VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ
INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

KONCEPČNÍ NÁVRH VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY NA MARSU
CONCEPTUAL DESIGN OF A WIND POWER PLANT ON MARS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE
AUTHOR

Miroslav Novotný

VEDOUCÍ PRÁCE
SUPERVISOR

Ing. Josef Pouzar

BRNO 2025



 

 

  



 

Zadání bakalářské práce
 

 

 

 

 

 
 
Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním
a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce:

Koncepční návrh větrné elektrárny na Marsu

Stručná charakteristika problematiky úkolu:
Pro kosmické mise na planetě Mars, zaměřené na průzkum povrchu a podporu energetických
potřeb autonomních zařízení, je nezbytné využití obnovitelných zdrojů energie. Větrné elektrárny
na Zemi se ukázaly jako účinné řešení pro produkci energie a jejich přizpůsobení pro podmínky na
Marsu by mohlo představovat inovativní alternativu k fotovoltaickým článkům a radioizotopovým
termoelektrickým generátorům. Integrace triboelektrického jevu, který vzniká třením mezi dvěma
materiály, by mohla umožnit vytvoření větrné elektrárny, která by produkovala elektrický náboj
pomocí větrných proudů na Marsu, a poskytla tak nezávislý zdroj energie.

Typ práce: vývojová – konstrukční

Cíle bakalářské práce:
Cílem práce je navrhnout koncept větrné elektrárny využívající triboelektrický jev pro výrobu
elektrické energie na Marsu.
Dílčí cíle bakalářské práce:
– studium literatury týkající se prostředí Marsu a triboelektrického jevu,
– rešerše technologií větrných elektráren a triboelektrických generátorů,
– identifikace vhodných materiálů pro konstrukci triboelektrického generátoru,
– koncepční návrh větrné elektrárny pro marsovské podmínky.

Požadované výstupy: průvodní zpráva.
Rozsah práce: cca 27 000 znaků (15 – 20 stran textu bez obrázků).
Časový plán, struktura práce a šablona průvodní zprávy jsou závazné:
https://www.ustavkonstruovani.cz/texty/bakalarske–studium–ukonceni/

Seznam doporučené literatury:
SEOL, Myeong-Lok; HAN, Jin-Woo; MOON, Dong-Il a MEYYAPPAN, M. Triboelectric
nanogenerator for Mars environment. Online. Nano Energy. 2017, roč. 39, s. 238-244. ISSN
22112855. Dostupné z: doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.004. [cit. 2024-10-18].

Ústav: Ústav konstruování
Student: Miroslav Novotný
Studijní program: Základy strojního inženýrství
Studijní obor: Základy strojního inženýrství
Vedoucí práce: Ing. Josef Pouzar
Akademický rok: 2024/25

Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno



JONES, W. R. a M. J. JANSEN. Tribology for space applications. Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2008, 222(8), 997-1004. ISSN
1350-6501. Dostupné z: doi:10.1243/13506501JET305.

SHIGLEY, Joseph Edward, Charles R MISCHKE a Richard G BUDYNAS. Konstruování strojních
součástí. Editor Martin Hartl, Miloš Vlk. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0.

 
 
Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2024/25
 
 
 
V Brně, dne
 
 
 

L. S.
 
 
 
 

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D.
ředitel ústavu

doc. Ing. Jiří Hlinka, Ph.D.
děkan fakulty

Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno



 

5 

ABSTRAKT 
Práce se zabývá konstrukcí větrné elektrárny s triboelektrickým generátorem pro použití na 

Marsu.  

Návrh konstrukce elektrárny zohledňuje podmínky na povrchu Marsu a používá kombinaci 

vertikálních Darrierus a Savonius jako turbínu a několikavrstvý triboelektrický generátor 

s volnou vrstvou. 

Pro detailní návrh elektrárny je potřeba další analýzy aerodynamické analýzy větrné turbíny 

a analýzy samotného generátoru užitím metod konečných prvků (MKP). 

Navržené řešení přináší pohled na možnosti výroby větrné elektrické energie v 

mimozemských podmínkách a může přispět k větší soběstačnosti budoucích Marsovských 

misí. Poznatky z této práce je možné uplatnit i v pozemských podmínkách.  

KLÍČOVÁ SLOVA  
triboelektrifikace, Mars, větrná energie, Darrierova turbína, Savoniova turbína. 

  



 

6 

ABSTRACT 
This thesis focuses on the design of a wind power plant with a triboelectric generator 

intended for use on Mars. 

The powerplant design takes into account the environmental conditions on the Martian 

surface and employs a combination of vertical-axis Darrieus and Savonius turbines, along 

with a multi-layered freestanding triboelectric generator. 

For a detailed design of the power plant, further aerodynamic analysis of the wind turbine 

and finite element method (FEM) analysis of the generator are required.  

The proposed solution offers a perspective on the potential for wind energy generation in 

extraterrestrial environments and may contribute to greater self-sufficiency in future Mars 

missions. The findings of this work can also be applied under terrestrial conditions. 

 

KEYWORDS 
triboelectrification, wind energy, Darrieus turbine, Savonius turbine 

  



 

7 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  



 

8 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE 
NOVOTNÝ, Miroslav. Koncepční návrh větrné elektrárny na Marsu. [online], Brno 2025 

[cit. 2025-05-15]. Dostupné z: https://www.vut.cz/studenti/zav-prace/detail/165809. 

Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav 

konstruování. Vedoucí práce Ing. Josef Pouzar 

  

https://www.vut.cz/studenti/zav-prace/detail/165809


 

9 

  



 

10 

PODĚKOVÁNÍ 
Na tomto místě bych rád poděkoval především vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Josefu 

Pouzarovi, který mi poskytl mi cenné rady, doporučení a kvalitní zpětnou vazbu. Poděkování 

patří také mým přátelům a blízkým za podporu a ochotu, která mi pomohla zachovat 

chladnou hlavu během studia. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PROHLÁŠENÍ AUTORA O PŮVODNOSTI PRÁCE 
Prohlašuji, že diplomovou práci jsem vypracoval samostatně, pod odborným vedením Ing. 

Josef Pouzar. Současně prohlašuji, že všechny zdroje obrazových a textových informací, 

ze kterých jsem čerpal, jsou řádně citovány v seznamu použitých zdrojů. 

 

…………………………. 

Podpis autora 

  



 

11 

  



 

12 

OBSAH 

1 ÚVOD 15 

2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 16 

2.1 Elektrická energie na Marsu 16 

2.1.1 Solární elektřina 16 

2.1.2 Radioizotopové termoelektrické generátory (RTG) 17 

2.1.3 Větrná energie 18 

2.2 Doprava na Mars 18 

2.3 Prostředí Marsu a kosmu 19 

2.3.1 UV záření 20 

2.3.2 Ionizující záření 20 

2.3.3 Teplotní rozdíly 20 

2.3.4 Atmosférické podmínky Marsu 21 

2.3.5 Prach 22 

2.4 Větrné elektrárny 23 

2.4.1 Vztlakové turbíny 23 

2.4.2 Odporové turbíny 24 

2.4.3 Horizontální turbíny 24 

2.4.4 Vertikální turbíny 25 

2.5 Triboelektrickcké elektrárny 28 

2.5.1 Triboelektrický jev 29 

2.5.2 Získávání energie z triboelektrického jevu 30 

2.5.3 Elektrostatická indukce 30 

2.6 Triboelektrické generátory (TENG) 31 

2.6.1 Generátory s pohyblivou elektrodou 31 

2.6.2 Generátory s volnou vrstvou 31 

2.6.3 Uspořádání generátorů 32 

2.7 Zefektivnění generátorů 34 

2.7.1 Mřížkování 35 

2.7.2 Vliv tlaku 36 

2.8 Triboelektrické materiály 36 

2.9 Výkon 37 

3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 39 

3.1 Analýza problému 39 



 

13 

3.2 Cíl práce 39 

4 KONCEPČNÍ ŘEŠENÍ 40 

4.1 Generátor 40 

4.1.1 Generátor s pohyblivou elektrodou 40 

4.1.2 Generátor s volnou vrstvou 41 

4.1.3 Tribopár generátoru 41 

4.2 Turbína 42 

4.2.1 Horizontální turbína 42 

4.2.2 Vertikální turbíny 43 

4.3 Těsnění a uložení hřídele 44 

4.3.1 Přetlakování generátoru 44 

4.4 Mobilita 45 

4.5 Koncept konstrukce 45 

4.5.1 Koncept konstrukce elektrárny 1 45 

4.5.2 Koncept konstrukce elektrárny 2 46 

4.5.3 Koncept konstrukce elektrárny 3 47 

4.6 Výběr řešení 47 

5 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ 48 

5.1 Vstupní parametry 49 

5.1.1 Rozměrové parametry 49 

5.1.2 Provozní parametry 50 

5.2 Rozvržení 51 

5.2.1 Materiály 51 

5.3 Turbína 52 

5.3.1 Uložení turbíny 54 

5.4 Hřídel 55 

5.4.1 Uložení hřídele 55 

5.4.2 Kontrola hřídele k MSÚ 56 

5.5 Generátor 57 

5.6 Skříň generátoru 58 

5.7 Přetlakový systém 59 

5.7.1 Těsnění 60 

5.8 Stojanové nohy 61 

5.8.1 Kontrola překlopení 62 



 

14 

6 DISKUZE 63 

7 ZÁVĚR 64 

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 65 

9 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN 70 

10 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 72 

11 SEZNAM TABULEK 74 

12 SEZNAM PŘÍLOH 75 

 

 



 

15 

1 ÚVOD 

Zajištění spolehlivého zdroje elektrické energie je klíčovým předpokladem úspěchu jakékoli 

vesmírné mise. Elektrická energie je nezbytná nejen pro funkci vědeckého vybavení a život 

podporujících systémů, ale i pro komunikaci se zemí. Výběr vhodného zdroje energie proto 

hraje zásadní roli již ve fázi plánování mise i v konstrukci ostatních zařízení na misi. 

Vesmírné prostředí a zejména podmínky na povrchu jiných planet, jako je Mars, kladou na 

energetické systémy mimořádně náročné požadavky. Tyto systémy musí být robustní, 

spolehlivé a schopné odolávat širokému rozsahu teplot, zvýšenému opotřebení způsobenému 

prachovými částicemi a intenzivnímu UV záření. Selhání energetického systému může 

znamenat konec celé mise, ať už s lidskou posádkou nebo bez ní. 

Zatímco na Zemi běžně využíváme větrné elektrárny jako obnovitelný zdroj energie, na 

Marsu se tento zdroj elektřiny zatím neuplatnil, a to navzdory tomu, že je zde vítr přítomen. 

Důvodem jsou specifika Marsovského prostředí, jako je řídká atmosféra a omezené možnosti 

údržby mechanických systémů. I přes tyto problémy by větrná elektrárna mohla rozšířit 

paletu zdrojů energie na Marsu, zejména jako doplněk k fotovoltaickým článkům 

a radioizotopovým generátorům. Diverzifikace energetického mixu může zvýšit celkovou 

spolehlivost výroby elektřiny a snížit závislost na jediném zdroji. 

Nevýhodou tradičních větrných elektráren je však jejich složitost, rozměry a velké množství 

pohyblivých částí, což je z hlediska spolehlivosti nevýhodné. Možným řešením těchto 

problémů je využití triboelektrického generátoru, který k výrobě elektrické energie využívá 

jev triboelektrifikace a jeho zástavba do elektrárny a konstrukce je jednodušší než u běžného 

generátoru. 

Cílem této bakalářské práce je návrh triboelektrické větrné elektrárny určené pro použití na 

Marsu. Úvodní rešeršní část se zaměřuje na analýzu současných zdrojů elektrické energie 

využívaných na povrchu Marsu, dále na principy fungování triboelektrických generátorů 

a konstrukci pozemských větrných elektráren. Na základě těchto poznatků bude zpracován 

návrh elektrárny, která bude brát v potaz jak omezení daná prostředím Marsu, tak využívat 

výhody triboelektrického generátoru. 

 



 

16 

2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 

2.1 Elektrická energie na Marsu 

Pobyt nebo jakékoliv a kosmické na jiných planetách vyžaduje pro udržení lidského života 

elektrickou energii, která zajišťuje komunikaci se zemí, přísun kyslíku, zdroj tepla a světla, 

napájí vědecká zařízení, rovery a další. Získání elektřiny na jiných planetách je značně 

obtížnější než na Zemi, často není možné použít pozemské zdroje kvůli absenci paliva, 

kyslíku, vody, nebo jiných přírodních zdrojů. 

Pro dlouhodobý provoz elektrických zařízení je tedy potřeba obnovitelný zdroj energie, nebo 

zdroj s dlouhou výdrží paliva. Na Marsu se v současné době využívá pouze dvou zdrojů 

energie, solární a radioizotopové termoelektrické generátory (RTG). 

2.1.1 Solární elektřina 

Solární panely jsou jako osvědčený zdroj energie hojně používány pro kosmické aplikace 

Mars nevyjímaje. Je jednoduché je implementovat, obvykle nemají pohyblivé části a výroba 

elektřiny je u nich relativně předvídatelná. Sluneční záření dopadající na solární panely je 

během jednoho SOLu (marsovského dne) dostupné pouze po omezenou dobu, což omezuje 

dobu jejich aktivní výroby elektrické energie. Z tohoto důvodu je nezbytné akumulovat 

přebytečnou energii do bateriových systémů, které slouží k napájení během nočního 

provozu. 

Účinnost solárních panelů na Marsu je snížena jak větší vzdáleností planety od Slunce, tak 

přítomností atmosférického prachu. Navíc se panely postupně tímto jemným prachem 

zanášejí, což jejich efektivitu dále snižuje. Problematické je i jejich čištění, které je 

v podmínkách Marsu technicky velmi obtížné (Obr. 2-1).[1]   

 



 

17 

 

Obr. 2-1 Solární panely sondy InSight a) v prosinci 2018, b) panely v červnu 2021 [2] 

Další nevýhodou solárních panelů je nemožnost jejich využití ve větších vzdálenostech od 

rovníku kde kvůli ročním obdobím dochází k velkým výkyvům v intenzitě slunečního záření. 

