrika, měniče výkonu a fotovoltaická kůže. Systém škáluje přirozeně s plochou, ne hmotností.
Technická výzva se posouvá od termodynamiky k elektrotechnice a materiálové vědě: prevence eroze koróny, řízení úniku náboje a udržení vysokonapěťové izolace při proměnlivých tlacích. To jsou řešitelné moderními materiály a mikroelektronikou.
Protože mechanismus EAD závisí pouze na geometrii pole a iontové mobilitě, je inherentně modulární. Každý čtverečný metr kůže vzducholodě lze považovat za dlaždici s známými \(T/P\) a napěťovými charakteristikami. Celkový tah vozidla je vektorový součet tisíců nezávislých dlaždic. Tato modularita umožňuje ladnou degradaci – selhání několika modulů neohrozí celé plavidlo.
Když je spojena se solární energií, EAD pohonná soustava se stává nejen zdrojem tahu, ale klimatickým systémem pro vozidlo. Stejná pole, která generují tah, také ionizují stopové plyny, snižují povrchové nabíjení a potenciálně ovlivňují vlastnosti hraniční vrstvy. Elektrické pole může dokonce sloužit jako naladitelný „elektrostatický plachta“, slabě interagující se zemským magnetickým polem nebo okolní plazmou v horní atmosféře.
V dlouhodobém horizontu lze představit aktivní řízení odporu manipulací distribucí povrchového náboje – elektrodynamický štít proti odporu, který mění lokální napěťové napětí k úpravě letové dráhy bez mechanických řídicích povrchů.
Tyto možnosti posouvají EAD pohonnou soustavu za zvědavost do říše univerzální technologie řízení letu v pevném stavu – aplikovatelné všude, kde lze polarizovat a zrychlit plyny nebo plazmata elektrickými poli.
Základní výhoda konceptu Rise–Fly–Orbit nespočívá v exotických materiálech nebo revoluční fyzice, ale v přeuspořádání známých principů. Vztlak, solární energie a elektrostatika jsou dobře pochopené. Co je nové, je způsob, jak jsou sekvenovány do jediného kontinua: výstup bez okamžiku diskontinuity.
Rakety procházejí odlišnými režimy – start, vyhoření, plavba, oběžná dráha. Elektroaerodynamická vzducholoď naopak zažívá pouze postupné přechody. Stoupá lehkostí, letí zvedáním a obíhá setrvačností. Každé stadium se prolíná do dalšího, řízené stejnou stabilní interakcí vztlakových, aerodynamických a elektrostatických sil.
Obal vzducholodě musí splnit protichůdné požadavky: musí být lehký a pevný, vodivý a izolační, průhledný pro sluneční světlo, ale odolný vůči záření. To je smířitelné vrstvenou konstrukcí.
Nejvnitřnější vrstva může být metalizovaný polymer – například tenký film aluminizovaného Kaptonu nebo polyethylentereftalátu. Tato vrstva poskytuje ochranu proti UV a slouží jako částečný povrch elektrody pro EAD dlaždice. Pod ní leží dielektrická vrstva, která zabraňuje nežádoucímu výboji a definuje mezeru k vnitřní sběračové elektrodě. Vnitřní struktura je síť natažených membrán a sloupků, které udržují celkovou geometrii při malém vnitřním přetlaku řádu \(Δp \approx 300 \ \mathrm{Pa}\) – jen několik tisícin atmosférického tlaku.
Tento přetlak stačí k udržení obalu napnutého, ale nestačí k významné strukturální hmotě. V efektu je celé vozidlo obrovský, lehký kondenzátor, jehož kůže je nabitá a živá siločárami.
Vnitřní objem je naplněn zvedacím plynem – vodíkem nebo helium. Protože požadovaný přetlak je malý, jsou nároky na nosnost materiálu skromné. Hlavní výzvou je propustnost plynu a UV degradace během dlouhých misí, obě řešitelné moderními povlaky a vrstvenými filmy.
Volba plynu formuje osobnost vozidla.
Vodík nabízí nejvyšší vztlak, poskytující zhruba 10 % více vztlaku než helium. Tento rozdíl se stává podstatným, když celkový objem dosáhne milionů kubických metrů. Vodík je také snadněji k dostání a může být generován in situ solární elektrolýzou vody. Jeho nevýhodou je samozřejmě hořlavost.
