Sončno jadranje: konfiguracija, načelo delovanja. Vesoljska potovanja

Sončno jadro je način premikanja vesoljske ladje z uporabo tlaka svetlobe in hitrosti plinov (imenovan tudi sončni svetlobni tlak), ki ga oddaja zvezda. Podrobneje preuči njegovo strukturo.

Uporaba jadra vključuje poceni vesoljske vožnje v kombinaciji z daljšim obdobjem uporabe. Zaradi pomanjkanja številnih premikajočih se delov in potrebe po uporabi pogonskega sredstva je možno, da se takšna ladja lahko ponovno uporabi za dobavo uporabnega tovora. Včasih se uporabljajo tudi svetlobna ali fotonska imena.

Zgodovina koncepta

Johannes Kepler je nekoč opazil, da rep kometa gleda v smeri Sonca in predlaga, da je zvezda, ki ustvarja tak učinek. V pismu Galileo v 1610, je zapisal: "Naj jadra ladje, ki je prilagojen za sončne vetrič in da so tisti, ki si upajo, da razišče, in praznina." Morda je s temi besedami posebej omenil pojav "repa kometa", čeprav so se objave na to temo pojavile več let kasneje.

James K. Maxwell je v 60. letih XIX. Stoletja objavil teorijo elektromagnetnega polja in sevanja, v katerem je pokazal, da ima svetloba impulz in tako lahko izvaja pritisk na predmete. Maxwellove enačbe zagotavljajo teoretično osnovo gibanja s pomočjo lahkega tlaka. Zato je bilo že leta 1864 v skupnosti fizikov in zunaj nje znano, da sončna svetloba nosi impulz, ki vrši pritisk na predmete.

Prva Peter Lebedev je leta 1899 pokazala, eksperimentalno pritisk svetlobe, nato pa Ernest Nichols in Gordon Hull je imel podoben neodvisen poskus leta 1901 z Nichols radiometer.

Albert Einstein je uvedel drugačno formulacijo, ki priznava enakovrednost mase in energije. Zdaj lahko enostavno napišemo p = E / c kot razmerje med impulzom, energijo in hitrostjo svetlobe.

Svante Arrenius je leta 1908 napovedal možnost tlaka sončnega sevanja, ki prenese žive spore na medzvezdne razdalje in posledično tudi koncept pantemije. Bil je prvi znanstvenik, ki pravi, da lahko svetloba premika predmete med zvezdami.

Friedrich Zander je objavil članek s tehnično analizo sončnega jadra. Napisal je o "uporabi ogromnih in zelo tankih listov ogledal" in "pritisk sončne svetlobe, da doseže kozmične hitrosti".

Prvi uradni projekti za razvoj te tehnologije so se začeli leta 1976 v Laboratoriju za pogon jarka za predlagano "srečanje" s komadom Halley.

Kako deluje sončna jadra?

Svetloba vpliva na vse aparate v orbiti planeta ali v medplanetarnem prostoru. Na primer, navadna vesoljska plovila, poleg Marsa, bodo oddaljena več kot 1000 km od Sonca. Ti vplivi se pri načrtovanju poti vesoljskega potovanja upoštevajo že od prvega medletničnega vesoljskega plovila iz šestdesetih let prejšnjega stoletja. Sevanje vpliva tudi na položaj naprave, ta dejavnik pa je treba upoštevati pri načrtovanju plovila. Sila na sončnem jadru je 1 newton ali manj.

Uporaba te tehnologije je primerna za medzvezdne tirnice, kjer se katera koli dejanja izvajajo pri nizkih stopnjah. Vektor moči svetlobnega jadra je usmerjen vzdolž sončne črte, ki povečuje energijo orbite in kotni moment, zaradi česar se ladja premika naprej od Sonca. Za spremembo naklona orbite je vektor sile zunaj ravnin vektorja hitrosti.

Nadzor položaja

Sistem za nadzor položaja (ACS) vesoljskega vozila je potreben, da dosežemo in spremenimo želeni položaj, ko potujemo po vesolju. Nastavljeni položaj aparata se zelo počasi spreminja, pogosto manj kot ena stopinja na dan v medplanetarnem prostoru. Ta proces je veliko hitrejši na orbitih planetov. Nadzorni sistem naprave, ki uporablja sončno jadro, mora izpolnjevati vse zahteve za orientacijo.

