Zlomový rok pro NASA

Příští rok bude pravděpodobně zlomový pro americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA), neboť po více než 30 letech má být ukončen provoz raketoplánů.

Nyní již zbývají jen tři poslední mise. Jejich časový harmonogram se několikrát změnil. Start původně zářijové STS-133 se přesunul na 3. 12. 2010. Předposlední mise, STS-134 je naplánována na 26. únor 2011. STS-133 bude představovat poslední misi raketoplánu Discovery, kdežto STS-134 bude derniérou misí pro Endeavour.

Dlouho to vypadalo, že to bude poslední mise raketoplánů vůbec, ale 29. Září kongres schválil na žádost NASA dodatečný objem peněžních prostředků na pokrytí poslední vesmírné výpravy (STS-135, plánovaný start 28. 6. 2011). Mise bude pouze čtyřčlenná bude to tak nejmenší posádka od roku 1983, kdy letěla STS-6. Hlavním úkolem mise bude na stanici ISS dopravit víceúčelový logistický modul MPLM Raffaello.

Poté NASA provoz raketoplánů po více než 30 letech a 134 misích zastaví. Zásobování stanice bude následně po určitou dobu záviset výhradně na ruských raketách.

Jak se NASA dostala do této nezáviděníhodné situace?

Především po konci Studené války přišla o stimul v podobě soutěžení velmocí a následně musela čelit čím dál větším snahám o seškrtání rozpočtu ze strany vlády. Dalším mezníkem se stala havárie raketoplánu Columbia z 1. 2. 2003, kdy zemřelo všech sedm členů posádky. Od té chvíle bylo jasné, že raketoplány časem skončí.

V lednu 2004 pár dní po přistání sondy Spirit na Marsu oznámil americký prezident Bush nový plán pro dobývání vesmíru, Vision for Space Exploration. Tento plán byl poměrně ambiciózní, počítal například s návratem lidí na Měsíc do roku 2020. Hlavní důraz se kladl na dokončení Mezinárodní kosmické stanice (ISS) do roku 2010. K tomuto roku rovněž měli přestat létat raketoplány a mělo začít testování nově vyvinuvší nosné rakety Ares.

Po vítězství Baracka Obamy v prezidentských volbách, začalo být jasné, že NASA řadu svých projektů nebude moci zrealizovat.

Na začátku roku 2010 Obama zrušil plán na výstavbu měsíční základny, podle něj by se NASA měl zaměřit na mise ve vzdálenějším vesmíru, jako je např. přistání lidí na asteroidu či na Marsu. Dalším jeho krokem, který vyvolal velkou diskusi, bylo zrušení projektu Constallation.

Projekt Constallation představoval rodinu nosičů (Ares I, Ares V) a kosmických lodí (Orion, Altair, Earth Departure stage), která měla za úkol nahradit projekt Space shuttle po jeho ukončení. Nicméně 1. února 2010 Obama tento projekt zrušil. Později svoje rozhodnutí částečně pozměnil - vývoj modulu Orion bude pokračovat, nicméně bude sloužit pouze jako záchranná loď pro Mezinárodní kosmickou stanici.

Porovnání kosmických nosičů

 Zásobování Mezinárodní kosmické stanice tak bude po určitou dobu závislé především na Rusku, které má k dispozici dvojici kosmických lodí - Sojuz a Progres. Sojuz TMA dokáže spolehlivě dopravit k ISS tři kosmonauty včetně 100 kg nákladu. Automatické zásobování ISS větším množstvím nákladu (až 2600 kg) pak bude úkolem pro kosmickou loď Progres.

Americký úřad NASA byl nucen přijmout nepříliš optimistickou budoucnost, ve které nebude mít jednoduše dostatek peněz na všechny svoje aktivity a bude muset šetřit všude, kde se to dá, zejména na provozních a zásobovacích letech do vesmíru.

Byl Proto zahájen program COTS (Commercial Orbital Transportation Services), v rámci kterého byly na konci roku 2008 podepsány kontrakty se společnostmi SpaceX a Orbital Sciences, na vývoj kosmických plavidel pro dopravu lidských posádek a nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země, především pro lety ke stanici ISS.