Přítomnost vysokonapěťové elektrostatiky dělá řízení vodíku nenáročné. Bezpečnost závisí na pečlivé kompartmentalizaci, elektrostatickém stínění a ventilaci. Samy EAD moduly jsou utěsněné a oddělené od plynových buněk dielektrickými bariérami a potenciální rozdíly přes trup jsou minimalizovány symetrickou distribucí náboje.
Helium naopak je inertní a bezpečné, ale poskytuje méně vztlaku a vyšší náklady. Jeho hlavní nevýhodou je nedostatek; velké škály použití by mohly zatížit dodávky. Pro rané testovací vozidla a veřejné demonstrační lety je helium rozumnou volbou. Pro operační orbitální pokusy ve vzdálených koridorech může být vodík oprávněn výkonností a náklady.
Každopádně je návrh obalu v podstatě kompatibilní; liší se pouze systémy manipulace s plynem a bezpečnosti.
Slunce je motorem plavidla. Každý watt elektrické energie začíná jako sluneční světlo absorbované fotovoltaickou kůží.
Vysoce účinné, ultralehké fotovoltaiky – tenkovrstvové gallium-arsenid nebo perovskitové kompozity laminované na povrch vzducholodě – mohou dosáhnout specifických výkonů blížících se 300–400 W/kg. Polnosti jsou uspořádány konformně k udržení aerodynamické hladkosti. Řízení výkonu je distribuované: každá sekce panelu napájí lokální sledovač maximálního výkonu (MPPT), který reguluje napětí do vysokonapěťové sběrnice napájející EAD dlaždice.
Protože vozidlo zažívá denno-nocní cykly, nese skromný energetický buffer – lehké baterie nebo suprakondenzátory – k udržení nízkonivocových operací přes tmu. Ale nejsou velké; filozofie návrhu systému je přímé solární řízení, ne uložená energie. V orbitálních výškách může plavidlo pronásledovat sluneční světlo téměř kontinuálně, pouze krátce se ponořujíc do zatmění.
Tepelné řízení je řešeno radiativně. S zanedbatelnou konvekcí ve vysoké výšce závisí odvod tepla na vysokoemisivních površích a vodivých cestách k radiátorům. Naštěstí je proces EAD relativně chladný – není tu hoření – a hlavní tepelná zátěž je z absorbovaného slunečního světla.
Každý čtverečný metr obalu funguje jako EAD dlaždice – samostatná pohonná buňka zahrnující emitor, sběrač a malý řídicí obvod. Emitor může být jemná mřížka ostrých bodů nebo drátů při vysokém kladném potenciálu, zatímco sběrač je široká síť držaná blízko země nebo při záporném potenciálu. Prostor mezi je řízená oblast výboje.
Když je aktivována, dlaždice vytváří elektrické pole \(E\), generuje hustotu náboje \(\rho_e\) a produkuje lokální tah \(f = \rho_e E\) směrovaný tangenciálně podél povrchu. Modulací napětí na různých dlaždicích může vzducholoď řídit, pitchovat a rollovat bez pohyblivých částí.
Adaptivní geometrie je klíčová. Jak klesá okolní tlak s výškou, střední volná dráha se zvyšuje. K udržení účinného výboje musí efektivní vzdálenost mezery \(d\) mezi emitorem a sběračem vzrůstat přibližně úměrně \(1/p\). To lze dosáhnout pružnými, nafukovacími dielektrickými distančními prvky, které se mírně rozpínají jak klesá vnější tlak, nebo elektronickou modulací gradientů potenciálu k emulaci větších mezer.
Každá dlaždice hlásí telemetrii – proud, napětí, počty oblouků – centrálnímu řídicímu systému. Pokud dlaždice zažije oblouk nebo degradaci, je vypnuta a obejděna. Modulární návrh znamená, že ztráta jednotlivých dlaždic sotva ovlivní celkový tah.
Let začíná jemně. Při startu vzducholoď stoupá vztlakem do stratosféry. Během stoupání funguje EAD systém v nízkovýkonovém režimu, poskytující menší tah pro stabilizaci a kontrolu driftu.
