Rodí sa v Košiciach budúcnosť vesmírnych letov? Slovenskí študenti vyvíjajú štít, ktorý prekonáva súčasné limity

Zatiaľ čo najmodernejšie rakety a lode už rutinne zvládajú opakované štarty, ich najväčšia technologická slabina je naďalej návrat na Zem. Husté vrstvy atmosféry sú neúprosným testom pre každý tepelný štít. Jeho zlyhanie napríklad v roku 2003 stálo životy siedmich astronautov z raketoplánu Columbia.

Zdokonaľovanie tejto kľúčovej ochrany je svätým grálom moderného vesmírneho inžinierstva. Významný príspevok k tejto globálnej snahe prináša slovenský tím HARTS. O ich ambicióznom projekte a výzvach, ktoré prináša kozmický výskum, nám v rozhovore porozprával vedúci tímu HARTS Patrik Richtarčík.

V rozhovore sa dočítate:

• Prečo opakovateľne použiteľné rakety a vesmírne lode nie sú nikdy znovu použiteľné ihneď, ale vždy sa na nich niečo mení.
• Aký bol pôvodný návrh tepelného štítu tímu HARTS a prečo nefungoval.
• Čo je hlavným nedostatkom tepelných štítov používaných na súčasných kozmických lodiach.
• Ako štít slovenského tímu HARTS rieši problém s opotrebovaním tepelného štítu pri viacnásobných letoch do vesmíru.
• Ktoré materiály študenti využívajú vo svojom návrhu a ako prebiehal jeho prvý ostrý test.

K téme máme aj čerstvý videopodcast, s iným respondentom z tímu. Aké rôzne technológie tepelné štíty využívajú? Ako sa líšia ablatívne štíty napríklad od keramických kachličiek, ktoré používal americký raketoplán? A dal by sa vyrobiť tepelný štít, ktorý by nebolo treba po každom pristátí obnovovať? Aj o tom sa rozprávame v novom vydaní videopodcastu SHARE s Lukášom Hudáčkom, členom tímu HARTS, ktorý práve na jednom inovatívnom tepelnom štíte pracuje:

Prečo rakety nezhoria

Čomu sa tím HARTS venuje?

HARTS je študentské zoskupenie na Technickej univerzity v Košiciach (TUKE). Naším primárnym zameraním je vývoj tepelného štítu pre vesmírne plavidlá. Celý názov HARTS je akronym pre Hybrid Atmospheric Reentry Thermal Shield, teda niečo ako hybridný atmosférický štít.

Celé to robíme pod záštitou programu REXUS, ktorý organizuje hlavne Nemecká vesmírna agentúra DLR a zároveň Švédska národná agentúra. Tieto aktivity sú ešte sponzorované Európskou vesmírnou agentúrou (ESA), pretože Slovensko je už čiastočne členský štát ESA, takzvaný associate member, a práve vďaka tomu sme sa mohli zapojiť do programu podpory.

Ako vôbec vznikol nápad, že budete robiť tepelný štít?

My sme sa už pred rokom zapojili do súťaže, ktorú organizovala práve ESA. V rámci toho sme navrhovali aktívne chladený štít.

No úplne na začiaktu boli inšpiráciou samotné kozmické lety. Ak sa človek pozrie napríklad na raketoplány, ale aj na nové rakety, napríklad Falcon 9 a iné, tepelné štíty stále nie sú úplne vyriešeným problémom.

Sme schopní zobrať raketu, ísť do vzduchu a pristáť s ňou, tak, ako to robia Falcon 9, ale stále nie sme schopní pravidelne a jednoducho lietať s niečím do vesmíru a vracať sa s tým z obežnej dráhy späť.

Avšak napríklad lode Dragon, ktorými sa pravidelne lieta na Medzinárodnú vesmírnu stanicu ISS, to zvládajú. V čom je problém?

Dragony to zvládajú, aj raketoplány to zvládali, aj nový . Ale nie je to také jednoduché, ako sa môže na prvý pohľad zdať. Napríklad pri Dragone sa celý štít mení. A nielen štít. Celá tá kapsula je v podstate jednorazová.