Navíc na Marsu dochází k prašným bouřím, které dokážou omezit výrobu elektrické energie 

solárními panely až na několik měsíců. [3] 

2.1.2 Radioizotopové termoelektrické generátory (RTG) 

RTG (Obr. 2-2) vyrábí elektrickou energii pomocí termočlánků, které získávají teplo 

z radioaktivního rozpadu paliva. Tyto generátory se v kosmických aplikacích využívají 

primárně pro mise ve větší vzdálenosti od slunce, kde není dostatek slunečního záření pro 

použití solárních panelů. Mezi hlavní výhody těchto zařízení patří stabilní a nepřetržitá 

výroby elektrické energie, provozní spolehlivost díky absenci pohyblivých částí a dlouhá 

životnost která může dosahovat až několik desítek let. 

RTG generátory využívají například rovery Curiosity a Perseverance. Jejich výroba je 

závislá na plutoniu-238, kterého je v současné době pro vesmírné účely dostupných asi jen 

4 kg. Výroba samotného plutonia je omezená, náročná a drahá, přičemž většina současné 

zásoby byla vyrobena během studené války. V poslední době se však výroba plutonia 

pomalu obnovuje. [4]  

Generátor v těchto roverech obsahuje 4,8kg plutonia a při uvedení do provozu poskytuje 

110 W, pro potřeby lidské mise na Mars je potřeba výkonnějšího zdroje energie a současná 

zásoba i s obnovenou výrobou je nedostačující.[5] 



 

18 

 

Obr. 2-2 zjednodušený řez RTG [6] 

2.1.3 Větrná energie 

Větrná energie jako zdroj elektřiny na Marsu se nabízí jako další obnovitelný zdroj, může 

být využita namísto RTG, nebo jako doplněk k solárním panelům, které v noci a během 

špatného počasí nepracují. Taky může umožnit mise do oblastí se méně intenzivním 

slunečním zářením jako jsou polární oblasti. [7] 

Větrná energie má i na Marsu svá omezení. Podobně jako na Zemi se i zde vítr v různých 

oblastech liší, na určitých místech je vítr dlouhodobě slabší než jinde. Větrné elektrárny je 

proto vhodné nasazovat pouze tam, kde panují příznivé povětrnostní podmínky. Konstrukce 

elektráren podobných těm pozemským by byla náročnější, protože je nutné zohlednit 

specifika prostředí Marsu, například zvýšené množství prachu, nízké teploty a další. Použití 

klasické větrné elektrárny se tedy jeví jako nevhodné zejména kvůli hmotnosti jejího 

generátoru a složitosti s množstvím pohyblivých částí, jako je převodovka. 

Zde přichází v úvahu použití triboelektrického generátoru, který je mnohem lehčí 

a nevyžaduje převodovku. [8][9] 

2.2 Doprava na Mars 

Největší omezující faktor jakéhokoliv zařízení pro využití na Marsu, je jeho hmotnost 

a rozměry. Užitný náklad musí mít co nejmenší rozměry a hmotnost, kvůli omezenému 

užitného objemu a nosnosti nosných raket. 



 

19 

Raketa Atlas V541(Obr. 2-3), která dopravila na Mars rover Perseverance, má nákladový 

prostor o výšce 10,2 m a průměru 5 m. Maximální hmotnost nákladu činí 3300 kg, přičemž 

skutečné maximum závisí na zvolené trase k Marsu. Podstatnou část nákladového prostoru 

je navíc nutné vyhradit pro zbývající výbavu nezbytnou pro misi a přistávací zařízení. To 

výrazně omezuje maximální možnou velikost elektrárny, kterou lze na Mars dopravit. [10] 

Avšak se předpokládá, že v budoucnu budou dostupnější větší nosné rakety s větší nosností. 

Problém s velikostí je z části eliminován v případě přítomností lidské posádky, kdy je možné 

dopravit elektrárnu rozloženou a členové posádky ji na místě sestaví, případně je možné 

použít několik nosných raket. 

 

Obr. 2-3 Nákladový prostor Atlas V541 [11] 

Hmotnost elektrárny jako taková zásadně ovlivňuje cenu dopravy, která se řádově pohybuje 

ve stovkách tisíc korun za 1 kilogram nákladu. [12] Je proto výhodné nahradit ocelové 

součásti protějškem z titanové slitiny, který je sice výrobně nákladnější, avšak díky nižší 

hmotnosti může výrazně snížit náklady na dopravu. 

2.3 Prostředí Marsu a kosmu 

Při návrhu konstrukcí určených pro pobyt na povrchu Marsu je nutné zohlednit extrémní 

podmínky jak na povrchu Marsu, tak v prostředí kosmu, které musí zařízení během cesty 

překonat. Tyto podmínky se výrazně liší od podmínek na Zemi. Promítají se do 

konstrukčního řešení a zásadně ovlivňují volbu materiálů, typ používaných maziv, nároky 

na bezpečnost, životnost zařízení a další technické aspekty. Obecně je pak potřeba zařízení 

testovat v simulovaných podmínkách na Zemi, aby se předešlo nechtěnému poškození nebo 

nefunkčnosti zařízení. [13][14] 



 

20 

2.3.1 UV záření 

Zvýšené úrovně ultrafialového záření jsou typické pro kosmický prostor, i pro povrch Marsu. 

Na obou místech chybí hustá atmosféra a zejména ozónová vrstva, která na Zemi zachycuje 

až 77 % UV záření.  

Největším problémem spojeným s UV zářením je jeho negativní vliv na polymerní 

materiály, které se vlivem UV záření mohou rozpadat, protože záření porušuje řetězce 

polymerů, nebo naopak přílišně vytvrzuje materiál prosíťováním, takové poškození se 

projevuje drolením a blednutím materiálu. [14] 

2.3.2 Ionizující záření 

Podobně jako v případě UV záření může mít ionizující záření negativní vliv na polymery. 

Zvýšená míra ionizujícího záření navíc představuje riziko pro jemnou elektroniku, záření 

může způsobovat tzv. „bit flipy“, kdy dojde ke změně stavu bitu v paměti z 0 na 1 nebo 

naopak, tyto bit flipy mohou vést k poškození dat a chybám v řízení nebo regulaci systémů. 

Záření také může vyvolat náhodné změny stavu tranzistorů, které tvoří základ logických 

obvodů, touto změnou stavu mohou být narušené logické operace v zařízení. V extrémních 

případech může dojít k trvalému poškození plošných spojů na základních 

deskách mikrozkratem. Použité obvody a komponenty je potřeba chránit speciálním 

stíněním, výběrem radiačně odolných komponent, nebo implementací korekčních algoritmů. 

[14] 

2.3.3 Teplotní rozdíly 

Teplotám, kterým musí technika při letu na Mars odolávat se kosmickém prostředí běžně 

pohybuje od -120 °C ve stínu, do +120 °C na straně vystavené přímému Slunečnímu záření. 

Takto vysoké teplotní rozdíly jsou obzvláště výrazné u materiálů s malou tepelnou 

vodivostí.[14] 

Na povrchu Marsu se teploty obvykle pohybují v rozmezí od –123 °C do +20 °C. Teplota 

zde již není tolik závislá na stínu nebo přímém slunečním záření, avšak kvůli řídké atmosféře 

dochází k rychlému úniku tepla. Mezi denními a nočními teplotami jsou často výrazné 

rozdíly, které mohou dosahovat až 80 °C. Průměrná teplota rovněž rychle klesá s výškou, 

přičemž pokles činí přibližně 12 °C na každý metr výšky. [14][15] 

 



 

21 

Tyto velmi nízké teploty a velké výkyvy teplot mají za následek, únavu od tepelných cyklů, 

které mohou škodit povrchové úpravě, vlivem různých tepelných roztažností také dochází 

ke změnám rozměrů součástí, a tím i ke změnám funkčních vůlí. Tyto změny rozměrů je 

nutné zohlednit již při návrhu konstrukce. Nízké teploty také omezují výběr materiálů, 

například u většiny ocelí dochází za nízkých teplot ke křehnutí[14][16] 

Na Marsu taky působí menší gravitační zrychlení zhruba 3,73 m/s2. Nižší gravitační 

zrychlení má za následek menší namáhání konstrukce vlastní hmotností a taky usnadňuje 

manipulaci s technikou. [17] 

2.3.4 Atmosférické podmínky Marsu 

Atmosféra Marsu umožňuje vznik větrných podmínek, které jsou nezbytné pro potenciální 

využití větrné energie. Průměrné složení atmosféry je v tabulce (Tab. 2-1), naprostou většinu 

tvoří oxid uhličitý, jehož obsah se sezónně mění díky jeho sublimaci na pólech. Hustota 

Marsovské atmosféry je v porovnání se Zemí asi 100krát řidší, tedy asi 0,02 kg/m3. Hustota 

spolu s rychlostí větru zásadně ovlivňuje množství energii získatelné z větru. Jakákoli větrná 

turbína bude pracovat v aktivní povrchové vrstvě atmosféry, jejíž výška se pohybuje od 

několika metrů až po desítky metrů. V této vrstvě atmosféra přijímá energii potřebnou pro 

vznik větru od sluncem ohřívaného povrchu. [3][18][19] 

Tab. 2-1 Složení atmosféry Marsu [19] 

Plyn Objemové množství [%] 

Oxid uhličitý (CO2) 96.00 % 

Argon (Ar) 1.93 % 

Dusík (N) 1.89 % 

Kyslík (O2) 0.15 % 

Oxid uhelnatý (CO) 0.09 % 

Vodní pára (H2O) 0.03 % 

Pohyby atmosféry jsou podobně jako na zemi způsobeny lokálními nebo regionálními 

změnami tlaku, který se obvykle mění v důsledku ohřátí nebo ochlazení atmosféry, když na 

různých místech vznikají oblasti s různým tlakem, tyto rozdíly se přirozeně snaží vyrovnat 

a dochází k proudění atmosféry z oblasti vyššího tlaku směrem do oblasti nižšího tlaku. [20] 

Takové proudění obvykle nazýváme jako vítr a spolu s ním dochází k dalším atmosférickým 

jevům jako jsou prachové bouře a Dust Devils (prašní ďáblové, malé rychle se pohybující 

víry prachu připomínající tornádo).  



 

22 

Rychlost větru se za běžných podmínek pohybuje v rozmezí 5 až 30 m/s s průměrnou 

rychlostí 12,4 m/s. Rychlost záleží zejména na konkrétní lokaci, ročním období, na denní 

době a na počasí. Takto nízká rychlost větru může být nedostatečná pro rozběh některých 

větrných turbín, rychlost větru však může být na vhodných místech výrazně vyšší, jako třeba 

na okrajích kráterů, vrcholcích kopců a jiných místech s velkými teplotními rozdíly. 

Rychlost větru také stoupá s výškou nad povrchem.[3][18][19] 

Na povrchu planety se také relativně pravidelně objevují prachové bouře, při těchto 

prachových bouřích jsou rychlosti věru podstatně vyšší než obvykle, průměrně 27 m/s. 

Někdy mohou prachové bouře trvat několik měsíců a mohou obklopit celou planetu (Obr. 

2-4).[3][18][21] 

 

Obr. 2-4  Mars normálně a během globální prachové bouře [22] 

2.3.5 Prach 

V atmosféře Marsu se běžně vyskytuje značné množství prachu (Obr. 2-5), jehož přítomnost 

představuje riziko pro technologické zařízení na povrchu planety. Prach je elektrostaticky 

nabitý, což zvyšuje jeho tendenci usazovat se na površích. V kombinaci s větrem má tento 

prach abrazivní účinky, které mohou znatelně poškodit zařízení. V důsledku toho dochází 

ke zvýšenému opotřebení, na které je třeba brát ohled. Díky usazeninám prachu na solárních 

panelech již vypovědělo funkci několik roverů např.: Spirit a Opportunity. Prach má zásadní 

vliv na životnost ložisek a jiných pohyblivých částí, to vede k velkým nárokům na těsnění, 

které je poté složitější. V případě, kdy zařízení pracuje se stlačenou atmosférou je filtrace 

prachu nutností. [21][13]  



 

23 

 

Obr. 2-5 Zastínění oblohy atmosferickým prachem v rozpětí 30 solů [23] 

2.4 Větrné elektrárny 

Větrná elektrárna je zařízení, které umožňuje přeměnu kinetické energie větru na elektrickou 

energii. Běžná větrná elektrárna je tvořena dvěma částmi, generátorem a turbíoua. Turbína 

slouží k přeměně proudění větru na otáčivý pohyb hřídele a generátor mění otáčivý pohyb 

hřídele na elektrický proud. Často mezi turbínou a generátorem nalezneme převodovku. 

Generátor s převodovkou a zbylým příslušenstvím je pak uložen v gondole, ke které je pak 

připojena turbína. Elektrárny poté dělíme podle uložení turbíny na vertikální a horizontální, 

přičemž u druhé zmíněné je celá gondola navíc zpravidla uložena na vysokém sloupu vysoko 

nad zemí. Samotné turbíny lze podle aerodynamických charakteristik pak dělit na odporové 

a vztlakové. 

Jednotlivá uspořádání sebou nesou výhody a nevýhody, které je potřeba zohlednit při 

konstrukci vlastní větrné elektrárny.[24][25]  

2.4.1 Vztlakové turbíny 

Vztlakové turbíny fungují na principu vztlakové síly, která vzniká při proudění vzduchu 

kolem aerodynamického profilu. Tento profil přesměrovává proud vzduchu, čímž vytváří 

reakční vztlakovou sílu. V důsledku této síly se lopatka nebo list turbíny uvádí do pohybu 

(Obr. 2-6). Rychlost takového listu pak může být větší než rychlost nabíhajícího proudu 

vzduchu. Na tomto principu pracují horizontální turbíny a některé vertikální turbíny.[26][25] 



 

24 

 

Obr. 2-6 Aerodynamické síly na profilu [27] 

2.4.2 Odporové turbíny 

Při proudění vzduchu vzniká na ploše, na kterou vzduch nabíhá aerodynamický odpor, 

odporová síla působící na lopatky otáčí rotorem. Aby vznikal hnací kroutící moment musí 

být rychlost lopatky menší než rychlost působícího vzduchu. S odporovým rotorem se 

setkáme u vertikálních turbín.[25] 

2.4.3 Horizontální turbíny 

Rotor se otáčí okolo vodorovné osy a pracuje na aerodynamickém principu, na listech rotoru 

pak vzniká vztlaková síla, která tvoří moment a otáčí rotorem. Běžná větrná turbína má 

obvykle dva nebo tři listy a spolu s generátorem bývá umístěna na vysokém sloupu. Sloup 

zajišťuje dostatečnou vzdálenost lopatek od země, čímž se minimalizuje riziko kolize 

s osobami. Menší turbíny s nízkým sloupem lze alternativně instalovat například na střechy 

budov. Výhodou vyššího umístění turbíny je využití rychlejšího větru ve výškách. Lopatky 

musí být značně tuhé nebo zakloněné, při provozu se totiž vlivem odporu vzduchu ohýbají 

a při velkém prohnutí může dojít ke kolizi se sloupem, kolizi se dá také zabránit umístněním 

rotoru po větru vůči sloupu (Obr. 2-7). 