Na asi 30–40 km výšce, kde je vzduch řídký, ale stále kolizní, začíná hlavní zrychlení. Vzducholoď se postupně otáčí k horizontálnímu letu, orientujíc svou dlouhou osu ve směru zamýšleného orbitálního pohybu.
Počátečně je tah vyvážen mezi horizontálním zrychlením a augmentací zvedání. Reziduální vztlak vozidla kompenzuje většinu jeho hmotnosti; EAD tah poskytuje jak přední, tak mírně vzestupné složky. Jak rychlost roste, dynamické zvedání roste a vztlak se stává zanedbatelným. Přechod je hladký – není tu „okamžik vzletu“, protože vzducholoď nikdy neseděla na ranveji.
Zvažte reprezentativní hmotnost vozidla \(m = 2000 \ \mathrm{kg}\). K dosažení orbitální rychlosti \(v = 7.8 \times 10^3 \ \mathrm{m/s}\) v \(t = 1.8 \times 10^6 \ \mathrm{s}\) (tři týdny) je potřebný průměrný tah
\(T = m \frac{v}{t} = 2000 \times \frac{7.8 \times 10^3}{1.8 \times 10^6} \approx 8.7 \ \mathrm{N}.\)
Osm newtonů – váha malého pomeranče – je celkový tah potřebný k dosažení oběžné dráhy, pokud je aplikován kontinuálně po tři týdny.
Pokud je \(T/P\) systému \(0.03 \ \mathrm{N/W}\), typické pro účinný provoz EAD při nízkém tlaku, pak produkce 8.7 N vyžaduje pouze asi 290 W výkonu. To se zdá ohromně malé a v praxi další ztráty odporem zvýší požadavek na desítky kilowattů. Ale solární panely pokrývající několik set čtverečních metrů to snadno poskytnou.
Zahrňme bezpečnostní faktor 100 pro neefektivnosti a odpor: asi 30 kW elektrického výkonu. S 15 % celkovou účinností od slunečního světla k tahu musí vozidlo sklízet kolem 200 kW solární energie. To odpovídá asi 700 čtverečním metrům aktivní solární plochy při 300 W/m² výstupu – ploše menší než fotbalové hřiště, snadno integrovatelné na vzducholoď délky 100 metrů.
Tato jednoduchá aritmetika demonstruje, že tok energie je plausibilní. Co rakety dosahují hustotou výkonu, vzducholoď dosahuje trpělivostí a plochou.
Odpor zůstává hlavním energetickým jímadlem. Síla odporu je \(F_D = \tfrac{1}{2} \rho v^2 A C_D\) a odpovídající výkon je \(P_D = F_D v = \tfrac{1}{2} \rho v^3 A C_D\).
Na 50 km \(\rho \approx 10^{-3} \ \mathrm{kg/m^3}\). Pokud \(A = 100 \ \mathrm{m^2}\), \(C_D = 0.05\) a \(v = 1000 \ \mathrm{m/s}\), pak
\(P_D = 0.5 \times 10^{-3} \times (10^3)^3 \times 100 \times 0.05 = 2.5 \times 10^6 \ \mathrm{W}\).
To je 2,5 megawattu – příliš vysoké. Ale na 70 km, kde \(\rho = 10^{-5} \ \mathrm{kg/m^3}\), stejná konfigurace dává pouze 25 kW výkonu odporu. Stěžejní je strategie: stoupej při zrychlení, zůstávajíc na trajektorii, kde \(\rho v^3\) zůstává přibližně konstantní.
Optimální koridor je ten s postupně řídnoucím vzduchem, možná 40–80 km výšky, kde atmosféra poskytuje právě dost neutrální hustoty pro fungování EAD, ale dost málo k udržení odporu zvládnutelného.
Bez vrtulí nebo křídel stabilita pochází z symetrie pole. Diferenciální aktivace dlaždic poskytuje točivý moment. Pokud přední dlaždice na levé straně produkují mírně více tahu než na pravé, plavidlo se jemně točí. Řízení pitchu je dosaženo biasováním horních a dolních dlaždic. Protože tah na dlaždici je malý, odezva je pomalá, ale plavidlo operuje v režimu, kde obratnost není nutná.