SpaceX vkládá svoje naděje do kosmické lodi Dragon, která by byla vynášena vlastní kosmickou raketou Falcon 9. Tato raketa již má za sebou úspěšně absolvovaný první let, který se odehrál 4. června tohoto roku. Konkurenční firma Orbital Sciences oznámila, že kosmická loď Cygnus bude podrobena zkušebnímu letu až v roce 2011.

Zatím to vypadá, že v rámci projektu COTS si vede lépe společnost SpaceX, která již od NASA získala 278 mil USD na vývoj plavidla a provedení 3 demonstračních letů lodi. Ten první je naplánován na listopad tohoto roku.

Zároveň se tak bude jednat i o druhý let rakety Falcon 9. Zatímco při prvním letu byla na její palubě pouze maketa kosmické lodi, tentokrát to již bude plnohodnotná loď Dragon, která bude vynesena na oběžnou dráhu.

Pokud vše skončí úspěchem Firma SpaceX tak bude první soukromá firma, která dokáže vynášet takto pokročilé kosmické lodi do vesmíru. I na úrovní států není mnoho zemí, které toto dokáží ( v současnosti se jedná o USA, Rusko a Činu).

Poznámky

Dragon 

bude ze začátku létat v plně automatickém režimu; do budoucna se počítá, že nahradí, jak ruské bezpilotní lodě Progres, tak i současné raketoplány.


Dragon je navržena jako konvenční kuželovitá balistická kapsle, která se bude umět připojit ke stykovacímu zařízení CBM (společné stykovací zařízení pro všechny neruské lodi na ISS).

Falcon 

K vynášení lodi Dragon bude sloužit dvoustupňová nosná raketu Falcon 9, kterou pohánějí raketové motory Merlin 1C na raketový petrolej RP-1 a tekutý kyslík.

První stupeň obsahuje celkem 9 těchto motorů, druhý stupeň , který se zažehává mimo atmosféru již pouze jeden. Oba tyto stupně jsou navrženy pro vícenásobná použití, po dopadnutí do moře jsou znova vyzvednuty a poté znovu použity ke startu další nosné rakety. Celkově tak dopravení nákladu (až 10,45 t) na nízkou oběžnou dráhu vyjde asi dvakrát levněji než u nosičů, které NASA běžně užívá.

V blízké době by měly následovat další testovací lety. Ještě v tomto roce by měl nastat první let Falconu s kosmickou lodí Dragon. Na rok 2011 je naplánováno celkem 5 letů ; dva z nich budou testovací lety k ISS, kdy dojde k finálním testům kooperace ISS s lodí Dragon a další dva již budou normální zásobovací lety k ISS.

Zdroje a další informace
http://en.wikipedia.org/wiki/NASA, http://cs.wikipedia.org/wiki/ISS, http://en.wikipedia.org/wiki/Constellation_program, http://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX, Wikimedia Commons

Problém obchodního cestujícího, aneb když počítače nestíhají

Není pochyb o tom, že počítače hrají v dnešním světě čím dál větší roli. Rozšiřuje se množství přístrojů s přívlastkem "chytrý". Takovéto rozšíření počítačů ve všedním světě by mohlo vést k myšlence, že prakticky nemůže existovat úloha, kterou by dostatečně výkonný počítač nemohl vyřešit, ale to je omyl.

Ve třicátých letech minulého století byl formulován tzv. Problém obchodního cestujícího, který je založen na následující úvaze. Představme si že jsme obchodní cestující, který má z nějakého města postupně navštívit další tři města a potom se zase vrátit zpět.

Nechť je našim startovním bodem město Brno a během své služební cesty musíme navštívit Znojmo, Břeclav a Olomouc a poté se zase vrátit zpět. Přitom je třeba co nejvíce šetřit čas a benzin. Celkovou vzdálenost, kterou urazíme, musí být co nejkratší. Podíváme se do mapy a zjistíme nejkratší vzdálenost mezi každými dvěma městy, výsledky pak zapíšeme do tabulky:

	Brno	Znojmo	Břeclav	Olomouc
Brno	0	55,2	53,5	65,09
Znojmo	60,2	0	61,97	120,3
Břeclav	53,5	61,97	0	98,11
Olomouc	65,09	120,3	98,11	0

(Pozn.: Vzdálenost Brno-Znojmo není stejná jako Znojmo-Brno z důvodu objížďky na trati.)