 

Obr. 2-7 Elektrárna v konfiguraci po větru VS proti větru [28] 



 

25 

Vzhledem k tomu, že směr větru je proměnlivý, je pro jeho maximální využití nutné zajistit 

natáčení celé gondoly turbíny. U větších větrných elektráren se používá mechanizovaný 

systém. U menších zařízení často postačí jednoduché řešení v podobě ocasní lopatky 

(korouhve), která automaticky nastaví turbínu do směru větru (Obr. 2-8). Horizontální 

turbíny dosahují vyšší účinnosti než vertikální turbíny. [25][29] 

 

Obr. 2-8 Elektrárna s nastavením řízeným korouhví [30] 

2.4.4 Vertikální turbíny 

Vertikální turbíny mají osu rotace orientovanou ve svislé poloze. Díky tomuto uspořádání 

není nutné použití vysokého stožáru, protože generátor může být umístěn blízko země. Rotor 

vytváří moment z rozdílu aerodynamického odporu mezi jednotlivými lopatkami. Největší 

výhodou takové turbíny je nezávislost na směru větru, turbína pracuje při jakémkoliv směru 

větru a nepotřebuje natáčecí systém, proto se hodí do oblastí nevyzpytatelnými 

povětrnostními podmínkami. Tyto turbíny mají obvykle menší účinnost, než turbíny 

horizontální navíc díky absenci sloupu je turbína vystavena větru o menší rychlosti, může 

být pak vhodné takovou turbínu umístit na střechu základny, kde může být rychlost větru 

vyšší. [31] 



 

26 

Savoniova turbína  

Jedná se o odporovou vertikální turbínu s lopatkami půlkruhového tvaru uspořádaných do 

tvaru S (Obr. 2-10), lopatky se navzájem zčásti překrývají. Při proudění vzduchu působí 

aerodynamický odpor na obě poloviny turbíny. Na lopatce pohybující se proti směru větru 

je odpor nižší, a to díky jejímu pozitivnímu zakřivení ve směru proudění, lopatka pohybující 

se po směru větru vykazuje vyšší odpor (Obr. 2-9). Mezera mezi lopatkami umožňuje, aby 

část proudícího vzduchu působila i na zadní stranu protiběžné lopatky, což zvyšuje účinnost 

turbíny. Kroutící moment pak vzniká díky rozdílným odporům na jednotlivých lopatkách.  

 

Obr. 2-9 Princip funkce Savoniovy turbíny [32] 

Výhodou je nízká rozběhová rychlost větru a jednoduchost, turbína má však nízkou 

efektivitu. Efektivita se dá mimo jiné zvýšit zakrytím protiběžné lopatky, ale přijdeme 

o možnost vystavit turbínu proměnnému směru větru. [29][33] 

 

Obr. 2-10 Savoniova turbína [34] 



 

27 

Darrieova turbína 

Lopatky turbíny pracují na aerodynamickém principu a objevují se v C, H a šroubovité 

konfiguraci. (Obr. 2-11) H konfigurace kombinuje několik lopatek rozmístěných po obvodu 

otáčejícího se kruhu. U lopatek jdoucích proti větru pak vzniká vztlaková síla, která otáčí 

turbínou. Spirálová konfigurace je stejná jako H, s tím rozdílem, že jsou lopatky po obvodu 

rotace zakřiveny. V C konfiguraci jsou lopatky zkrouceny do tvaru C, vrchní a spodní část 

každé lopatky se napojuje s ostatními lopatkami na hřídel. Efektivita turbíny je značně vyšší 

než u Savoniovy turbíny, rychlost větru potřebná pro start turbíny je ale značně vysoká 

a často potřebují externí zdroj startování. Za provozu jsou lopatky značně namáhané 

odstředivými silami, u C a H turbín dochází taky k cyklickému namáhání v krutu kvůli 

střídání lopatek v záběru. [29][31] 

 

Obr. 2-11 Darrierova turbína tvar a) C, b) H, c) šroubovitá [35] 

Turbíny lehčí než vzduch 

Jedná se nejčastěji o odporové turbíny využívající vyšších rychlostí větru ve větších výškách 

nad povrchem země. Na válcové vzducholodi (Obr. 2-12), plněné heliem, jsou připevněny 

plachty, které vlivem odporových sil otáčejí celou vzducholodí. Osou tohoto válce prochází 

hřídel pevně spojený se zbytkem válce, na jehož koncích se nachází generátor, který je 

pomocí lan ukotven k pozemní stanici a zajištěn proti protáčení. Elektřinu je nutné 

z generátoru odvádět vodičem namotaným na lano. Pozemní stanice slouží jako kotva 

a ovládací stanice pro výšku turbíny. Natáčení turbíny proti nabíhající proudu vzduchu je 

zajištěno stabilizačním diskem. Výhodou takové turbíny je absence sloupu. Po čase však 

dochází k úniku helia z balónu a je potřeba ho jednou za čas doplnit.[36] 



 

28 

 

Obr. 2-12 Turbína v podobě vzducholodě [36] 

2.5 Triboelektrickcké elektrárny 

Triboelektrická elektrárna je relativně nový koncept pro získávání elektrické energie. 

Taková elektrárna nahrazuje indukční generátor pracující na principu elektromagnetické 

indukce, který nalezneme v běžných elektrárnách, za generátor, který vyrábí elektřinu 

z triboelektrického jevu. S tímto jevem se nevědomky setkáváme každý den, kdy při tření 

dvou různých materiálů dochází k přenosu elektrického náboje z jednoho materiálu na druhý. 

Tento jev známe jako statickou elektřinu a ve většině případů je nežádoucí. Nabitá tělesa 

mohou při nevhodném zacházení vyvolat elektrický výboj, který může poškodit elektronická 

zařízení nebo v extrémních případech způsobit požár. Triboelektrická elektrárna využívá 

triboelektrického jevu pro výrobu elektrické energie.[37] 

V současné době není mnoho zařízení využívajících triboelektrického jevu. Většinou se 

jedná pouze o prototypy generátorů nebo elektráren, samo napájecích senzorů, nebo příruční 

zařízení pro získání malého množství energie. V posledních 10 letech se však objevuje stále 

více konceptů a prototypů. Elektrárny využívající triboelektrický jev mohou v budoucnu 

nahradit běžné generátory využívající elektromagnetickou indukci. Příkladem zařízení 

využívající triboelektrický jev je prototyp elektrárny od The Tekniker (Obr. 2-13) 

technology centre. Tato elektrárna využívá vertikální Darierovu turbínu a několikavrstvý 

generátor s volnou vrstvou. [38] 



 

29 

 

 

Obr. 2-13 Elektrárna od The Tekniker [38] 

2.5.1 Triboelektrický jev  

K triboelektrickému jevu neboli triboelektrifikaci dochází při kontaktu a následném oddělení 

dvou různých materiálů, přičemž si alespoň jeden z materiálů po oddělení zachová elektrický 

náboj. Při kontaktu těchto materiálů dochází k přestupu elektronů z jednoho materiálu na 

druhý díky rozdílům v elektrických potenciálech, které se po kontaktu vyrovnají. Dále může 

docházet k výměně iontů nebo nanočástic materiálů, tyto výměny také přispívají k výměně 

náboje, ale jejich příspěvek je oproti elektronům nevýznamný. Při oddělení materiálů od 

sebe zůstanou vyměněné elektrony tam kde byly a vzniká kladně a záporně nabitý povrch 

materiálu. [39][40] 

Množství přeneseného náboje mezi materiály závisí na několika faktorech. Jedním z nich je 

síla přitlačení, tedy kontaktní tlak. Při větším tlaku je ve vzájemném kontaktu více vrcholků 

nerovností, což umožňuje přenos většího množství elektronů. Dalším faktorem je druh 

namáhání. Pokud povrchy vůči sobě dynamicky třou, dochází k častějším kontaktům 

vrcholků nerovností, což poskytuje více příležitostí pro přenos elektronů. Důležitý je i druh 

materiálů, protože různé materiály mají různé kontaktní potenciály a různou schopnost 

přenášet náboje. Při kombinování různých materiálů vznikají triboelektrické páry, u kterých 

definujeme povrchovou hustotu náboje [σ] = C/m2. Tato hustota má přímý vliv na výkon 

generátoru. [8][40][41][42] 



 

30 

2.5.2 Získávání energie z triboelektrického jevu 

Náboj vytvořený na površích těles při triboelektrifikaci není jednoduché přímo převést na 

elektrický proud, pro udržení náboje je totiž potřeba nevodivý povrch, který znemožní 

okamžitou disipaci náboje. Tření dvou kovů je tedy nepoužitelné a je proto nutné využít 

nevodivého oddělení elektrod a elektrostatickou indukci, která umožňuje nepřímý přenos 

elektronů z jedné elektrody na druhou. [40][41][42] 

2.5.3 Elektrostatická indukce 

Jedná se o jev vznikající, když se do blízkosti neutrálního tělesa přiblíží jiné těleso 

s elektrickým nábojem. Vlivem elektrostatických sil dojde na povrchu neutrálního tělesa 

k přeskupení volných nosičů náboje, nejčastěji elektronů. 

Elektrostatické síly jsou síly, kterými na sebe navzájem působí všechny, jakkoliv nabité 

částice. Částice se stejným nábojem se budou odpuzovat, částice s opačnými náboji naopak 

odpuzovat. V důsledku vzniklé síly dochází k přeskupení částic, nejčastěji elektronů, na 

povrchu tělesa. (Obr. 2-14) Při přiblížení kladně nabitého tělesa k neutrálnímu se elektrony 

přesunou do blízkosti nabitého tělesa. [43] 

 

Obr. 2-14 Znázornění elektrostatické indukce-zelený 

Pokud dojde k indukci náboje ve vodivém materiálu, pohyb elektronů vyvolaný tímto jevem 

lze využít jako zdroj elektrického proudu. 

Vizualizace Obr. 2-14 je stvořena na základě poznatků z [43]. 

Vytvořené vizualizace (Obr. 2-15, Obr. 2-16, Obr. 2-17, Obr. 2-18) jsou vytvořeny na 

základě poznatků z [40]. 



 

31 

2.6 Triboelektrické generátory (TENG) 

Struktura každého triboelektrického generátoru se skládá minimálně ze dvou elektrod, které 

nejsou v přímém kontaktu a jsou odděleny nevodivou vrstvou nebo mezerou. Vznikající 

elektrický proud pohybem elektronů mezi vrstvami, lze získat dvěma principy: 

2.6.1 Generátory s pohyblivou elektrodou  

Při kontaktu nebo tření dvou elektrod, z nichž je alespoň jedna pohyblivá, dochází vlivem 

triboelektrického jevu k přenosu náboje z jedné elektrody na druhou. Tyto elektrody 

následně fungují jako nabitá tělesa, která umožňují vznik elektrostatické indukce. 

Aby nedošlo k okamžité disipaci náboje, musí být mezi elektrodami alespoň jedna nevodivá 

vrstva. Náboj, který se na izolovaných elektrodách hromadí, vytváří elektrický potenciál 

podobně jako v kondenzátoru. Pokud jsou elektrody propojeny vnějším vodičem nebo jinou 

elektrickou zátěží, dochází vlivem rozdílných potenciálů a elektrostatické indukce k toku 

elektronů mezi elektrodami – vzniká elektrický proud.  [40] 

2.6.2 Generátory s volnou vrstvou 

Při kontaktu nebo tření pohyblivé vrstvy s jednou nebo dvěma nepohyblivými elektrodami 

dochází ke shromažďování elektrického náboje na pohyblivé vrstvě. K zabránění okamžité 

disipaci náboje, musí být vrstva nevodivá nebo potažená nevodivým povlakem. Případně 

mohou být nevodivou vrstvou opatřeny samotné elektrody. Vrstva a elektrody uchovávají 

náboj, pokud se elektrody propojí vodičem nebo zátěží a do blízkosti jedné z elektrod 

přiblížíme nabitou volnou vrstvu, dojde vlivem elektrostatické indukce ke vzniku 

proudu. [40] 

Oba způsoby mají na rozdíl od klasických generátorů kapacitní charakter, je tomu tak kvůli 

absenci cívek, které jsou přítomny u klasických generátorů. Namísto cívek se zde objevuje 

něco jako kondenzátor s proměnnou kapacitou závislou na poloze elektrod. [40][42][44] 

  



 

32 

2.6.3 Uspořádání generátorů 

Dle principu fungování a směru pohybu dělíme generátory na: 

Kontaktní generátor s pohyblivou elektrodou 

Jedná se o jednu pevnou elektrodu a druhou pohyblivou ve vertikálním směru. Elektrifikace 

nastává při krátkodobém kontaktu pohyblivé elektrody s nevodivou vrstvou na pevné 

elektrodě. Během následného oddálení pohyblivé elektrody dochází ke změně elektrického 

potenciálu mezi elektrodami, což vyvolá proud v připojené zátěži. Pohyb elektrody je 

v tomto případě přímočarý. (Obr. 2-15) [40] 

 

Obr. 2-15 Kontaktní generátor s pohyblivou elektrodou 

Kluzný generátor s pohyblivou elektrodou 

K elektrifikaci dochází třením pohyblivé elektrody o pevnou. Ke změně potenciálu a vzniku 

proudu dochází při kluzu pohyblivé vrstvy po pevné. Tento pohyb může být jak přímočarý, 

tak rotační. (Obr. 2-16) [40] 

 

Obr. 2-16 Kluzný generátor s pohyblivou elektrodou 



 

33 

Kontaktní generátor s volnou vrstvou 

Mezi dvěma pevnými elektrodami pohybujeme ve vertikálním směru s volnou vrstvou 

nevodiče nebo kovu. K elektrifikaci dochází při každém kontaktu s elektrodou, pohybem 

vrstvy dochází ke změně potenciálu a na zátěži vzniká proud. Pohyb je přímočarý. (Obr. 