Senzory postoje – gyroskopy, akcelerometry, hvězdné trackery – napájí digitální řídicí systém, který udržuje orientaci pro maximální sluneční incidenci a správnou letovou dráhu. Obrovská velikost vozidla a pomalý letový režim ho činí pozoruhodně stabilním.
Provoz EAD zahrnuje desítky až stovky kilovoltů při nízkém proudu. V řídkém, suchém vzduchu stratosféry se izolace chová jinak: oblouky se mohou šířit dlouhými vzdálenostmi přes povrchy. Elektrický návrh vzducholodě tedy považuje celou strukturu za řízený potenciálový systém. Vodivé cesty jsou redundantní, s izolačními vrstvami oddělujícími plynové buňky od HV linií.
Oblouk není katastrofický – bývá lokální a samo-uhasínající – ale může poškodit elektrody. Každá dlaždice monitoruje svůj průběh proudu; pokud výboj spikeuje, řídicí systém snižuje napětí nebo vypíná postižený modul na několik sekund.
Tepelně absence konvekce znamená, že jakýkoli lokální ohřev musí být rozptýlen vodivostí k radiativním panelům. Materiály jsou vybrány pro vysokou emisivitu a nízkou absorpci v infračerveném, umožňující vyzařovat přebytečné teplo do vesmíru.
Systém škáluje teselací, ne zvyšováním napětí. Zdvojnásobení počtu dlaždic zdvojnásobí tah; není potřeba větších výbojů. To činí architekturu lineárně škálovatelnou od laboratorních modelů k orbitálním vozidlům.
Praktický prototyp by mohl začít jako malá, helium naplněná platforma s tucetem čtverečních metrů EAD povrchu, generující millinewtonové tahy měřené hodinami. Větší demonstrátory by mohly následovat, každý se rozšiřující v ploše a výkonu. Finální orbitální verze může pokrývat stovky metrů, s tisíci nezávisle řízených dlaždic, operujících pod plnou solární energií měsíce po měsíci.
Protože všechny komponenty jsou pevné stavu, má systém inherentně dlouhou životnost. Nejsou tu ložiska turbín nebo cykly hoření k opotřebení – pouze postupná eroze elektrod a stárnutí materiálů. S pečlivým návrhem by mohl průměrný čas mezi selháními dosáhnout let.
Celou misi lze vizualizovat jako hladkou spirálu v rovině \((v, \rho)\): jak rychlost roste, hustota klesá. Cesta je vybrána tak, aby produkt \(\rho v^3\) – který určuje výkon odporu – zůstal pod prahem, který solární systém může dodávat.
Přechod od „letu“ k „orbits“ není ostrá hranice. Atmosféra bledne postupně; tah kompenzuje odpor, dokud odpor přestane hrát roli. Cesta vozidla se stává kruhovou spíše než balistickou a zůstává ve výšce neomezeně.
Integrací přes celé stoupání je celkový vstup energie ze Slunce obrovský ve srovnání s potřebným. I při skromné sběrné rychlosti 100 kW tři týdny kontinuálního provozu nahromadí
\(E = 100{,}000 \times 1.8 \times 10^6 = 1.8 \times 10^{11} \ \mathrm{J}.\)
Pro 2000 kg vozidlo je to 90 MJ/kg – třikrát více než požadavek na orbitální kinetickou energii. Většina této energie se ztratí odporem a neefektivnostmi, ale marže je štědrá.
Toto je tichá magie solární trpělivosti: když je čas dovolen protáhnout, hojnost energie nahrazuje nedostatek výkonu.
Po dokončení orbitální mise může vzducholoď postupně zpomalit reverzí polarity EAD pole. Odpor roste při klesání; stejný mechanismus, který ji zvedl, nyní působí jako brzda. Vozidlo může znovu vstoupit do stratosféry a plout dolů pod reziduálním vztlakem.
Protože nejsou odhozeny žádné spotřební stupně, je systém plně znovupoužitelný. Obal lze servisovat, znovu naplnit plynem a restartovat. Údržba zahrnuje výměnu degradovaných dlaždic nebo filmů spíše než přestavbu motorů.