Nemožno len tak zobrať raketu či vesmírnu loď, vymeniť na nej len pár súčiastok a opäť letieť na orbitu. Orbitálne vesmírne lode treba rozobrať, spraviť komplexné inšpekcie a podobne. Ak je niečo v dobrom stave, tak sa to znova použije, ale častokrát sa mnoho súčiastok musí vymeniť.

A to aj napriek tomu, že daná raketa alebo kapsula mala byť pravidelne znova použiteľná. Typickým príkladom je raketoplán. Keramické platničky tepelného štítu boli síce znovu použiteľné a teoreticky fungovali dobre, ale technici museli každú jednu platničku potom kontrolovať, a takmer vždy ich vymenili, pretože mohli byť jemne poškodené.

fotogaléria

Loď Dragon vo verzii Crew potom, ako prežila návrat atmosférou. Na spodnej časti lode sa nachádza opotrebovaný tepelný štít.

Zdroj: NASA

Akým spôsobom by tento problém riešil váš tepelný štít?

Pôvodne sme sa pohrávali s veľmi optimistickým nápadom na konštrukciu aktívneho štítu. To znamená, že počas voľného pádu, keď je štít najviac zahriatý, by ním prechádzalo nejaké chladivo. Taký štít by musel obsahovať potrubia, cez ktoré by sa odvádzalo všetko teplo.

Robili sme návrh systémov, regulačný cyklus, ako to zapojiť k systémom motora, aby sa používali pumpy motora na rozvod tohto chladiva. Potom, čo by takýto systém pristál, stačilo by doň napustiť ďalšie palivo a mohlo by sa znovu letieť. Nebola by potrebná takmer žiadna údržba.

Ale narazili sme na jeden vážny problém. Výpočty ukazovali, že množstvo potrebného chladiva by bolo príliš veľké a zároveň účinnosť bola relatívne nízka. Bola tam dosť veľká záťaž kvôli množstvu chladiva a prevedenie bolo relatívne komplikované.

Práve vtedy sme dostali dobrú radu priamo od ľudí z Ariane Group, veľkého európskeho výrobcu rakiet ako Ariane 6. Povedali nám, že aj oni takéto niečo skúmali a uskutočnili isté experimenty.

Mali viacero vzoriek umiestnených na malých kapsulách, ktoré boli vypustené v určitej výške a potom padali na zem. Pokiaľ viem, tak pri experimente boli použité štíty zhotovené z uhlíka alebo z fenolickej živice.

V tomto konkrétnom experimente sa testoval ablačný štít. To je štít, ktorý je počas prechodu atmosférou zahrievaný, čím sa premieňa na plyn, ktorý uniká zo štítu, a tak sa odvádza teplo.

Ablačný štít sa prechodom cez atmosféru úplne zničí?

Väčšinou áno. Ide o bežný prístup, ktorý používajú alebo používali lode Apollo, Gemini, Orion, aj Dragon od SpaceX. Nevýhodou je, že takýto štít je jednorázový. Ale na druhej strane to strašne efektívne a lacné.

Trochu inak fungujú spomínané fenolické štíty. Tie sú natoľko husté a pevné, že vydržia až 15 až 20 pristání. Avšak po každom cykle sa musia kontrolovať. Na miestach, kde sa štít opotreboval viac, sa pridá nový materiál a hotovo.

Takýto odolný štít má ale jeden problém. Tým, že málo obhorí, tak zároveň sa aj málo chladí. Úbytok materiálu je to, čo odoberá teplo vo forme horúceho plynu a tým chráni kapsulu s posádkou. Práve na tento problém narazili výskumníci z Ariane Group pri spomínanom teste rakety Ariane 6. Vyšlo im, že by bolo potrebné nejaké chladenie navyše.

A práve tu vstupuje na scénu návrh od nášho tímu HARTS. Tým, že sme už skôr pracovali na štíte s aktívnym chladením, mali sme určité poznatky o správaní chladiva. Navrhli sme, aby sa do ablatívneho štítu pridalo aktívne chladenie na odvádzanie tepla.

Čiže chladivo nebude zodpovedné za odbúravanie všetkého tepla, tak ako to bolo pri našom prvom návrhu, ale iba zvyškového tepla, ktoré už nedokázal odviesť materiál ablatívneho štítu.