2-17)  [40][44] 

 

Obr. 2-17 Kontaktní generátor s volnou vrstvou 

Kluzný generátor s volnou vrstvou 

Volnou vrstvou lze třít o jednu nebo obě pevné elektrody čímž dochází k elektrifikaci 

pohyblivé vrstvy. Následným přiblížením této nabité vrstvy k jedné z elektrod se mění 

elektrický potenciál mezi nimi, což vyvolává proud v připojené zátěži. Pohyb může být buď 

přímočarý, nebo rotační. Toto uspořádání je konstrukčně jednodušší generátor s pohyblivou 

elektrodou. Pohyblivá elektroda totiž vyžaduje vodivé spojení s rotujícím prvkem, což 

s sebou přináší nežádoucí tření a zvýšené opotřebení. (Obr. 2-18) [40][44] 

 

Obr. 2-18 Kluzný generátor s volnou vrstvou 



 

34 

 

Všechny typy generátorů pro svojí funkci vyžadují pohyb, při kterém dochází k oddělení 

jedné vrstvy nebo elektrody od jiné. V reálných podmínkách není možné zajistit trvalé 

oddalování dvou vrstev tak, aby vznikal stejnosměrný proud. Z tohoto důvodu je nutné 

zajistit opakované cykly kontaktu a oddělení, což vede ke vzniku střídavého elektrického 

výstupu generátoru. 

Takové cykly jsme schopni vyvodit vibracemi nebo rotací. Rotační generátory vyžadují 

speciální mřížkovanou strukturu elektrod. Mřížková struktura se skládá z několika pevných 

elektrod po obvodu kružnice (Obr. 2-21), které jsou vodivě propojeny, nebo jsou vyřezány 

do jednoho plechu. Po tomto plechu rotačně klouže obdobná elektroda nebo volná vrstva. 

Takto uspořádaný může být poháněn větrnou turbínou, která na rotor generátoru přenáší 

točivý moment. Kontaktní generátory nelze jednoduše pohánět rotací, a proto jsou spíše 

vhodné pro jiné aplikace. Dále se práce bude zabývat jen kluznými generátory. [40][42] 

2.7 Zefektivnění generátorů 

Generátory jsou citlivé na velikost připojené zátěže. Pokud má zátěž nízký odpor, dochází 

k rychlému vyrovnání náboje mezi elektrodami, což vede k nízkému výstupnímu napětí. 

Naopak při zátěž s velkým odporem bude výstupní napětí vysoké, ale protékající proud bude 

malý, protože vysoký odpor omezuje tok elektronů. Graf (Obr. 2-19) ukazuje závislost 

proudu a napětí na zátěži v modelové situaci. Je proto třeba najít optimální zátěž takovou, 

aby byl výkon co největší. Skutečný generátor poskytuje střídavý proud a maximálního 

výkonu se dosáhne vhodným RC obvodem. Generátory se tedy nehodí pro přímé připojení 

k zátěži. [40]  

 

Obr. 2-19 a) Volt ampérová charakteristika, b) Výkon v závislosti na odporu [40] 



 

35 

2.7.1 Mřížkování 

Při konstrukci generátoru je potřeba zajistit opakovaní cyklů generátoru, tyto cykly zajistí 

mřížkovaní elektrod. Jedná se o kruhové uspořádání několika elektrod uprostřed, nebo na 

krajích propojených vodičem. Mřížkování zvyšuje efektivitu nabíjení elektrod, zvyšuje 

počet nabíjecích cyklů za jednu otáčku a tím i frekvenci výstupního střídavého proudu. 

Mřížkování nesmí být příliš jemné, protože při vyšším počtu mřížek dochází ke znatelnému 

poklesu efektivity vlivem hranového efektu. Na hranách jednotlivých elektrod se deformuje 

elektromagnetické pole (Obr. 2-20), které následně zasahuje i mimo aktivní plochu elektrod. 

Výsledkem je snížení intenzity elektrického pole mezi elektrodami. Při menším počtu 

mřížek je tento efekt méně výrazný. [40][45] 

 

Obr. 2-20 Elektrostatické pole s vlivem hranového efektu [46] 

Mřížkování generátoru s volnou vrstvou je konstrukčně složitější kvůli nutnosti oddělení 

jednotlivých elektrod. Je proto třeba použít dvě odlišné struktury mřížkování: jednu 

s propojením uprostřed pro jednu z pevných elektrod a druhou s propojením na okrajích pro 

druhou pevnou elektrodu. (Obr. 2-21) [41] 

 

Obr. 2-21 a) Mřížkování s propojením uprostřed, b) Mřížkování s propojením na krajích 

 



 

36 

2.7.2 Vliv tlaku 

Atmosferické složení Marsu napomáhá k elektrifikaci, experimentem [8] bylo zjištěno, že 

generátor v natlakované CO2 atmosféře produkoval větší napětí (Obr. 2-22). Generátor si na 

elektrodách udržel větší σ, kvůli snížené disipaci náboje v natlakované CO2 atmosféře, to 

vyplývá z Paschenova zákona, který určuje limitní napětí, při kterém dochází k výboji, 

limitní napětí je za většího tlaku větší. [8] Tohoto jevu se dá využít pro zvýšení výkonu 

elektrárny umístěním generátoru do natlakovaného prostoru.  

 

Obr. 2-22 Naměřená napětí na kontaktním generátoru za různých atm. podmínek [8] 

2.8 Triboelektrické materiály 

Výkon a životnost generátoru závisí na zvolené kombinaci materiálů(tribo-párů), které se 

účastní elektrifikace rotoru a statoru generátoru. Tyto materiály musí být odolné vůči 

opotřebení a zároveň musí mít dobré triboelektrické vlastnosti. Všechny materiály se dají 

seřadit do triboelektrické řady (Obr. 2-23), která vyjadřuje schopnost materiálů přijmout 

nebo odevzdat elektrony referenčnímu materiálu při elektrifikaci. Volbou materiálů více 

vzdálených od sebe v triboeletrické řadě obecně dosáhneme větší hustoty náboje σ. 

Triboelektrická řada slouží především jako pomůcka a je stanovena experimentálně. Nelze 

ji tedy použít k přesnému vyčíslení hustoty přeneseného náboje. Kvůli složitosti samotného 

procesu elektrifikace je nutné tuto hodnotu určit experimentálně. Experiment by přitom měl 

co nejlépe odrážet skutečné provozní podmínky budoucího generátoru. [41] [47][48] 



 

37 

  

Obr. 2-23 Triboelektrická řada [49] 

 

Volba páru také závisí na mechanických a tribologických vlastnostech materiálů, jako je 

tření, opotřebení a pevnost. Z dosavadních poznatků se v současné době jeví jako vhodné 

použít teflon (PTFE) a jeho modifikace v kombinaci s hliníkem pro jejich třecí, 

triboelektrické a mechanické vlastnosti. Další vhodné materiály jsou DLC (diamond like 

carbon) ve formě povlaku, sklo a měď. Pro další vývoj v této oblasti je zapotřebí 

rozsáhlejších studií. [47][50] 

2.9 Výkon 

Odhad, nebo výpočet výkonu generátoru je závislý na typu generátoru. Na výpočet výkonu 

je často nutné použít metodu konečných prvků nebo numerické metody. Výstupní parametry 

generátoru se pak řídí podle následující diferenciální rovnice. 

𝑅
𝑑𝑄

𝑑𝑡
= 𝑉 = −

1

𝐶
𝑄 + 𝑉𝑂𝐶 (1) 

kde R je odpor zátěže, C je kapacita systému, zahrnuje v sobě geometrii jednotlivých 

elektrod, 𝑑𝑄 je změna náboje v čase, a 𝑉𝑂𝐶 je napětí na elektrodách uvažující nepropojené 

elektrody. Jednotlivé parametry se podle typu generátoru vyskytují v podobě funkce (𝑡), 

nemusí tedy být konstanty a často není možné rovnici vyřešit analyticky. To je obzvlášť 

pravda pokud je zátěž složitější než pouhý odpor. [40]  



 

38 

Obecně má vliv na výkon generátoru hustota náboje σ a jeho konstrukce. Napětí U i proud I 

se mění v čase proporcionálně k σ. Konstrukci je možné pomocí MKP optimalizovat. [40] 



 

39 

3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 

3.1 Analýza problému 

Práce se zaměřuje na lepší porozumění triboelektrického jevu a jeho využití k získávání 

elektrické energie. Koncepční návrh elektrárny má přiblížit problémy spojené s konstrukcí 

zařízení pro použití na Marsu.  

Elektrárna pro takové použití se značně liší od jejího pozemského protějšku, je potřeba aby 

byla spolehlivá, lehká a nepodlehla marsovským podmínkám a zároveň měla dostatečný 

výkon.  

Jak se ukázalo, tak jednou z největších komplikací pro funkční elektrárnu je nedostatečná 

síla větru pro rozběh turbíny a uvedení elektrárny do provozu. Je tedy nezbytné navrhnout 

turbínu tak, aby byla schopná funkce i ve slabším větru. 

Další komplikací jsou extrémní podmínky panující na Marsu, nízké teploty a zvýšená 

intenzita UV záření činí problémy při použití některých materiálů, zejména polymerů 

a kompozitů. Komplikace je také zvýšená přítomnost prachu, který má vliv na životnost 

pohyblivých součástí. 

3.2 Cíl práce 

Cílem práce je navrhnout koncept větrné elektrárny využívající triboelektrický jev pro 

výrobu elektrické energie na Marsu.  

Dílčí cíle: studium literatury týkající se prostředí Marsu a triboelektrického jevu, rešerše 

technologií větrných elektráren a triboelektrických generátorů, identifikace vhodných 

materiálů pro konstrukci triboelektrického generátoru, koncepční návrh větrné elektrárny 

pro marsovské podmínky.  

  



 

40 

4 KONCEPČNÍ ŘEŠENÍ  

Pro maximální spolehlivost, robustnost a zajištění správné funkce elektrárny je třeba volit 

konstrukci jednotlivých součástí s ohledem na spolehlivost, hmotnost, efektivitu a celkové 

rozměry. 

Klíčovým faktorem ovlivňujícím rozměry a efektivitu bude především typ zvolené turbíny. 

Konkrétní provedení jednotlivých součástí pak závisí na jejich individuálních požadavcích. 

4.1 Generátor 

Při výběru typu generátoru je nutné zohlednit charakteristický otáčivý pohyb větrných 

turbín. Z tohoto důvodu je zásadní zvolit některý z kluzných typů generátoru, které umožňují 

jednodušší zavedení rotačního pohybu na elektrody. 

U kontaktních generátorů je příliš složité zavedení otáčivého pohybu. Na druhou stranu jsou 

méně náchylné k opotřebení elektrod, protože nedochází ke smýkání. Zároveň u nich bývá 

výpočet výkonu spolehlivější a jednodušší. Kontaktní generátory jsou kvůli obtížím 

zavedení rotačního pohybu vhodnější pro jiné aplikace. 

 

4.1.1 Generátor s pohyblivou elektrodou 

Tento typ generátoru je konstrukčně poměrně jednoduchý a využívá mřížkovanou strukturu 

elektrod. Jeho výhodou je použití pouze jedné pevné a jedné pohyblivé elektrody. Není nutné 

řešit přesnou vzájemnou vzdálenost elektrod, pouze počet mřížek a celkovou plochu 

elektrod. 

Nevýhodou je nutnost komplikovaného připojení pohyblivé/rotující elektrody k vnějším 

obvodům nebo k zátěži. Toto spojení lze realizovat pomocí kartáčů a stíracího kroužku, což 

zvyšuje složitost celého systému. Zároveň tím přibývá další prvek náchylný k opotřebení. 

Další nevýhodou tohoto typu generátoru je požadavek na vyšší tuhost jednotlivých vrstev. 

Při separaci elektrod může dojít vlivem přítlačné síly k jejich prohnutí. To může při dalším 

pohybu způsobit kolizi s bokem následující elektrody. 

 



 

41 

4.1.2 Generátor s volnou vrstvou 

U tohoto typu generátoru není nutné vodivé propojení statoru s pohyblivou vrstvu, stačí 

propojit dvě mřížkované pevné elektrody. Volná vrstva zde slouží pouze jako nosič náboje 

a tribopár. Díky absenci kartáčů je konstrukce výrazně jednodušší – pohyblivá část může být 

tvořena pouze plechem, plechem s nevodivým potahem nebo plátem z nevodivého materiálu. 

Výroba této vrstvy je tedy jednodušší. 

Pevné elektrody jsou však konstrukčně složitější. Je nutné zajistit jejich oddělení – jedna 

elektroda musí mít mřížkování propojené po krajích a druhá uprostřed. 

Další výhodou tohoto typu generátoru je, že nehrozí kolize vrstev, protože volná vrstva je 

vždy v kontaktu s pevnými elektrodami. Je dokonce možné nahradit nevodivou vrstvu na 

každé elektrodě jednou společnou vrstvou, která překrývá obě elektrody najednou. Tento 

způsob zajistí, že nikdy nedojde k oddělení volné vrstvy od elektrod (Obr. 4-1.). Takové 

zjednodušení však znemožňuje použití kovu v tribopáru na pevných elektrodách, protože by 

v takovém případě došlo ke zkratu mezi elektrodami. 

 

Obr. 4-1 Generátor s volnou vrstvou se společnou nevodivou vrstvou 

4.1.3 Tribopár generátoru 

Nejdůležitějším kritériem pro výběr tribopáru je dosažitelná hustota náboje σ, která přímo 

ovlivňuje výkon generátoru. Dalším důležitým faktorem je součinitel tření mezi použitými 

materiály, ten by měl být co nejnižší. Důležitá je také nízká míra vzájemného opotřebení, 

snadnost zpracování materiálů a jejich hmotnost. 

Jako vhodní kandidáti se nabízí kombinace PTFE (teflon) a jiného materiálu. Teflon je jako 

povlak jednoduché nanést, dosahuje malých součinitelů tření a jako triboelektrický materiál 

je velmi dobrý příjemce elektronů. Jako kombinace k teflonu se nabízí zejména hliník, sklo, 

nylon a DLC (diamond like carbon) povlaky.  

Hlavní výhodou hliníku je jednoduchost jeho zpracování, hmotnost a je relativně dobrý 

poskytovatel elektronů. 



 

42 

Jako vhodní kandidáti pro tribopár se nabízí kombinace PTFE (teflonu) s jiným materiálem. 

Teflon je snadno aplikovatelný jako povlak, má velmi nízký součinitel tření a jako 

triboelektrický materiál je výborným přijímačem elektronů. Jako protějšek k teflonu se 

nejvíce hodí hliník, sklo, nylon nebo DLC povlaky (diamond-like carbon). 

Hlavní výhodou hliníku je jeho snadné zpracování, nízká hmotnost a poměrně dobrá 

schopnost poskytovat elektrony. 