Otázkou je jak uspořádat zbylá tři města tak, abychom ujeli co nejkratší vzdálenost. Na první pohled by tato úloha neměla být vůbec těžká. Stačí vzít jednotlivá uspořádání tras, z tabulky vyčíst vzdálenosti, sečíst je, a se získaných celkových vzdáleností vzít tu nejmenší.

Tedy v našem případě máme tyto kombinace tras:

Trasa	Celková délka [km]
Brno-Znojmo-Břeclav-Olomouc-Brno	55,2+61,97+98,11+65,09 = 280,37
Brno-Znojmo-Olomouc-Břeclav-Brno	55,2+120,3+98,11+53,5 = 327,11
Brno-Břeclav-Olomouc-Znojmo-Brno	53,5+98,11+120,3+60,2 = 332,11
Brno-Břeclav-Znojmo-Olomouc-Brno	53,5+61,97+120,3+65,09 = 300,86
Brno-Olomouc-Znojmo-Břeclav-Brno	65,09+120,3+61,97+53,5 = 300,86
Brno-Olomouc-Břeclav-Znojmo-Brno	65,09+98,11+61,97+60,2 = 285,37

Je evidentní, že v našem případě je optimální trasa Brno-Znojmo-Břeclav-Olomouc-Brno, jejíž délka je 280,37 km. Poznamenejme, že použité vzdálenosti jsou pouze přibližné a pro jejich získání byl použit vyhledávač WolframAlpha.

Pro malé množství tras je tato úloha triviální, ale v případě obchodního cestujícího, který musí navštívit velké množství měst, je tato úloha opravdu dost náročná.

Řekněme, že naše trasa obsahuje kromě počátečního města ještě dalších 10 měst. Mohli bychom pokračovat mnoha způsoby, od ručního počítání (to ale nelze doporučit, neboť celkový počet tras je 3 628 800) nebo provedeme výpočet na PC, třeba v nějakém tabulkovém procesoru.

Jak jsme došli k číslu 3 628 800? Jedná se o takzvaný faktoriál čísla 10 a píšeme 10!. Faktoriál čísla n je roven součinu všech kladných celých čísel menších nebo rovných n.

Faktoriál se vyskytuje v mnoha oblastech matematiky, zejména pak v kombinatorice, kde vyjadřuje počet permutací množiny n prvků, tzn. vyjadřuje počet způsobů, jak seřadit n různých objektů. V našem případě

10! = 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1 = 3 628 800

(na začátku máme 10 možností, kde začít, pak 9, ...).

Teď si představme, že si sami pro každou z těchto tras spočítáme celkovou vzdálenost a že nám každý takový výpočet zabere přesně jednu minutu. Potom bychom strávili nepřetržitým počítáním 6,9 roku! Skoro 7 let kvůli deseti městům.

Přidáme-li jedenácté město, pak se celkový počet různých tras přiblíží čtyřiceti milionům:

11! = 11 x 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1 = 39 916 800

počítání by nám trvalo skoro 76 let!

Vidíme tedy, že faktoriály rostou velice rychle, a nemůžeme se proto divit, že když přidáme k našemu seznamu měst jen pár položek navíc, tak se radikálně zvýší časová náročnost výpočtu a i nejvýkonnější počítače takovýto úkol, založený na faktoriálním růstu veličiny, nemusí zvládnout.

Problém obchodního cestujícího ilustruje zajímavý fakt, že i velmi jednoduše formulované problémy mohou být neřešitelné (nebo jsou řešitelné, ale výpočet by trval příliš dlouho).

Samozřejmě v reálném životě nelze říct, že daný problém je neřešitelný, a proto matematici vynaložili velké množství energie pro nalezení jiných postupů. Zvolené přístupy lze zhruba rozdělit do dvou skupin.