Takto vznikol takzvaný hybridný tepelný štít, teda štít spájajúci aktívne chladenie s pasívnou ablačnou vrstvou.

Hybridný štít predstavuje kombináciu aktívneho a pasívneho chladenia. Dnes sa na všetkých vesmírnych lodiach používa iba pasívny tepelný štít. Teplo sa odbúrava vďaka tomu, že štít postupne horí.

Aktívny štít by bol taký, ktorý sa sa pri odvádzaní tepla spolieha výlučne na chladivo. Takýto typ sa v súčasnosti vôbec nepoužíva, pretože je príliš zložitý. Keby došlo k výpadku chladiva, tak už neexistuje záložný plán a vesmírna loď by prešla atmosférou bez tepelnej ochrany.

fotogaléria

Loď Orion z programu Artemis využíva ablačný štít, ktorý sa pri horení odparuje a tým odvádza teplo.

Zdroj: esa

Unikátny štít zo Slovenska

Na akom type vesmírnych lodí by bolo možné použiť váš návrh?

Začnem obmedzeniami. Nemôže sa použiť napríklad na malých družiciach. Dôvod je práve pridanie aktívneho chladiva.

Momentálne pracujeme s héliom. Hlavný dôvod je, že už teraz sa vo vesmírnych lodiach a raketách používa. Keď loď letí do vesmíru, tak má plné nádrže paliva. Avšak ako palivo spotrebúva, vzniká v nádržiach prázdny priestor, ktorý je potrebné niečím doplniť.

Na Zemi sa by prázdne miesto zaplnil vzduch, ale ten vo vesmíre nie je. Aby tam nevznikol podtlak, na vesmírnych plavidlách bývajú malé nádoby s héliom, ktoré sa potom prečerpá do prázdnej nádrže.

A teraz si zoberme teoretický príklad. Vesmírna loď sa vracia naspäť do atmosféry. Už nemá palivo, pretože misiu skončila, takže palivové nádrže sú naplnené héliom, ktoré je udržiavané pod určitým tlakom. Väčšinou 5 až 6 barov.

Vtedy by už ale stačil aj tlak 1 bar. Zvyšné hélium sa pokojne môže použiť na niečo iné. V podstate nie je potrebné. My sme v našom návrhu použili práve toto hélium, ktorým sme tepelným štítom pridali trošku účinnosti a zvýšili ich životnosť.

Obrovskou výhodou je, že toto hélium sa už dnes v raketách nachádza. Je tam dokonca aj systém na tlakovanie a nádrže. Stačí iba pridať ďalší ventil, ktorý sa otvorí a hélium pôjde aj do štítu.

Uvažovali ste o využití 3D tlače? Napríklad SpaceX vo svojich motoroch potrubia integrovali priamo do materiálu vďaka technológii 3D tlače.

Spomínaná technológia sa bežne používa pri spaľovacích motoroch, ktoré sú ale z kovu. Náš štít musí byť na báze fenolovej živice alebo podobného materiálu. Prípadne by sa dala použiť nejaká keramika.

Všetko sú to však materiály nevhodné na 3D tlač. Tieto materiály sa skladajú z dlhých vlákien, ktoré sa musia veľmi zložito vrstviť. Ťažko sa s nimi pracuje. 3D tlač by bola ideálnym spôsobom, no existujú aj iné spôsoby umožňujúce integráciu kanálov.

fotogaléria

Ukážka kapsuly, na ktorej sa nachádza tepelný štít (vpravo) a modulu, ktorý túto kapsulu vypúšťa (vľavo).

Zdroj: HARTS

Nebol by takýto hybdridný štít v konečnom dôsledku príliš nákladný? Ablatívny štít má síce menšiu životnosť, no je jednoduchý a lacný.

Keď sa porovná nami používaný materiál s materiálmi, aké sa používajú na súčasných vesmírnych lodiach, tak naše riešenie je relatívne lacné.

Dokonca nejde ani o žiadnu novinku. Tieto živice sa používali už v 50. a 60. rokoch pri prvých štartoch, pretože fenol je vlastne taký praotec ešte starého bakelitu. Je to veľmi starý materiál.