Sklo je výborným poskytovatelem elektronů, ale kvůli své křehkosti a náročnému 

zpracování není vhodné pro použití v generátoru. 

DLC povlaky mají výborné abrazivní vlastnosti, tedy nízké opotřebení, a zároveň dobré třecí 

vlastnosti. Při vhodném dopování jinými prvky, jako je křemík nebo vodík, mohou být také 

velmi dobrými dárci elektronů. 

Nevýhodou DLC je nutnost použití jádra, na které se povlak nanáší, a také samotný proces 

nanášení, který je technologicky náročný. 

4.2 Turbína 

Při výběru turbíny je třeba zohlednit její rozměry, efektivitu, konstrukční složitost a zejména 

schopnost rozběhu při nízkých rychlostech větru. Zvolený typ turbíny zároveň ovlivňuje 

požadavky na její uložení, případně na uložení generátoru. 

4.2.1 Horizontální turbína 

Horizontální turbína nabízí dobrou efektivitu a relativně jednoduchou konstrukci. Její krátká 

hřídel je namáhána pouze na krut, což přispívá k její životnosti. 

Turbína je obvykle umístěna na sloupu ve větší výšce, kde vane silnější vítr. Hlavní 

nevýhodou je potřeba vysokého sloupu a natáčecího zařízení, které do jinak jednoduché 

konstrukce vnáší složitost. To zahrnuje dodatečná ložiska a další zařízení pro natáčení 

turbíny do směru větru. 

Dalším významným problémem je nutnost robustního základu pro sloup, aby nedošlo k jeho 

převrácení nebo vyvrácení pod náporem větru. Situaci zhoršuje i fakt, že generátor bývá 

uložen v gondole přímo u turbíny na vrcholu sloupu, což posouvá těžiště výše. 

Tento problém lze částečně řešit využitím Marsovského materiálu, například kamenů nebo 

písku, jako zátěže. Alternativně je možné sloup přišroubovat k jiné stabilní konstrukci, 

například ke střeše základny. 



 

43 

4.2.2 Vertikální turbíny 

Savoniova turbína 

Savoniova turbína vyniká jednoduchou a robustní konstrukcí a snadným rozběhem. Jelikož 

se jedná o vertikální turbínu, nevyžaduje pro svůj provoz vysoký sloup. Stačí pouze malý 

základ, na který lze přímo umístit generátor. 

Díky nízkému umístění generátoru se snižuje riziko převrácení celé elektrárny .Turbína 

navíc díky svému principu nevyžaduje natáčecí systém, směr jejího otáčení je nezávislý na 

směru větru.. 

Největší nevýhodou Savoniovy turbíny je její nízká efektivita. Problémem je taky zatížení 

hřídele, která je při rotaci namáhána současně na krut i na ohyb. 

Darrierova turbína 

Podobně jako Savoniova turbína nevyžaduje tento typ turbíny sloup ani natáčecí zařízení. 

Generátor je umístěn nízko, což přispívá k lepší stabilitě konstrukce. Oproti Savoniově 

turbíně však dosahuje vyšší efektivity. 

Hlavním problémem je obtížný rozběh a složitější, konstrukčně náročnější provedení 

samotné turbíny. Stejně jako u Savoniovy turbíny zde dochází k nepříznivému cyklickému 

namáhání hřídele. V případě listů do tvaru H a C je toto namáhání navíc doplněno o mírný 

pulzující cyklický krut. 

Turbína lehčí než vzduch 

Použití vzducholodi na Marsu je velmi problematické a značně nepraktické. Navrhnout 

vzducholoď schopnou letu v řídké atmosféře je technicky náročné. Objem helia, který by na 

Zemi nadzvedl určitou hmotnost, je v podmínkách na Marsu schopen unést pouze 1,6 % této 

hmotnosti. Tento výpočet platí za předpokladu nízkého přetlaku uvnitř balónu. Ve 

skutečnosti by však bylo nutné udržovat vyšší přetlak, aby nedocházelo k propadávání stěn 

balónu. Vyšší přetlak ale zároveň zvyšuje hustotu plynu, čímž snižuje vztlakovou sílu. 

Kromě problémů s letem samotným má vzducholodní turbína i další nevýhody. Patří mezi 

ně potřeba pravidelného doplňování plynu, potřeba pozemní podpůrné stanice a omezená 

životnost materiálů použitých na balón. Tkaniny, ze kterých jsou balóny vyrobeny, snadno 

zachytávají atmosférický prach, což výrazně urychluje jejich degradaci a poréznost. 



 

44 

4.3 Těsnění a uložení hřídele 

Kvůli atmosférickému prachu zvyšujícímu opotřebení je nutné prostor generátoru a ložisek 

těsnit. U elektrárny je potřeba minimálně jedno hřídelové těsnění, u kterého se snažíme 

dosáhnout co nejlepších těsnících vlastností a zároveň co možná nejmenšího tření, nabízí se 

použít teflonové, nebo jiné speciální těsnění ideálně v kombinaci s labyrintovým těsněním, 

které ještě více zabrání průniku prachu k hlavnímu těsnění. 

Uložení hřídele se odvíjí od typu použité turbíny, horizontální turbína vlivem 

aerodynamických sil zavádí axiální sílu na ložiska, kdežto vertikální turbína ne, u ložisek se 

snažíme dosáhnout také co nejnižšího tření a dlouhé životnosti, mazivo pro taková ložiska 

musí být kompatibilní s CO2 atmosférou. 

 

 

Kvůli přítomnosti atmosférického prachu, který zvyšuje opotřebení, je nutné důkladně těsnit 

prostor generátoru a ložisek. U elektrárny je nezbytné minimálně jedno hřídelové těsnění, 

u kterého je cílem dosáhnout co nejlepšího těsnění při co nejnižším tření. 

Jako vhodné se nabízí použití teflonového nebo jiného speciálního těsnění, ideálně 

v kombinaci s labyrintovým těsněním. To poskytuje další ochranu proti průniku prachu 

k hlavnímu těsnění. 

Uložení hřídele závisí na typu použité turbíny. Horizontální turbína vytváří v důsledku 

aerodynamických sil axiální zatížení ložisek, zatímco u vertikální turbíny toto zatížení 

vzniká jen v důsledku hmotnosti turbíny. I u ložisek se snažíme minimalizovat tření a 

maximalizovat jejich životnost. Mazivo taky musí být kompatibilní s CO₂ atmosférou. 

4.3.1 Přetlakování generátoru 

Přetlakování generátoru oxidem uhličitým může být účinným způsobem, jak zvýšit výkon 

elektrárny. Toto vylepšení však s sebou přináší zvýšené nároky na těsnění a celkově zvyšuje 

konstrukční složitost systému. 

Těsnění hřídele musí odolávat zvýšenému vnitřnímu tlaku, stejně jako samotná skříň 

generátoru. Systém přetlakování navíc vyžaduje kompresor, filtraci nasávaného CO₂ a 

regulační ventil, všechny tyto prvky musí být elektronicky řízené. 



 

45 

4.4 Mobilita 

Pro maximální využití větrné energie může být užitečné elektrárnu občas přemístit na 

vhodnější místo. Pokud je elektrárna dostatečně lehká, může ji lidská posádka nebo robot 

snadno přesunout na větrnější místo. Přesunu napomáhá snížená gravitace na Marsu, která 

činí pouze 3,73 m/s2 

Design takové elektrárny by měl zahrnovat úchyty, nebo madla, jednoduchý systém ustavení 

a možnost připojení baterie. Ta umožní provoz elektrárny ve větší vzdálenosti od základny, 

kam by nedosáhlo elektrické vedení. 

4.5 Koncept konstrukce 

4.5.1 Koncept konstrukce elektrárny 1 

Tento koncept (Obr. 4-2) využívá klasickou konstrukci horizontální turbíny v kombinaci s 

generátorem s volnou vrstvou a přetlakováním. Celá sestava je určena k montáži na střechu 

základny. 

Generátor spolu s turbínou je uložen na sloupu, který zajišťuje dostatečnou vzdálenost listů 

turbíny od střechy a dalšího vybavení základny. Gondola elektrárny je kvůli jednoduchosti 

opatřena korouhví, která umožňuje natáčení turbíny do směru větru. 

Výhodou této konstrukce je možnost využití baterie přímo v základně a zároveň vyšší 

efektivita horizontální turbíny. 

 

Obr. 4-2 Elektrárna s horizontální turbínou 



 

46 

4.5.2 Koncept konstrukce elektrárny 2 

Využití kombinace dvou typů vertikálních turbín Darrierovy a Savoniovy společně 

s přetlakovaným generátorem s volnou vrstvou, sebou nese rozměrově kompaktní elektrárnu 

vhodnou pro přenos na větrná místa. Konstrukce zahrnuje generátor spolu s přípojkou pro 

externí baterii, jako základ slouží několikanohý stojan s nastavitelnou výškou nohou pro 

postavení elektrárny do nezarovnaného terénu. (Obr. 4-3) Kombinace dvou typů turbín 

kombinuje jejich výhody.  Savoniova pomůže s obtížným rozběhem při pomalejším větru 

a Darrierova dobrou účinnost. Výhodou je univerzální použití elektrárny. 

 

 

Využití kombinace dvou typů vertikálních turbín Darrierovy a Savoniovy spolu s 

přetlakovaným generátorem s volnou vrstvou přináší rozměrově kompaktní elektrárnu, která 

je vhodná pro přenos na větrná místa. 

Konstrukce zahrnuje generátor s přípojkou pro externí baterii. Základ tvoří několika nohý 

stojan s nastavitelnou výškou, což umožňuje stabilní ustavení elektrárny i na nerovném 

terénu. (Obr. 4-3) 

Kombinace těchto dvou turbín spojuje jejich výhody. Savoniova turbína pomáhá s obtížným 

rozběhem při pomalejším větru, Darrierova turbína zajišťuje vysokou účinnost. Výsledkem 

je univerzální elektrárna. 

 

Obr. 4-3 Elektrárna vertikální – přenosná 



 

47 

4.5.3 Koncept konstrukce elektrárny 3 

Kombinací konceptu 1 a 2 vzniká statická elektrárna vhodná pro montáž na střechu 

základny. Využitím podobné turbíny jako u konceptu 2 odpadá potřeba sloupu a natáčecího 

zařízení. Tato elektrárna rovněž využívá baterii v základně. 

 

Obr. 4-4 Vertikální elektrárna – statická 

4.6 Výběr řešení 

Jako výsledné řešení byl zvolen koncept 2. Tento koncept byl vybrán především kvůli své 

jednoduchosti, všestrannosti a možnosti přenosu. 

Kombinace Darrierovy a Savoniovy turbíny představuje ideální kompromis mezi účinností 

a schopností rozběhu při nízkých rychlostech větru. Savoniova turbína umožňuje snadný 

start i při slabém větru, zatímco Darrierova turbína zajišťuje vyšší efektivitu při vyšších 

rychlostech větru. Tato kombinace eliminuje potřebu natáčecího zařízení, které by bylo 

nutné v případě využití horizontální turbíny. 

Navíc, pro použití vertikální turbíny není potřeba sloupu ani složité gondoly, což výrazně 

zjednodušuje konstrukci a snižuje hmotnost. Na rozdíl od horizontálních turbín koncept 2 

nevyžaduje robustní základ. Celkově koncept 2 nejlépe odpovídá požadavkům na 

jednoduchou, odolnou a snadno přemístitelnou elektrárnu, vhodnou pro podmínky na Marsu. 



 

48 

5 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ 

Zvolené konstrukční řešení je koncept 2 (Obr. 5-1), přenosná elektrárna s vertikální turbínou 

a možností připojení baterie. Pro konstrukci generátoru byla zvolena kombinace teflonových 

desek na statoru a DLC povlaku na hliníkovém rotoru. 

Uložení generátoru tvoří odlitá přetlaková nádoba (skříň), která umožňuje přetlakování 

pomocí mikrokompresoru. Skříň zároveň slouží jako přípojné místo pro stojanové nohy. Ty 

mají nastavitelnou výšku a jsou ke skříni připojeny dvojice ok pro každou nohu. 

Turbína a generátor jsou propojeny hřídelem, který je uložen v protáhlém krku. Mezi tímto 

krkem a turbínou se nachází labyrintové těsnění a přetlakové gufero. 

 

Obr. 5-1 Elektrárna podle konceptu 2 



 

49 

5.1 Vstupní parametry 

Pro správnou volbu aerodynamického profilu a rozměrů jednotlivých turbín je nutná 

dodatečná analýza, která zohledňuje povětrnostní podmínky na Marsu. Tato složitá analýza 

je však nad rámec této práce. Z analýzy vyplývají zatížení jednotlivých částí elektrárny. Do 

analýzy rovněž vstupuje odpor generátoru a jeho uložení, který závisí na konkrétní 

konstrukci. Tento odpor se projevuje jako krouticí moment a lze ho do určité míry ovlivnit 

volbou přítlačné síly na disky generátoru. Snížení přítlačné síly ale vede k nižšímu výkonu 

generátoru. 

V této práci proto stanovíme pouze maximální rozměry turbíny a generátoru a pouze 

odhadneme zatížení hřídele. Konkrétní vstupní parametry pro návrh turbíny jsou tedy závislé 

na zvoleném konstrukčním řešení generátoru a výsledcích předchozí analýzy. Práce nastíní 

možnou konstrukci jednotlivých částí elektrárny. 

 

5.1.1 Rozměrové parametry 

Kvůli rozměrovým omezením nákladového prostoru nosné rakety je elektrárna navržena tak, 

aby ji bylo možné na místě sestavit lidskou posádkou, nebo s konstrukčními úpravami 

montážních míst robotem. Jednotlivé díly jsou konstruovány s maximální délkou 2 metry. 

Celková hmotnost elektrárny je omezena na 300 kg. V Tab. 5-1 jsou uvedeny rozměry 

jednotlivých částí. 

Tab. 5-1 Rozměry částí elektrárny 

Součást 
Rozměry [mm] 

x y z 

List turbíny 2000 765 75 

Savoniova turbína 960 350 350 

Prut nohy 814 40 40 

Generátor 770 474 474 

Posuvník nohy 630 170 103 

Celková hmotnost   72 kg 

  



 

50 

5.1.2 Provozní parametry 

Vnější působení 

Elektrárna je během provozu vystavena extrémním teplotám, které znemožňují použití 

některých materiálů, nebo vyžadují dodatečná opatření jejich povrchu. Zvýšená intenzita UV 

záření navíc vyžaduje dodatečnou ochranu kompozitních materiálů a dalších polymerů 

použitých na vnějších částech zařízení. Elektrárna je dále vystavena erozi způsobené větrem 

a prachovými částicemi v atmosféře. V Tab. 5-2 jsou vypsány důležité vnější účinky. 