Na rozdíl od chemických raket, kde každý start spotřebovává nádrže a pohonné médium, je EAD vzducholoď energeticky recyklujícím kosmickým plavidlem. Slunce ji kontinuálně dobíjí; pouze opotřebení vyžaduje lidskou intervenci.
Stejné technologie umožňující solární EAD vzducholoď – lehké fotovoltaiky, vysokonapěťová elektronika, tenkovrstvová dielektrika – mají okamžité pozemské aplikace. Stratospférické komunikační platformy, senzory klimatu ve vysokých výškách a dlouhodobě vytrvalé drony všechny těží ze stejného vývoje.
Sledováním systému schopného dosáhnout oběžné dráhy bez paliva také vynalézáme novou třídu pevnostavových vzdušných vozidel – strojů, které létají ne hořením, ale manipulací poli.
V tomto smyslu projekt Rise–Fly–Orbit stojí v linii zahrnující Wrightův Flyer a první rakety s kapalným palivem: ne dokončenou technologií, ale důkazem principu, který transformuje, co „let“ může znamenat.
Fyzika solární elektroaerodynamické vzducholodě je permissivní; zákon ne. Dnešní letové pravidla dělí oblohu na úhledně ohraničené domény: vzdušný prostor řízený leteckým právem a vesmír řízený vesmírným právem. Mezi nimi leží šedá oblast – příliš vysoko pro certifikaci letadel, příliš nízko pro orbitální registraci. Vzducholoď do oběžné dráhy žije přímo v té šedé, kontinuálně procházející výšky, které na papíře nepatří žádné kategorii.
Statuty vzdušného prostoru předpokládají vozidla, která startují a přistávají během hodin. Vyžadují certifikované motory, aerodynamické řídicí povrchy a schopnost ustoupit dopravě. Žádný z těchto předpokladů nesedí autonomnímu, solárně poháněnému balónu, který může se zdržovat týdny nad 60 km.
Regulace nosných raket začínají tam, kde rakety pálí: diskrétní zapálení, startovní místo a systém ukončení letu navržený k obsahu exploze. Naše vzducholoď nemá nic z toho. Stoupá pomalu jako mrak; není tu okamžik „startu“. Přesto protože nakonec překročí Mach 1 a dosáhne orbitální rychlosti, spadá pod jurisdikci vesmírných letů. Výsledek je paradoxní: nemůže legálně létat jako letadlo, přesto musí být licencováno jako raketa, kterou nepodobá.
Léčbou je uznat novou kategorii – Hybridní Atmosféricko-Orbitální Vozidlo (HAOV). Její definující rysy by byly:
Rámec HAOV by umožnil certifikaci takových plavidel pod výkonnostními spíše než hardwareovými kritérii – definující bezpečnost v termínech uvolnění energie, otisku na zemi a autonomní schopnosti klesání místo přítomnosti motorů nebo paliva.
Oceánské nebo pouštní koridory by mohly být označeny, kde HAOV mohou operovat kontinuálně, monitorované existujícími sítěmi vesmírné dopravy. Jejich stoupání by představovalo menší riziko pro letectvo než jeden meteorologický balón, přesto současná pravidla jim nenabízejí cestu.
Regulace následuje kulturu a kultura je závislá na rychlosti. Milníky letectví se měří poměry tahu k hmotnosti a minutami do oběžné dráhy. Nápad, že vozidlo může trvat tři týdny k dosažení oběžné dráhy, zní na první slyš jako regrese. Ale trpělivost je cenou udržitelnosti. Vzducholoď navrhuje jiný metrik: ne „jak rychle můžeme spálit energii“, ale „jak kontinuálně ji můžeme hromadit“.
Pro vesmírné agentury zvyklé na startovní okna a odpočítávání takové plavidlo vyžaduje změnu operací: plánování misí podle sezón spíše než sekund; orbitální vložení závislé na geometrii slunečního světla, ne dostupnosti rampy. Přesto tato změna ladí s širším obratem k stabilní infrastruktuře – solárně-elektrickým kosmickým plavidlům, znovupoužitelným stanicím, persistentním klimatickým platformám.