Krst ohňom

Váš hybridný štít ste otestovali na skutočnej rakete. Ako to prebiehalo?

10. marca 2026 sme uskutočnili demonštráciu tejto technológie v rámci programu REXUS. Program zastrešuje nemecká a švédskej vesmírna agentúra. Študentom ponúkajú let na suborbitálnej rakete, ktorá štartuje z vesmírneho strediska Kiruna v severnom Švédsku za polárnym kruhom.

Raketa vyletela do výšky zhruba 85 km. Čiže atmosféru ešte úplne neopustila, pretože hranica medzi vesmírom a atmosférou je stanovená na výšku 100 km. No išlo už o dostatočnú výšku na otestovanie faktorov vyskytujúcich sa pri bežnom lete do vesmíru, ako sú rôzne efekty mikrogravitácie, je tam už vákuum, zima, vysoké zaťaženia a podobne.

Na palube rakety sa nachádzala malá kapsula s hmotnosťou zhruba 15 kg, ktorú voláme FFU (Free Falling Unit). Keď raketa dosiahla potrebnú výšku, kapsula bola vyhodená. Po stranách mala malé krídla určené na stabilizáciu počas letu a na spodnej časti bol umiestnený tepelný štít.

Kapsula pri páde zhruba trojnásobne prekročila rýchlosť zvuku a zahrievala sa. Išlo však skôr o demonštrátor, pretože skúšané teploty neboli ani zďaleka také, aké vznikajú pri vstupe do atmosféry z obežnej dráhy. Kapsula sa pri našom experimente zahriala na zhruba 200 °C, no pri reálnom vesmírnom lete sú teploty aj desaťnásobne vyššie.

Nám primárne išlo o to, aby sme otestovali, ako sa správa rozloženie tepla na štíte a či je chladivo schopné odvádzať teplo zo špičky štítu, ktorá sa zahrieva najviac. Kapsula úspešne oddelila od rakety, no nepodarilo sa nám z nej získať dáta a žiaľ sme ju už nenašli.

Video 1: Štart rakety, ktorá na svojej palube vyniesla kapsulu s tepelným štítom HARTS.

Zdroj: HASTS

TIP: V samostatnom článku sme informovali o tom, že sa chystá test tepelného štítu HARTS:

Čítajte aj

Tepelný štít pre vesmírne lode zo Slovenska: Revolučná technológia mieri…

Plánujete otestovať svoj štít aj na orbitálnej rakete?

Teraz máme naplánované ďalšie stretnutia s ľuďmi zo spoločností Ariane Space z Exploration Company.

V ďalšej fáze chceme tepelný štát vystaviť v laboratórnych podmienkach teplote približne 2000 °C. Na to je už potrebné veľmi špecializované zariadenie a celý experiment si vyžaduje náročnú prípravu.

A až potom by sme mohli uvažovať o tom, že by to niekde letelo. Treba si tiež uvedomiť, že už aj testovacia kapsula tohto druhu je dosť ťažká. Je oveľa jednoduchšie získať možnosť vyslať do vesmíru nejaký miniatúrny satelit, nejaký kilogramový CubeSat. Kapsula s hybridným štítom a tlakovým systémom má hmotnosť pokojne aj 10 kg. Získať príležitosť vypustiť pre testovacie účely niečo tak ťažké je mimoriadne náročné.

Video 2: Test mechanizmu, vďaka ktorému sa z rakety vypustila kapsula s tepelným štítom HARTS.

Zdroj: HARTS

Čo by ste odkázali študentom, ktorí chcú na Slovensku preraziť v oblasti vesmírneho priemyslu?

Na Slovensku si ľudia nevedia predstaviť, že by sa u nás robilo nejaké vesmírne inžinierstvo. Ale pritom sme členský štát ESA, máme tu firmy, ktoré sa snažia aktívne zapájať a máme úspešných slovenských zakladateľov vesmírnych spoločností.

Študenti dnes majú možnosť zapojiť do rôznych vesmírnych projektov. Existujú rôzne štartovacie programy. Teraz je na Slovensku najlepší čas na to, aby sa niekto pridal a zapojil do nejakých vesmírnych aktivít.