Tab. 5-2 Vnější účinky 

Parametr Hodnota 

Max. rychlost větru 𝑣 40 m/s 

Prům. hustota atmosféry 𝜌 0,02 m/s2 

Max teplota 25 °C 

Min teplota -120 °C 

Provoz 

Určení výkonu generátoru závisí na konstrukci samotného generátoru i turbíny. Pro přesnější 

výpočet je potřeba dříve zmíněná analýza. Pro základní výpočty však můžeme uvažovat 

maximální výkon elektrárny 20 kW při 500 1/min. Přetlakování je navrženo s max přetlakem 

150 kPa. Tyto hodnoty byly odhadnuty na základě zjištění a poznatků v [38]. Výkon byl 

záměrně zvolen vyšší s ohledem na větší rozměry vlastní konstrukce v této práci. 

Všechny provozní parametry jsou uvedeny Tab. 5-3. 

Tab. 5-3 Provozní parametry 

Parametr Hodnota 

Výkon 𝑃 20 000 W 

Otáčky 𝑛 500 1/min 

Přetlak 𝑝𝑟 150 kPa 

  



 

51 

5.2 Rozvržení 

Elektrárna je navržena tak, aby skříň generátoru, její vnitřní části a krk nebylo nutné na 

Marsu skládat. Rozebíratelné jsou však turbína a stojan. 

Z unašečů na Savoniově turbíně se demontují všechny tři listy Darrierovy turbíny. Samotnou 

Savoniovu turbínu je rovněž potřeba demontovat. Kompletně demontované jsou také tři 

stojanové nohy, přičemž každá z nich se skládá ze dvou prutů a posuvníku (Obr. 5-2). 

 

 

Obr. 5-2 Elektrárna rozložená na jednotlivé části 

5.2.1 Materiály 

Pro zajištění co nejlehčí konstrukce jsou v této aplikaci, s výjimkou ložisek, elektroniky a 

pružin, použity převážně slitiny lehkých kovů nebo kompozity. Toto platí i pro veškerý 

spojovací materiál – šrouby, podložky a matice jsou vyrobeny z titanových slitin. 

Většina konstrukčních dílů je zhotovena z hliníkových slitin, například A356 nebo 7075-T6. 

Pro více namáhané součásti jsou použity slitiny titanu. 



 

52 

5.3 Turbína 

Větrná turbína se skládá ze dvou částí – tří listů Darrierovy turbíny a Savoniovy turbíny. 

Konstrukce turbíny je navržena tak, aby žádná z jejích částí nepřesahovala výšku dvou 

metrů. Turbína je k hřídeli připojena pomocí sešroubované příruby (Obr. 5-3). 

 

Obr. 5-3 Příruba turbíny 

Savoniova turbína 

Savoniova turbína má výšku 893 mm a průměr 350 mm. Je vyrobena ze čtyř kompozitních 

dílů – dvou krajních disků a dvou lopatek. Všechny díly jsou navzájem slepeny. 

Lopatky mají kapkovitý tvar a jsou navrženy tak, aby jejich vnitřní dutinou procházely dvě 

trubky z hliníkové slitiny. Tyto trubky přenášejí krouticí moment z lopatek a zároveň 

přenášejí moment i z horního unašeče Darrierovy turbíny. Tvar lopatek je znázorněn na Obr. 

5-4. 

 

Obr. 5-4 Řez Savoniovou turbínou 



 

53 

Trubky jsou pomocí matic zajištěny v přírubě na spodní části turbíny a podobným 

provedením zajištěny i v unašeči Darrierovy turbíny na horní straně (Obr. 5-5).  

 

Obr. 5-5 Uchycení na a) horní straně turbíny, b) dolní straně turbíny 

Darrierova turbína 

Listy Darrierovy turbíny mají tvar písmene H, což zajišťuje jednoduchou konstrukci a 

kompaktní rozměry. Každý list je dlouhý dva metry a je vyroben z karbonového kompozitu. 

Nosníky listů jsou uchyceny k unašečům na horní a spodní straně Savoniovy turbíny pomocí 

sešroubovaného sevření (Obr. 5-6). Tento způsob uchycení umožňuje snadnou montáž bez 

narušení struktury kompozitu. 

 

 

Obr. 5-6 Sevření nosníku 



 

54 

5.3.1 Uložení turbíny 

Turbína je uložena na krku, který slouží jako menší sloup. Jeho funkcí je přiblížit uložení 

ložisek blíže k místu působení ohybového momentu, vznikajícího v důsledku 

aerodynamických sil působících na lopatky turbíny. Krk zároveň zajišťuje dostatečnou 

vzdálenost lopatek od země a od stojanových noh. Dále přispívá k celkové tuhosti uložení, 

čímž snižuje nadměrný ohyb hřídele. Krk do konstrukce však zavádí potenciální místo pro 

vznik netěsnosti v místě připojení ke skříni generátoru. Toto spojení je realizováno pomocí 

příruby. 

Krouticí moment od turbíny je na hřídel přenášen rovněž pomocí příruby. Ta je svařena ze 

dvou dílů. Horní deska obsahuje otvory pro průchod trubek ze Savoniovy turbíny. Spodní 

díl je dutý, což umožňuje vystředění na hřídel, a je prodloužen tak, aby bylo možné do šesti 

otvorů příruby vložit šrouby. 

Mezi přírubu turbíny a hřídel je vložena vysoce přesná pohyblivá část labyrintového těsnění 

(Obr. 5-7). 

 

Obr. 5-7 Uložení turbíny 

  



 

55 

5.4 Hřídel 

Dlouhá hřídel přenáší krouticí moment z turbíny ke generátoru. Na spodní části hřídele je 

nasazen celý generátor, který je proti sklouznutí zajištěn pojistným kroužkem. 

Přenos krouticího momentu z hřídele na jednotlivé rotorové disky generátoru je zajištěn 

pomocí čtyř frézovaných drážek, do kterých zapadají plechové jazýčky na rotorech. Drážky 

sahají až ke konci hřídele, aby bylo možné generátor nasadit (Obr. 5-8). 

Na druhém konci hřídele se nachází šest závitových otvorů a středicí přesah pro 

sešroubování s přírubou turbíny. Součástí hřídele je také kontaktní plocha s nízkou drsností 

povrchu určená pro kroužky přetlakového gufera. Nízká drsnost snižuje tření a zároveň 

zvyšuje těsnost a životnost těsnění. Gufero je umístěno v horní části hřídele, v blízkosti 

šroubových otvorů. 

Pro snížení hmotnosti je hřídel dutá. 

 

 

Obr. 5-8 Hřídel v krku 

5.4.1 Uložení hřídele 

Hřídel je uložena v krku pomocí dvojice ložisek, která se nacházejí mezi přírubovým spojem 

a drážkami (Obr. 5-8). Díky tomuto uspořádání nevzniká v místě generátoru ohybový 

moment, který by mohl způsobit nerovnoměrné zatížení třecích ploch generátoru. 

Toto řešení však vede k výraznému rozdílu v radiálních silách působících na jednotlivá 

ložiska. Z tohoto důvodu je horní ložisko zvoleno dvouřadé s oboustranným kosoúhlým 

stykem, ložisko disponuje dlouhou životností a schopností axiálního zajištění hřídele. 

Spodní ložisko je plovoucí radiální kuličkové ložisko. Tento plovoucí typ uložení zabraňuje 

vzniku vnitřního pnutí nebo skřípnutí ložiska vlivem tepelné roztažnosti hřídele. 

Pro mazání ložisek je použito plastické mazivo. 

 



 

56 

5.4.2 Kontrola hřídele k MSÚ 

Hřídel přenáší velký krouticí moment a zároveň i ohybový moment z turbíny na generátor. 

Tato namáhání spolu s konstrukcí hřídele určují její únosnost. V tomto případě se zaměříme 

především na únavovou životnost hřídele tak, aby bezpečnost k meznímu stavu únavy 

(MSÚ) 𝑘𝑢 byla větší než 1,5. 

Pro stanovení sil působících na hřídel je nutné vypočítat přenášený krouticí moment a 

odhadnout ohybovou sílu, kterou turbína na hřídel působí. 

Krouticí moment 𝑀𝑘 se určí na základě výkonu 𝑃 a otáček 𝑛, které jsou uvedeny v  Tab. 

5-3. Výpočet krouticího momentu se provádí podle následujícího vztahu: 

𝑀𝑘 =
𝑃

𝑛
∙

2𝜋

60
=

20000

500
∙

2𝜋

60
= 381,970 𝑁𝑚 (2) 

Pro určení největšího ohybového momentu na hřídeli není díky uložení hřídele nutné znát 

reakční síly ložisek. Postačí výsledná aerodynamická síla působící na turbínu a vzdálenost 

jejího působiště od ložiska A. 

K výpočtu aerodynamických síl 𝐹𝑉 je zapotřebí analýza uvedená v kapitole 5.1. Pro odhad 

síly 𝐹𝑉 lze využít následující vztah, do kterého vstupují následující parametry: součinitel 

odporu 𝐶𝐷  = 2 (je kvůli neurčitosti záměrně zvolen vysoký), průřez turbíny 𝑆 kolmý na směr 

větru, rychlost větru 𝑣 a hustota atmosféry 𝜌. Rychlost větru a hustotu najdeme v Tab. 5-2. 

𝐹𝑉 =
1

2
∙ 𝑣2 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝐶𝐷 =

1

2
∙ 402 ∙ 0,02 ∙ 0,615 ∙ 2 = 19,68 𝑁 (3) 

Působiště této síly lze určit jako vzdálenost středu turbíny 𝑙𝑡 od ložiska A, ohybový moment 

se poté spočítá jako síla působící na ramenu. 

𝑀𝑜 = 𝐹𝑉 ∙ 𝑙𝑡 = 19,68 ∙ 661 = 12 015 𝑁𝑚𝑚 (4) 

Jako nebezpečné místo na hřídeli je uvažováno zúžení za ložiskem A. V tomto bodě bude 

uvažován stejný ohybový a kroutící moment jako v místě ložiska A, vypočtené výše. 

Pro výpočet je nutné znát vnější průměr hřídele 𝐷 a vnitřní průměr 𝑑. Výpočty MSÚ jsou 

provedeny podle kritéria ASME [51] a jsou uvedeny v Příloha 1 str. 2. Důležité výsledky 

těchto výpočtů jsou shrnuty v Tab. 5-4 Výsledky kontroly hřídele k MSÚ. 

Uvažovaným materiálem hřídele je hliníková slitina 7075-T6, jejíž mechanické vlastnosti 

jsou uvedeny v Příloha 1 str. 2 [52]. 



 

57 

Tab. 5-4 Výsledky kontroly hřídele k MSÚ 

Parametr Hodnota 

Amplituda redukovaného napětí 𝜎𝑎  1,484 MPa 

Střední redukované napětí 𝜎𝑚 47,192 MPa 

Bezpečnost k meznímu stavu únavy 𝑘𝑢 10,57 

Vysoký součinitel bezpečnosti 10,57, umožňuje další snížení průměru hřídele, tloušťky její 

stěny nebo materiálu. Další snižování průměru či tloušťky stěny je však z praktických 

důvodů nevhodné, a to zejména kvůli obtížnému vrtání a rozměrům prvků, které přenášejí 

krouticí moment. 

5.5 Generátor 

Generátor s volnou vrstvou je uložen přímo na hřídeli. Se skříní jsou v kontaktu pouze 

frézované drážky na vnějším okraji statorových disků. Tyto drážky zapadají do protikusu ve 

skříni a zajišťují stator proti protáčení. 

Samotný generátor se skládá z pěti statorových disků o průměru 390 mm a čtyř rotorových 

disků. Každý rotorový disk je umístěn mezi dvěma disky statoru. Statorovými disky prochází 

šest šroubů s pružinami zajištěných maticemi. Pružiny slouží k nastavení přítlačné síly na 

disky (Obr. 5-9). 

Aby nedocházelo k vodivému propojení mezi hřídelí a statorem, jsou mezi ně vloženy 

teflonové kroužky. 

 

 

Obr. 5-9 Řez generátorem 



 

58 

Konstrukce rotorového disku je jednoduchá. Jedná se o hliníkový mřížkovaný plech o 

tloušťce 3 mm, s propojením uprostřed, celý disk je povlakován nevodivou vrstvou DLC. 

Ve středu disku se nachází otvor s jazýčky, které přenášejíí kroutící moment z hřídele na 

disky. (Obr. 5-10) 

Statorový disk (Obr. 5-10) je vyroben frézováním z jednoho kusu hliníku. Z obou stran je 

disk zahlouben, do těchto zahloubení jsou na vrstvě izolace uloženy mřížky elektrod. 

Elektrodové mřížky jsou následně přikryty nevodivou vrstvou teflonu, po které klouže rotor. 

 

Obr. 5-10 Rozložení statorového disku 

5.6 Skříň generátoru 

Skříň drží pohromadě všechny části elektrárny a zároveň slouží k udržení přetlaku CO₂ 

atmosféry uvnitř. Skříň vyrobena ze dvou dílů: hliníkového odlitku, který tvoří tělo, a 

hliníkového plechu jako víko. 

Na horní straně skříně je otvor se šrouby pro připojení krku. Na okrajích horní části se 

nacházejí tři oka pro montáž nohou (Obr. 5-11). 

Uvnitř skříně jsou umístěna montážní místa pro přetlakový systém a tři drážky pro nasunutí 

statorových disků. Na válcové části skříně jsou vyvrtány tři závitové otvory pro montáž 

elektrické přípojky a pro vstup a výstup CO₂ přetlakového systému. 

 



 

59 

 

Obr. 5-11 Skříň generátoru 

Spodní dno a víko skříně jsou vyrobeny z 8 mm silného plechu. Ve víku je vrtáno 24 

závitových otvorů pro sešroubování s límcem na těle skříně. Dále je zde šest dalších 

závitových otvorů pro připevnění tří konzol s oky, která slouží k uchycení nohou. 

Pro pevnostní kontrolu skříně je potřeba další MKP analýza. 

5.7 Přetlakový systém 

Přetlakový systém se skládá z filtru prachových částic, kompresoru, dvou senzorů tlaku, 

regulačního ventilu a řídicí jednotky (Obr. 5-12). Prachový filtr je našroubován do 

závitového otvoru na stěně skříně a propojen trubkou s kompresorem. Vypouštění přetlaku 

řídí regulační ventil. 