Znovupoužitelná solární-EAD vozidlo nabízí schopnosti, které žádná raketa ani letadlo nemohou napodobit:
Ekonomicky by první operační HAOV nenahradily rakety, ale doplňovaly je, obsluhující niky, kde trpělivost užitečného zatížení převažuje nad naléhavostí. Strategicky by oddělily přístup k blízkému vesmíru od dodavatelských řetězců pohonného média – lákavý rys pro vesmírné agentury hledající udržitelnou infrastrukturu.
Vytvoření kategorie HAOV je méně o lobování než o měření. Regulátoři důvěřují datům. Cesta vpřed je experimentální transparentnost:
Jakmile agentury uvidí kvantifikovaný důkaz, že HAOV nemůže poškodit letadla nebo pozemní populace, právní architektura následuje – jak to udělaly pro vysokovýškové balóny a drony předtím.
Pomalý let má morální váhu. Chemické startovací systémy znečišťují ne proto, že inženýři jsou nedbalí, ale protože fyzika nenabízí čas k recyklaci jejich tepla. Solární vzducholoď naopak spotřebovává nic nenahraditelného. Nahrazuje hluk tichostí, zábleskem září. Její stoupání by bylo viditelné ze země jako jasný, neuspěchaný bod, lidský artefakt stoupající bez násilí.
V éře naléhavosti je takový záměrný pohyb prohlášením: že technologická ambice nemusí být explozivní, aby byla hluboká.
Když raketa dosáhne oběžné dráhy, činí tak hrubým zrychlením: sekundy hoření, které nechávají oblohu chvět se. Elektroaerodynamická vzducholoď přichází jinak. Každý foton, který zasáhne její kůži, přispívá šepotem hybnosti, zprostředkovaný elektrony, ionty a tichou matematikou Maxwellových rovnic. Během tří týdnů se tyto šepoty nahromadí do oběžné dráhy.
Stejný výraz – \(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E}\) – který popisuje mikroampéry iontového driftu v laboratoři, také řídí tisíctunový zvedací trup klouzající horní atmosférou. Škála se mění; princip ne. Maxwellův tenzor, Coulombův zákon a trpělivost slunečního světla jsou univerzální.
Pokud lidstvo naučí využívat tu trpělivost, získáme nový způsob opustit Zemi – takový, který lze opakovat neomezeně, poháněný tou samou hvězdou, která nás udržuje.
Chemická raketová technika je jednosměrným gestem: obrovské úsilí k dosažení oběžné dráhy a abruptní konec při návratu. Elektroaerodynamická vzducholoď naznačuje reverzibilní cestu. Může stoupat a klesat podle vůle, bydlet kdekoli od troposféry po oběžnou dráhu. Je kosmickým plavidlem i habitatem, vozidlem i stanicí.
V té kontinuitě leží filozofická reverze: vesmírný let ne jako odchod, ale jako rozšíření atmosféry. Gradient od vzduchu k vakuu se stává navigovatelným terénem. Taková plavidla by rozmazala hranici mezi meteorologií a astronautikou, proměňujíc „okraj vesmíru“ v živý pracovní prostor spíše než bariéru.
Žádná nová fyzika není potřebná – pouze vytrvalost, přesnost a přeimaginovaná regulace. Energetický rozpočet oběžné dráhy lze zaplatit slunečním světlem; tah může vznikat z elektrických polí působících na ionty; čas lze půjčit z trpělivosti inženýrů.
Překážky jsou kulturní a byrokratické: přesvědčit agentury, že něco, co vypadá jako balón, může skrze matematiku a vytrvalost stát se satelitem. Přesto každá transformační technologie začala jako anomálie v papírování.
Když první z těchto solárních elektroaerodynamických plavidel vystoupí, jeho pokrok bude hodinu po hodině téměř nepostřehnutelný. Ale den po dni bude shromažďovat rychlost, dokud nakonec neklouže za dosah počasí. Nebude tu řev – pouze slabý, kontinuální hučení polí a stabilní akumulace slunečního světla do pohybu.
To označí začátek znovupoužitelného, udržitelného a jemného přístupu k oběžné drahě: způsobu vzestupu, letu a – bez zapálení zápalky – orbits.