První přístup je založen na tom, že se spokojíme s přibližným výsledkem. Místo absolutně nejkratší trasy budeme hledat nějakou jinou trasu, která se bude od optimální trasy lišit maximálně o zadané procento. Tento způsob se často využívá, neboť funguje ve většině bežných situací.

Druhý způsob spočívá v tom, že sice budeme trvat na přesném výsledku, ale napřed se podíváme na celkové zeměpisné rozložení měst a budeme se snažit využít specifických vlastností jejich poloh ke snížení celkového počtu tras, které je třeba zanalyzovat.

Například můžeme vyloučit na první pohled neefektivní trasy, např. ty které nás nutí cestovat z nejjižnějšího města do toho nejsevernějšího v prvních dvou krocích. Velkou nevýhodou tohoto přístupu je, že je optimalizován pouze pro konkrétní skupinu cílů, přidáním dalších měst musíme výpočet provést znovu.

Náročnost a neefektivnost této metody dokládá i výsledek amerických matematiků z roku 1998, kterým výpočet nejkratší trasy, která spojuje všech 13509 amerických měst nad 5000 obyvatel trval 3 měsíce nepřetržitých výpočtů na na počítačové síti složené ze třech superpočítačů (12 procesorů) a 32 PC Pentium II.

Je možné, že budoucí výpočetní systémy využívající kvantové jevy či DNA budou zvládat řešit problém obchodního cestujícího dostatečně rychle, ale v současnosti se musíme smířit s tím, že kromě přibližných či částečných výsledků pro některé podmnožiny měst žádné úplné prakticky využitelné řešení prostě neexistuje.

Zdroje a další informace
Wikipedia, crpc.rice.edu, Keith Devlin - Problémy pro třetí tisíciletí, Argo.

Rok bez léta - největší klimatická anomálie v novověku

V minulém článku jsem poukázal na to, že na konci osmnáctého století bývalo klima v Evropě a Severní Americe dosti drsné. Podle některých historiků hladomor, který vznikl ve Francii po erupci sopky Laki (1783), dokonce vedl k nastartování Francouzské revoluce.

Situace se ovšem nelepšila ani v následujících letech, neboť sluneční aktivita byla mezi léty 1790 - 1830 byla na velmi nízké úrovni - klimatologové toto období nazývají Daltonovým minimem. Navíc v tomto období docházelo poměrně často k velkým sopečným erupcím, např.:

• 1812 - La Soufrière (ostrov  Svatého Vincenta),
• 1812 - Awu (Sangihe, Indonesia),
• 1813 - Suwanose-Jima (Rjúkú, Japonsko),
• 1814 - Mayon (Filipíny, aktivní i v tomto roce)
  

Nicméně všechny tyto uvedené erupce byly zastíněny explozí sopky Tambora, která se nachází na Indonéském ostrově Sumbawa (viz následující mapka).


View Larger Map

K erupci Tambory, která zásadně ovlivnila budoucí klima, došlo po mnoha stoletích klidu 5.4.1815. Tato erupce trvající několik dní byla mimořádně silná.

Tambora patří podobně jako italská Etna, do kategorie stratovulkánů, tedy sopek mající vysoký štíhlý kužel s vrcholovým kráterem. Vrcholovou část tvoří kráter o průměru 7km jehož nejvyšší část se nachází v nadmořské výšce 2 850 m.

Před výbuchem se sopka tyčila do výše asi 4300 m. Výbuch ze dne 10.4.1815 je považován za největší sopečnou erupci v moderních dějinách.  Svoji explozivní silou překonal nejméně 4 krát i výbuch mnohem známější sopky Krakatau z roku 1883.

Důvodem, proč je exploze sopky Krakatoa mnohem známější než exploze Tambory je skutečnost, že tehdy už existoval telegraf a zpráva o erupci se mohla bleskově rozšířit do celého světa.

Výbuch tehdy vyvrhl asi 150 km³ sopečných hornin. Komín tvořený sopečnými plyny dosáhl až do výšky 43 km. Exploze byla slyšet na neuvěřitelnou vzdálenost 2600 km. Oblast zasažená sopečným popelem měla poloměr kolem 1300 km, přičemž v okruhu 80 km údajně zahynulo vše živé.