Kompresor i regulační ventil jsou ovládány na základě údajů ze dvou tlakoměrů, které jsou 

umístěny před a za regulačním ventilem. 

 

Obr. 5-12 Přetlakový systém 



 

60 

5.7.1 Těsnění 

Pro správnou funkci přetlakového systému a zabránění vniknutí prachu do generátoru a 

ložisek je nutné systém řádně utěsnit. U stykových ploch nepohyblivých částí, jako jsou 

skříň, víko a krk, je použito těsnění ve formě teflonové vložky sevřené mezi dosedací plochy. 

Klasické pryžové O-kroužky by nevydržely extrémně nízké teploty. 

Těsnění hřídele 

Pro utěsnění hřídele je zvolena kombinace labyrintového těsnění a přetlakového gufera (Obr. 

5-13). Labyrintové těsnění se skládá ze dvou částí. Pohyblivá část je navlečena na hřídel a 

je zajištěna pomocí šroubů, které zároveň upevňují turbínu. Pevná část je přišroubována ke 

krku turbíny šesti šrouby a zároveň slouží jako dosedací plocha pro horní ložisko. 

Přetlakové teflonové gufero je uloženo v krku a zajištěno pojistným kroužkem. Bylo 

zakázkově vyrobeno tak, aby vydrželo přetlak 150 kPa CO2. Použití teflonu je nezbytné, 

protože běžná pryž by při nízkých teplotách na Marsu selhala. Teflonové gufero klade přísné 

nároky na kvalitu dosedací plochy na hřídeli. 

 

Obr. 5-13 Těsnění hřídele 

  



 

61 

5.8 Stojanové nohy 

Pro ustavení elektrárny do přímé polohy jsou potřeba stavitelné nohy. Každá ze tří noh se 

skládá ze dvou prutů opatřených oky a vodící trubky pro posuvník. Posuvník je tvořen 

trubkou s několika otvory pro kolík a zašroubovanou botou. Otvory v posuvníku odpovídají 

otvorům ve vodící trubce, což umožňuje přibližné nastavení výšky nohy posunutím 

posuvníku a zajištěním kolíkem (Obr. 5-14). Přesného doladění výšky se dosáhne 

šroubováním boty. Povrch posuvníku, vodící trubky i boty jsou povlakovány vrstvou MoS2, 

která zabraňuje vzniku studených svarů. 

Zároveň nohy slouží jako manipulační prostředek pro přenos elektrárny 

 

Obr. 5-14 Stojanová noha  



 

62 

5.8.1 Kontrola překlopení 

Během prašných bouří může rychlost větru dosahovat až 40 m/s. Vítr této rychlosti působí 

na turbínu značnou silou a může způsobit překlopení celé elektrárny. Je proto nezbytné 

ověřit, že elektrárna zůstane stabilní i při takových podmínkách. Kromě samotné síly větru 

ovlivňuje stabilitu také délka noh a jejich vzdálenost od těžiště elektrárny. Pro výpočet rizika 

překlopení se uvažuje maximální vysunutí noh. Závěr o stabilitě lze vyvodit z momentové 

rovnováhy vzhledem k bodu překlopení na Obr. 5-15. 

 

Obr. 5-15 Silové působení na elektrárnu 

Pokud je moment od tíhové síly (𝑀𝑔) větší než moment od aerodynamických sil (𝑀𝑉), 

elektrárna se nepřeklopí. Při této kontrole se neuvažuje možnost posuvu elektrárny kvůli 

hrubému povrchu. 

Moment od aerodynamických sil uvažuje sílu 𝐹𝑉 z kapitoly 5.4.2. 

𝑀𝑉 = ℎ ∙ 𝐹𝑉 = 1883,75 ∙ 19,68 = 37 072 𝑁𝑚𝑚 (5) 

Moment od tíhové síly vyžaduje tíhové zrychlení 𝑔 a hmotnost elektrárny 𝑚 odečtenou 

z vlastností modelu v aplikaci Inventor. 

𝐹𝑔 = 𝑔 ∙ 𝑚 = 3,73 ∙ 72 = 268,56 𝑁 (6) 

𝑀𝑔 = 𝑎 ∙ 𝐹𝑔 = 553,25 ∙ 268,56 = 148 648 𝑁𝑚𝑚 (7) 

Jelikož je 𝑀𝑔 výrazně větší než 𝑀𝑉,  tak k překlopení nedojde. 



 

63 

6 DISKUZE 

S ohledem na cíl této práce byly navrhnuty tři koncepční řešení triboelektrické větrné 

elektrárny pro použití na Marsu. Užití elektrárny je uvažováno jako zdroj energie pro 

několika člennou lidskou misi na Mars, avšak navrhnuté koncepty lze po nutných úpravách 

uvažovat i pro mise jiného charakteru. Na základě několika studií byl pro elektrárnu 

navrhnut nejlepší typ generátoru. Jednotlivé koncepty elektráren vyplývají z již existujících 

větrných elektráren na Zemi. 

Pro detailnější konstrukční řešení byl vybrán koncept 2, využívající vertikální Darrierovu 

a Savoniovu turbínu. Výhodou tohoto řešení je snížení počtu pohyblivých částí, což přispívá 

ke spolehlivosti zařízení. 

Až při detailním konstrukčním návrhu se objevily konkrétní problémy spojené s prostředím 

Marsu. Jako problém se ukázalo obtížné zabránění vniku nečistot do prostoru ložisek 

a generátoru. Extrémní podmínky neumožňují použití běžných materiálů a tomu odpovídají 

i použitá těsnění a konstrukční prvky. Jako další problém se ukázalo obtížné spojení obou 

typů turbín a jejich spojení se hřídelí. Jako problém se taky ukázal možný vznik studených 

svarů, který by bránil nastavení noh. Problematická je taky tepelná roztažnost, při použití 

materiálů s různou tepelnou roztažností pro hřídel a krk by mohlo dojít k vymezení vůlí. 

V případě ložisek a hřídele může dojít ke vzniku vůle mezi hřídelí a vnitřním kroužkem 

ložiska, čemuž je potřeba předcházet. 

Největším problémem je však návrh samotného generátoru a v něm použitých materiálů. 

Návrh efektivního generátoru vyžaduje využití metody konečných prvků. Triboelektrické 

materiály použité v generátoru je potřeba otestovat dlouhodobým testem, při kterém je 

potřeba hlídat opotřebení a zachování triboeletrických vlastností. 

Výsledná konstrukce elektrárny, představuje možné řešení a je založena na parametrech 

zvolených na základě jednoduchých předpokladů. Vývoj funkčního vyžaduje rozsáhlejší 

analýzu a další vývoj a experimentální ověření, zejména co se týče generátoru a v něm 

použitých materiálech. 



 

64 

7 ZÁVĚR 

V této práci byl navržen koncept větrné elektrárny pro podmínky na Marsu, využívající 

kombinaci vertikální turbíny a triboelektrického generátoru. Návrh zohledňuje specifické 

požadavky prostředí mimo Zemi, jako je přítomnost prachu, teplotní extrémy, omezené 

rozměry a potřeba vysoké spolehlivosti. 

Cíle práce byly splněny na úrovni koncepčního návrhu, včetně ověření hřídele a volby 

vhodných materiálů. Výsledné konstrukční řešení ukazuje, že řešení je funkčně 

uskutečnitelné. 

Další práce by měla zahrnovat detailní návrh efektivního generátoru, ověření jeho 

výkonových charakteristik a optimalizaci konstrukčních prvků pomocí MKP a zkoušek 

v simulovaných podmínkách. Další práce by taktéž měla uvažovat elektrárnu vhodnou pro 

mise bez lidské posádky – elektrárnu, která nevyžaduje složení na místě. 



 

65 

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ  

[1]  LANDIS, Geoffrey A. DUST OBSCURATION OF MARS SOLAR ARRAYSt [online]. 

1996. Dostupné z: doi:10.1016/S0094-5765(96)00088-4 

[2]  Průvodce Sluneční soustavou: Stále nedobytý Mars [online]. [vid. 2025-05-08]. 

Dostupné z: https://www.abicko.cz/galerie/precti-si-technika-

vesmir/61237/pruvodce-slunecni-soustavou-stale-nedobyty-mars?foto=8 

[3]  HARTWICK, Victoria, Owen TOON, Julie LUNDQUIST, Olivia PIERPAOLI a 

Melinda KAHRE. Assessment of Wind Energy Resource Potential for Future Human 

Missions to Mars [online]. 15. duben 2022. Dostupné z: doi:10.21203/rs.3.rs-

1510777/v1 

[4]  Full-scale production of plutonium-238 still years away [online]. [vid. 2025-05-08]. 

Dostupné z: https://spacenews.com/full-scale-production-of-plutonium-238-still-

years-away/ 

[5]  NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION. Multi-Mission 

Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) [online]. 2020 [vid. 2025-02-18]. 

Dostupné z: https://mars.nasa.gov/internal_resources/788/ 

[6]  Soubor:RTG.png [online]. [vid. 2025-05-08]. Dostupné 

z: https://cs.m.wikipedia.org/wiki/Soubor:RTG.png 

[7]  JAMES, George, Gregory CHAMITOFF a Donald BARKER. DESIGN AND 

RESOURCE REQUIREMENTS FOR SUCCESSFUL WIND ENERGY 

PRODUCTION ON MARS [online]. 1999 [vid. 2025-05-06]. Dostupné 

z: https://marspapers.org/paper/James_1999.pdf 

[8]  SEOL, Myeong-Lok, Jin-Woo HAN, Dong-Il MOON a M. MEYYAPPAN. 

Triboelectric nanogenerator for Mars environment. Nano Energy [online]. 2017, 39, 

238–244 [vid. 2025-05-08]. ISSN 22112855. Dostupné 

z: doi:10.1016/j.nanoen.2017.07.004 

[9]  KANG, Jin Ho, Co-Investigator CHRISTOPHER, E BAKER a Danielle D 

MCCULLOCH. Technology Area Aerospace Power and Energy Storage [online]. 

2022 [vid. 2025-02-18]. Dostupné z: https://techport.nasa.gov/projects/106646? 

[10]  Atlas-5(541) [online]. 2024 [vid. 2025-02-19]. Dostupné 

z: https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/atlas-5-541.htm? 

[11]  TARIQ MALIK. Launch of NASA’s next Mars rover delayed again by 

„contamination concern" on the ground [online]. 2020 [vid. 2025-05-08]. Dostupné 

z: https://www.space.com/nasa-mars-rover-perseverance-launch-delay-july-22.html 



 

66 

[12]  Cost of Transportation [online]. 2025 [vid. 2025-02-19]. Dostupné 

z: https://marspedia.org/Cost_of_transportation 

[13]  PERKO, Howard A, John D NELSON a Jacklyn R GREEN. REVIEW OF MARTIAN 

DUST COMPOSITION, TRANSPORT, DEPOSITION, ADHESION, AND 

REMOVAL [online]. 2002 [vid. 2025-03-16]. Dostupné 

z: https://www.researchgate.net/publication/328319061 

[14]  MIRIA M. FINCKENOR a KIM K. DE GROH. A Researcher’s Guide to: Space 

Environmental Effects [online]. 2020 [vid. 2025-03-16]. Dostupné 

z: https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2022/06/researchers-guide-space-

environment-effects.pdf 

[15]  STEPHEN CARNEY. Mars Facts [online]. 2025 [vid. 2025-03-01]. Dostupné 

z: https://science.nasa.gov/mars/facts/ 

[16]  TOTAL MATERIA AG. Steel properties high an low temperatures [online]. 2001 

[vid. 2025-03-01]. Dostupné z: https://www.totalmateria.com/en-us/articles/steel-

properties-low-and-high-temperatures/ 

[17]  HIRT, C., S.J. CLAESSENS, M. KUHN a W.E. FEATHERSTONE. Kilometer-

resolution gravity field of Mars: MGM2011 [online]. 2012 [vid. 2025-04-16]. 

Dostupné z: doi:10.1016/j.pss.2012.02.006 

[18]  RODRIGUEZ-MANFREDI, J. A., M. DE LA TORRE JUAREZ a A. SANCHEZ-

LAVEGA. a další... The diverse meteorology of Jezero crater over the first 250 sols 

of Perseverance on Mars. Nature Geoscience [online]. 2023, 16, 19–28. 

ISSN 17520908. Dostupné z: doi:10.1038/s41561-022-01084-0 

[19]  HABERLE, R.M. SOLAR SYSTEM/SUN, ATMOSPHERES, EVOLUTION OF 

ATMOSPHERES | Planetary Atmospheres. In: Encyclopedia of Atmospheric 

Sciences [online]. B.m.: Elsevier, 2015 [vid. 2025-04-16], s. 168–177. Dostupné 

z: doi:10.1016/B978-0-12-382225-3.00312-1 

[20]  NATIONAL WEATHER SERVICE. Origin of Wind [online]. 2009 [vid. 2025-02-

28]. Dostupné 

z: https://web.archive.org/web/20090324043730/http://www.srh.noaa.gov/jetstream/

synoptic/wind.htm 

[21]  KARL B. HILLE. The Fact and Fiction of Martian Dust Storms [online]. 2015 

[vid. 2025-02-28]. Dostupné z: https://www.nasa.gov/solar-system/the-fact-and-

fiction-of-martian-dust-storms/ 

[22]  NASA JPL. The 2001 Great Dust Storms [online]. 2001 [vid. 2025-05-08]. Dostupné 

z: https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/?IDNumber=PIA03170 



 

67 

[23]  NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION. Mars dust 

opacities [online]. 2007 [vid. 2025-05-08]. Dostupné 

z: https://cs.m.wikipedia.org/wiki/Soubor:Mars_dust_opacities_MER-

B_Sol_1205_to_1235.jpg 

[24]  ŠKORPÍK, Jiří. VYUŽITÍ ENERGIE VĚTRU [online]. 2006 [vid. 2025-02-28]. 

ISSN 18048293. Dostupné z: https://www.transformacni-technologie.cz/04.html 

[25]  MASTNÝ, Petr, Jiií DRÁPELA, Stanislav MIŠÁK, Jan MACHÁÁEK, Michal 

PTÁÁEK, Lukáš RADIL, Tomáš BARTOŠÍK a Tomáš PAVELKA. Obnovitelné 

zdroje elektrické energie. nedatováno.  