Nadzor se doseže z relativnim premikom med središčem tlaka plovila in njegovim središčem mase. To se lahko doseže s pomočjo krmilnih rezil, gibanjem posameznih jader, gibanjem referenčne mase ali spremembami odbojnosti.

Stalni položaj zahteva, da ACS ohranja čisti navor na nič. Trenutek sile plovbe ni konstanten vzdolž poti. Spreminja se od razdalje od Sonca in kota, ki popravlja jadrino jadra in odbija nekatere elemente nosilne konstrukcije, kar vodi do sprememb v sili in navoru.

Omejitve

Sončna jadra ne bo mogla delovati na višini, ki je manjša od 800 km od Zemlje, saj do te razdalje sila zračne upornosti presega silo svetlobnega tlaka. To pomeni, da je učinek sončnega pritiska slabo zaznaven in preprosto ne bo deloval. Hitrost plovbe jadrnice mora biti združljiva z orbito, kar je običajno problem samo za konfiguracijo vrtljivih diskov.

Delovna temperatura je odvisna od sončne razdalje, kota, odbojnosti, kot tudi prednjih in zadnjih radiatorjev. Jadranje se lahko uporablja le, če se temperatura ohranja v okviru svojih materialnih omejitev. Praviloma ga lahko uporabljamo precej blizu soncu, približno 0,25 astronomskih enot, če je ladja skrbno načrtovana za te pogoje.

Konfiguracija

Eric Drexler je izdelal prototip sončne jadra iz posebnega materiala. To je okvir s panulo tankega aluminijastega filma z debelino od 30 do 100 nanometrov. Jadrnica se vrti in mora biti nenehno pod pritiskom. Zasnova te vrste ima visoko površino na enoto mase in zato pospešuje "petdesetkrat večjo" od tistih, ki temeljijo na razmestljivih plastičnih folijah. To je kvadratno jadro z jamborjem in parom linij na temni strani jadra. Štirje preseči jambor in eno - pravokotno na sredino, da držijo žice.

Elektronska gradnja

Pekka Yanghunen je izumil električno jadro. Mehanično, to ima malo opraviti s tradicionalno zasnovo svetlobe. Jame se nadomestijo z ravninskimi prevodnimi kabli (žicami), ki se nahajajo radialno okoli ladje. Ustvarjajo električno polje. To se razteza na več deset metrov v plazmo okoliškega sončnega vetra. Sončne elektrone se odražajo z električnim poljem (npr. Fotoni na tradicionalnem sončnem jadru). Ladjo je mogoče nadzorovati s prilagoditvijo električnega naboja žic. Električno jadro ima 50-100 ravnih žic, dolgih približno 20 km.

Iz česa?

Material, razvit za sončno jadro Drexler, je tanek aluminijast film debeline 0,1 mikrometra. Kot je bilo pričakovano, je pokazalo zadostno moč in zanesljivost za uporabo v vesolju, ne pa tudi za zlaganje, zaganjanje in uvajanje.

Najpogostejši material v sodobnih modelih je aluminijast film "Kapton" velikosti 2 mikrona. Odporen je na visoke temperature v bližini Sonca in je dovolj močan.

Bilo je nekaj teoretičnih predpostavk za uporabo proizvodnih tehnik molekularne ustvariti napreden, močan, ultra lahek jadro, ki temelji na tkiva očes nanocevke, kjer protja "vrzeli" manj kot polovico valovne dolžine svetlobe. Tak material je bil ustvarjen le v laboratorijskih pogojih, sredstva za industrijsko proizvodnjo pa še niso na voljo.

Svetlobno jadro ponuja odlične možnosti za medzvezdno potovanje. Seveda je še vedno veliko vprašanj in problemov, s katerimi se bo treba soočiti, preden potujejo po vesolju, s pomočjo takega načrtovanja vesoljskih plovil pa bo postalo pogosta stvar za človeštvo.