Nejbližší okolí sopky na ostrově Sumbawa bylo silně zasaženo především lávou a tzv. pyroklastickými proudy, které si vyžádaly kolem 11000 obětí, dalších 60000 obyvatel indonéských ostrovů zemřelo na následný hladomor a epidemie.

Vliv erupce se neomezil pouze na nejbližší Indonéské ostrovy, ale ovlivnil značnou část planety. Během exploze se totiž uvolnilo do vyšších vrstev atmosféry velké množství sopečného popela a plynů.

Po několika týdnech sice spadly hrubé částice sopečného popela na zem, ale nejjemnější částice vydržely ve výšce 10-30 km i několik let a byly podélnými atmosférickými prouděními rozptýleny po celé zeměkouli.

V následujícím roce, 1816, došlo k poklesu globálních teplot o asi 0,4 až 0,7 °C.  Nastanuvší globální klimatická anomálie, která bývá označována jako Rok bez léta, postihla celou severní polokouli. Na mnoha místech prakticky nebyla žádná úroda obilí.

Typické letní a pozdně jarní teploty dosahují ve východních oblastech USA a Kanady kolem 20 - 25 °C, zřídka kdy klesnou pod 5°C. Sníh je extrémní rarita.

V květnu 1816 nicméně mráz zničil veškerou zasetou úrodu. V červnu se pak dokonce objevily i sněhové bouře a v oblastech kolem Quebecu napadlo kolem 30 cm sněhu a způsobily tak další ztráty na zasetém obilí. Krajina v té době byla běžně pokrytá bílým sněhovým popraškem.

V červenci a srpnu se pak objevil na mnoha řekách a jezerech led. Začali se objevovat neuvěřitelně rychlé teplotní změny - od nadprůměrných 35 °C až k téměř mrazivým teplotám během několika málo hodin. Celé východní pobřeží Severní Ameriky bylo postiženo neúrodou obilnin.

Zejména důležitou plodinou byl oves, jehož cena prudce narostla z $3,4 / m³ na $26 / m³, což způsobilo velkou krizi v dopravě, neboť oves sloužil jako základní krmivo pro koně.

Klimatická anomálie se samozřejmě projevila i v Asii. V Číně mrazy a katastrofální povodně těžce poničily rýžová pole, stromy a další zemědělské plodiny. Opožděný monzun v Indii pak způsobil intenzivní přívalové deště, které zrychlily šíření v Indii a ve východní Evropě.

Rok 1816 byl druhým nejchladnějším rokem na severní polokouli od roku 1400. Chladnějším byl pouze rok 1601, který následoval po erupci peruánské sopky Huaynaputina z roku 1600. Druhá dekáda 19. století je pak podle záznamů z ledovcových jader nejchladnější dekádou vůbec. Letní teploty byly běžně o půl stupně chladnější než předchozí dlouhodobý průměr.

Problémy se zásobováním obyvatelstva potravinami se týkaly skoro všech vyspělých zemí světa včetně Velké Británie, Irska, Německa a Švýcarska. Celkově na následky klimatické anomálie zemřelo v Evropě asi 200 000 lidí.

Významné sopečné erupce

Erupce	Rok	Výška sopečného  sloupce	Ukazatel sopečné aktivity	Pokles gl. teploty (°C)	Počet mrtvých
Vesuv	79	30	5	?	>2000
Taupo	186	51	7	?
Baekdu	969	25	6–7	?	?
Kuwae	1452	?	6	−0.5	?
Huaynaputina	1600	46	6	−0.8	≈1400
Tambora	1815	43	7	−0.5	> 71,000
Krakatoa	1883	25	6	−0.3	36,600
Katmai	1912	32	6	−0.4	2
Svatá Helena	1980	19	5	žádný	57
El Chichón	1982	32	4–5	?	> 2,000
Nevado del Ruiz	1985	27	3	žádný	23,000
Pinatubo	1991	34	6	−0.5	1202

Srovnání explozí podle VEI (Ukazatel sopečné aktivity)

Odkazy
- Mount Tambora
- Year witnout summer
- Blast from the past