[26]  ANDERSON, David F.. a Scott. EBERHARDT. Understanding flight. B.m.: 

McGraw-Hill, 2001. ISBN 0-07-136377-7.  

[27]  ALLSTAR NETWORK. Forces acting on Airofoil [online]. 1999 [vid. 2025-05-08]. 

Dostupné z: https://web.eng.fiu.edu/allstar/drag3.htm 

[28]  YANG, Zhongzhou. Wind Turbine Controls for Farm and Offshore Operation. B.m., 

2013. b.n.  

[29]  SHIKHA, Afrin Nahar, T BHATTI a D P KOTHARI. Early Development of Modern 

Vertical and Horizontal Axis Wind Turbines: A Review. Wind Engineering [online]. 

2005, 29, 287–300. Dostupné z: doi:10.1260/030952405774354859 

[30]  WINDUSTRY. Elektrárna s korouhví [online]. [vid. 2025-05-08]. Dostupné 

z: https://www.windustry.com/400w-12v-24v-48v-horizontal-axis-wind-turbine.htm 

[31]  TUMMALA, Abhishiktha, Ratna Kishore VELAMATI, Dipankur Kumar SINHA, V. 

INDRAJA a V. Hari KRISHNA. A review on small scale wind turbines [online]. 

B.m.: Elsevier Ltd. 1. duben 2016 [vid. 2025-04-16]. ISSN 18790690. Dostupné 

z: doi:10.1016/j.rser.2015.12.027 

[32]  M. SHAMSUDDIN, M.S. a Noorfazreena M. KAMARUDDIN. Experimental study 

on the characterization of the self-starting capability of a single and double-stage 

Savonius turbine. Results in Engineering [online]. 2023, 17, 100854. ISSN 25901230. 

Dostupné z: doi:10.1016/j.rineng.2022.100854 

[33]  GOLECHA, K., M. A. KAMOJI, S. B. KEDARE a S. V. PRABHU. Review on 

Savonius Rotor for Harnessing Wind Energy. Wind Engineering [online]. 2012, 

36(6), 605–645. ISSN 0309-524X. Dostupné z: doi:10.1260/0309-524X.36.6.605 

[34]  AL-GHRIYBAH, Mohanad, Mohd F. ZULKAFLI a Djamal H. DIDANE. Numerical 

Investigation of Inner Blade Effects on the Conventional Savonius Rotor with 

External Overlap. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and 

Environment Systems [online]. 2020, 8(3), 561–576 [vid. 2025-05-08]. 

ISSN 18489257. Dostupné z: doi:10.13044/j.sdewes.d7.0292 



 

68 

[35]  CASTELLANI, Francesco, Davide ASTOLFI, Mauro PEPPOLONI, Francesco 

NATILI, Daniele BUTTÀ a Alexander HIRSCHL. Experimental Vibration Analysis 

of a Small Scale Vertical Wind Energy System for Residential Use. Machines 

[online]. 2019, 7, 35. Dostupné z: doi:10.3390/machines7020035 

[36]  PETER LOBNER. Magenn Power Inc.-Magenn Air Rotor System (MARS) [online]. 

2024 [vid. 2025-04-16]. Dostupné z: https://lynceans.org/wp-

content/uploads/2024/11/Magenn-Air-Rotor-System_MARS.pdf 

[37]  ANANDA, M R S. Basic Electrical Engineering [online]. B.m.: Pearson Education 

India, nedatováno. ISBN 9788131754276. Dostupné 

z: https://books.google.cz/books?id=uDeN4aji6OgC 

[38]  POZO, Borja, Ewelina RYSZAWA, Iban QUINTANA, Iñigo MUÑOZ, Iñigo 

ARIZAGA a Lionel GALLIARD. TRIBOELECTRIC WIND TURBINE FOR MARS 

EXPLORATION [online]. nedatováno [vid. 2025-04-16]. Dostupné 

z: https://www.esmats.eu/esmatspapers/pastpapers/pdfs/2023/pozo.pdf 

[39]  PAN, Shuaihang a Zhinan ZHANG. Fundamental theories and basic principles of 

triboelectric effect: A review [online]. B.m.: Tsinghua University Press. 1. únor 2019. 

ISSN 22237704. Dostupné z: doi:10.1007/s40544-018-0217-7 

[40]  NIU, Simiao a Zhong Lin WANG. Theoretical systems of triboelectric 

nanogenerators. Nano Energy [online]. 2014, 14, 161–192. ISSN 22112855. 

Dostupné z: doi:10.1016/j.nanoen.2014.11.034 

[41]  POZO, Borja, Iban QUINTANA, Ewelina RYSZAWA, Iñigo MUÑOZ, Lionel 

GALLIARD a Erlatnz FERNANDEZ DE GOROSTIZA. First steps to develop a 

triboelectric wind turbine for Mars exploration [online]. 2022 [vid. 2025-04-16]. 

Dostupné z: https://www.esmats.eu/amspapers/pastpapers/pdfs/2022/pozo.pdf 

[42]  ALAM, Syed Nasimul, Arka GHOSH, Pankaj SHRIVASTAVA, Uddeshya 

SHUKLA, Kamal GARG, Abhay Chowdary EDARA a Nityananada SAHOO. An 

introduction to triboelectric nanogenerators. Nano-Structures and Nano-Objects 

[online]. 2023, 34. ISSN 2352507X. Dostupné z: doi:10.1016/j.nanoso.2023.100980 

[43]  JOY WAGON. Charging by Electrostatic Induction [online]. 1999 [vid. 2025-02-20]. 

Dostupné 

z: https://web.archive.org/web/20161031025014/http://regentsprep.org/Regents/phy

sics/phys03/aeleclab/induct.htm 

[44]  NIU, Simiao, Ying LIU, Xiangyu CHEN, Sihong WANG, Yu Sheng ZHOU, Long 

LIN, Yannan XIE a Zhong Lin WANG. Theory of freestanding triboelectric-layer-

based nanogenerators. Nano Energy [online]. 2015, 12, 760–774. ISSN 22112855. 

Dostupné z: doi:10.1016/j.nanoen.2015.01.013 



 

69 

[45]  JEBRI, Zaineb a Mahfoudh TALEB ALI. Insights and Applications: Evaluating Edge 

Effects in Planar Capacitors with Advanced Modeling [online]. 19. prosinec 2023. 

Dostupné z: doi:10.21203/rs.3.rs-3764903/v1 

[46]  Parallel Plate Capacitor [online]. 2011 [vid. 2025-05-08]. Dostupné 

z: https://english.eagetutor.com/root/parallel-plate-capacitor-sp-813460666 

[47]  ZHANG, Renyun a Håkan OLIN. Material choices for triboelectric nanogenerators: 

A critical review [online]. B.m.: John Wiley and Sons Inc. 1. prosinec 2020. 

ISSN 25673173. Dostupné z: doi:10.1002/eom2.12062 

[48]  YOON, Hong Joon, Hanjun RYU a Sang Woo KIM. Sustainable powering 

triboelectric nanogenerators: Approaches and the path towards efficient use [online]. 

B.m.: Elsevier Ltd. 1. září 2018. ISSN 22112855. Dostupné 

z: doi:10.1016/j.nanoen.2018.06.075 

[49]  KIM, Yeon, Jaejun LEE, Sang-Won PARK, Chanho PARK, Cheolmin PARK a 

Heon-Jin CHOI. Effect of the relative permittivity of oxides on the performance of 

triboelectric nanogenerators. RSC Adv. [online]. 2017, 7, 49368–49373. Dostupné 

z: doi:10.1039/C7RA07274K 

[50]  LI, Wenjian, Liqiang LU, Chi ZHANG, Katja LOOS a Yutao PEI. Durable and High-

Performance Triboelectric Nanogenerator Based on an Inorganic Triboelectric Pair of 

Diamond-Like-Carbon and Glass. Advanced Science [online]. 2024. ISSN 21983844. 

Dostupné z: doi:10.1002/advs.202309170 

[51]  JUVINALL, R C a K M MARSHEK. Fundamentals of Machine Component Design. 

B.m.: Wiley, 2011. ISBN 9781118012895.  

[52]  AEROSPACE SPECIFICATION METALS INC. Aluminium-7075-T6 [online]. 1990 

[vid. 2025-05-13]. Dostupné z: https://www.aerospacemetals.com/wp-

content/uploads/2023/06/Aluminum-7075-T6-7075-T651.pdf 

  



 

70 

9 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A 
VELIČIN  

RTG    radioizotopový termonukleární generátor 

UV    ultra fialové 

PTFE    polytetrafluoretylen (teflon) 

DLC    diamond-like carbon (uhlík podobný diamantu) 

MSÚ    mezní stav únavy 

MKP    metoda konečných prvků 

CO2    oxid uhličitý 

MoS2    sulfid molybdeničitý 

 

  [C/m2]  povrchová hustota náboje    

R  [Ω]  odpor    

𝑄  [C]  náboj    

𝐶  [µF]  kapacita      

𝑉𝑂𝐶    [V]  napětí při nepropojeném obvodu   

𝑡    [s]  čas  

𝑣    [m/s]  rychlost větru    

𝜌   [kg/m3]  hustota atmosféry      

𝑆  [m2]  průřez turbíny 

𝐶𝐷   [-]  součinitel odporu      

𝑙𝑡  [mm]  vzdálenost středu turbíny od ložiska A 

𝑎  [mm]  vzdálenost těžiště od noh   

ℎ  [mm]  vzdálenost středu turbín od noh 

𝑀𝑜  [N mm] ohybový moment 



 

71 

𝑀𝑘  [N m]  kroutící moment 

𝑀𝑉  [N mm] moment od aerodynamických sil 

𝑀𝑔  [N mm] moment od tíhové síly 

𝐹𝑉  [N]  aerodynamické síly 

𝐹𝑔  [N]  tíhová síla 

𝑔  [m/s2]  tíhové zrychlení 

𝑚  [kg]  hmotnost 

𝑃  [W]  výkon 

𝑛  [1/min] otáčky  

𝑝𝑟  [kPa]  přetlak  

𝜎𝑎  [MPa]  Amplituda redukovaného napětí 

𝜎𝑚  [MPa]  Střední redukované napětí 

𝑘𝑢  [-]  bezpečnost k meznímu stavu únavy 

 



 

72 

10 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 

Obr. 2-1 Solární panely sondy InSight a) v prosinci 2018, b) panely v červnu 2021 [2] .. 17 

Obr. 2-2 zjednodušený řez RTG [6] .......................................................................... 18 

Obr. 2-3 Nákladový prostor Atlas V541 [11] .............................................................. 19 

Obr. 2-4  Mars normálně a během globální prachové bouře [23] .................................. 22 

Obr. 2-5 Zastínění oblohy atmosferickým prachem v rozpětí 30 solů [24] ..................... 23 

Obr. 2-6 Aerodynamické síly na profilu [28] .............................................................. 24 

Obr. 2-7 Elektrárna v konfiguraci po větru VS proti větru [29] ..................................... 24 

Obr. 2-8 Elektrárna s nastavením řízeným korouhví [31] ............................................. 25 

Obr. 2-9 Princip funkce Savoniovy turbíny [33] ......................................................... 26 

Obr. 2-10 Savoniova turbína [35] .............................................................................. 26 

Obr. 2-11 Darrierova turbína tvar a) C, b) H, c) šroubovitá [36] ................................... 27 

Obr. 2-12 Turbína v podobě vzducholodě [38] ........................................................... 28 

Obr. 2-13 Elektrárna od The Tekniker [40] ................................................................ 29 

Obr. 2-14 Znázornění elektrostatické indukce-zelený .................................................. 30 

Obr. 2-15 Kontaktní generátor s pohyblivou elektrodou .............................................. 32 

Obr. 2-16 Kluzný generátor s pohyblivou elektrodou .................................................. 32 

Obr. 2-17 Kontaktní generátor s volnou vrstvou ......................................................... 33 

Obr. 2-18 Kluzný generátor s volnou vrstvou ............................................................. 33 

Obr. 2-19 a) Volt ampérová charakteristika, b) Výkon v závislosti na odporu [42] ......... 34 

Obr. 2-20 Elektrostatické pole s vlivem hranového efektu [48] .................................... 35 

Obr. 2-21 a) Mřížkování s propojením uprostřed, b) Mřížkování s propojením na krajích 35 

Obr. 2-22 Naměřená napětí na kontaktním generátoru za různých atm. podmínek [8] ..... 36 

Obr. 2-23 Triboelektrická řada [51] ........................................................................... 37 

Obr. 4-1 Generátor s volnou vrstvou se společnou nevodivou vrstvou ........................... 41 

Obr. 4-2 Elektrárna s horizontální turbínou ................................................................ 45 

Obr. 4-3 Elektrárna vertikální – přenosná .................................................................. 46 

Obr. 4-4 Vertikální elektrárna – statická .................................................................... 47 

Obr. 5-1 Elektrárna podle konceptu 2 ........................................................................ 48 



 

73 

Obr. 5-2 Elektrárna rozložená na jednotlivé části ........................................................ 51 

Obr. 5-3 Příruba turbíny .......................................................................................... 52 

Obr. 5-4 Řez Savoniovou turbínou ............................................................................ 52 

Obr. 5-5 Uchycení na a) horní straně turbíny, b) dolní straně turbíny ............................ 53 

Obr. 5-6 Sevření nosníku ......................................................................................... 53 

Obr. 5-7 Uložení turbíny .......................................................................................... 54 

Obr. 5-8 Hřídel v krku ............................................................................................. 55 

Obr. 5-9 Řez generátorem ........................................................................................ 57 

Obr. 5-10 Rozložení statorového disku ...................................................................... 58 

Obr. 5-11 Skříň generátoru....................................................................................... 59 

Obr. 5-12 Přetlakový systém .................................................................................... 59 

Obr. 5-13 Těsnění hřídele ........................................................................................ 60 

Obr. 5-14 Stojanová noha ........................................................................................ 61 

Obr. 5-15 Silové působení na elektrárnu .................................................................... 62 

 



 

74 

11 SEZNAM TABULEK 

Tab. 2-1 Složení atmosféry Marsu............................................................................. 21 

Tab. 5-1 Rozměry částí elektrárny............................................................................. 49 

Tab. 5-2 Vnější účinky ............................................................................................ 50 

Tab. 5-3 Provozní parametry .................................................................................... 50 

Tab. 5-4 Výsledky kontroly hřídele k MSÚ ................................................................ 57 

 



 

75 

12 SEZNAM PŘÍLOH 

Příloha 1. – VYPOCET_MSU (.pdf)