Solarna jedro: konfiguracija, načelo rada. Prostor putovanja

Solarna jedro je način premještanja svemirskog broda pomoću tlaka svjetlosti i plinova velike brzine (koji se nazivaju i tlak sunčeve svjetlosti) koji emitira zvijezda. Razmotrimo njegovu strukturu detaljnije.

Korištenje jedra uključuje jeftino putovanje u svemir u kombinaciji s produženim vremenom korištenja. Zbog nedostatka mnogih pokretnih dijelova, kao i potrebe korištenja potisnog plina, potencijalno je moguće ponovno korištenje takvog broda za isporuku korisnog tereta. Također se ponekad koriste nazivi svjetlosti ili fotonskog jedra.

Povijest koncepta

Johannes Kepler je jednom primijetio da rep kometa izgleda u smjeru Sunca i sugerirao da je zvijezda koja proizvodi takav učinak. U pismu Galileu 1610. godine napisao je: "Pružite brod jedrima prilagođenim sunčevom vjetru, a bit će i onih koji se usude istražiti ovu prazninu". Možda se ovim riječima posebno odnosio na fenomen "repa kometa", iako su se publikacije o ovoj temi nekoliko godina kasnije pojavile.

James C. Maxwell u 60-XIX stoljeća objavio teoriju elektromagnetskog polja i zračenja, koja je pokazala da svjetlost ima puls i na taj način može izvršiti pritisak na objektima. Maxwellove jednadžbe pružaju teorijsku osnovu za kretanje pomoću laganog tlaka. Stoga je već 1864. godine u zajednici fizičara i izvan njega poznato da sunčeva svjetlost nosi impuls koji vrši pritisak na objekte.

Prvo, Peter Lebedev eksperimentalno je pokazao pritisak svjetlosti 1899., a zatim su Ernest Nichols i Gordon Hull proveli sličan nezavisni eksperiment 1901. godine pomoću Nichols radiometra.

Albert Einstein je uveo drugu formulaciju, prepoznajući ekvivalentnost mase i energije. Sada možemo jednostavno pisati p = E / c kao odnos između zamaha, energije i brzine svjetlosti.

Svante Arrhenius predvidio 1908. i mogućnost solarnog tlaka zračenja, prijevoz žive polemike na međuzvjezdanim udaljenostima, i, kao posljedica toga, koncept panspermia. Bio je prvi znanstvenik koji je rekao da svjetlost može premjestiti objekte između zvijezda.

Friedrich Zander je objavio rad koji uključuje tehničku analizu solarne jedrilice. Pisao je o "upotrebi ogromnih i vrlo tankih listova ogledala" i "pritisku sunčeve svjetlosti kako bi se postigle kozmičke brzine".

Prvi službeni projekti za razvoj ove tehnologije započeli su 1976. godine u Jet Propulsion Laboratoryu za predloženu misiju "rendezvous" s komletom Halley.

Kako solarni jedro radi?

Svjetlost utječe na sve uređaje u orbiti planete ili u međuplanetarnom prostoru. Na primjer, obična letjelica, pored Marsa, bit će raseljena više od 1000 km od Sunca. Ti se učinci uzimaju u obzir prilikom planiranja putanja svemirskih putovanja od prve interplanetarne letjelice 1960-ih. Zračenje također utječe na položaj aparata, a ovaj faktor treba uzeti u obzir pri dizajnu plovila. Sila koja djeluje na solarnu jedro iznosi 1 newton ili manje.

Korištenje ove tehnologije prikladno je za međuzvjezdane orbite, pri čemu se sve radnje izvode pri niskim stopama. Sila vektor svjetla jedra je orijentiran na crti solarno, što povećava energiju i kutni zamah orbiti, uzrokujući brod kreće dalje od sunca. Za promjenu nagiba orbite, vektor sila je izvan ravnine vektora brzine.

Kontrola položaja

Sustav kontrole stavova (ACS) svemirske letjelice potreban je za postizanje i promjenu željenog položaja prilikom putovanja kroz svemir. Postavljeni položaj aparata varira vrlo sporo, često manje od jedan stupanj po danu u međuplanetarnom prostoru. Taj je proces mnogo brži na orbiti planeta. Kontrolni sustav uređaja koji koristi solarni jedro mora zadovoljiti sve zahtjeve za orijentacijom.

Kontrola se postiže relativnim pomakom između središta tlaka plovila i njegovog središta mase. To se može postići pomoću kontrolnih lopatica, kretanja pojedinačnih jedara, kretanja referentne mase ili promjena refleksije.

Stalni položaj zahtijeva da ACS zadrži čisti okretni moment na nuli. Trenutak snage jedra nije konstantan duž putanja. Promjene s udaljenost od Sunca i kut koji ispravlja vratilo i odmiče neke elemente noseće strukture, što dovodi do promjena u snazi ​​i zakretnom momentu.

ograničenja

Solarna jedra neće moći raditi na visini nižoj od 800 km od Zemlje, jer do ove udaljenosti sila otpora zraka premašuje snagu svjetlosnog pritiska. To jest, učinak solarnog tlaka slabo je vidljiv i jednostavno neće funkcionirati. Brzina okretanja plovila mora biti kompatibilna s orbiti, što je obično problem samo za konfiguraciju rotirajućih diskova.

Radna temperatura ovisi o sunčevoj udaljenosti, kutu, reflektivnosti, kao i prednjim i stražnjim radijatorima. Jedrilica se može koristiti samo ako se temperatura održava unutar svojih granica materijala. U pravilu se može koristiti vrlo blizu sunca, oko 0,25 astronomskih jedinica ako je brod pažljivo dizajniran za ove uvjete.

konfiguracija

Eric Drexler je proizveo prototip solarnog jedra od posebnog materijala. To je okvir s pločom tankog aluminijskog filma debljine od 30 do 100 nanometara. Jedrilica se okreće i mora biti stalno pod pritiskom. Dizajn ovog tipa ima visoku površinu po jedinici mase i stoga dobiva ubrzanje "pedeset puta veće" od onih koje se temelje na plasiranim plastičnim filmovima. To je trg jedra s jarbola i parove crta na mračnoj strani jedra. Četiri presijecajuće jarboli i jedna okomica na središte, kako bi držali žice.

Elektronska konstrukcija

Pekka Yanghunen izumila je električnu jedro. Mehanički, to ima malo veze s tradicionalnim dizajnom svjetlosti. Vučice se zamjenjuju izravnavanjem vodljivih kabela (žica) koji se nalaze radijalno oko broda. Oni stvaraju električno polje. Proširuje nekoliko desetaka metara u plazmu okolnog sunčevog vjetra. Solarni elektroni odražavaju električno polje (poput fotona na tradicionalnom solarnom jedrenju). Brod se može upravljati podešavanjem električnog naboja žica. Električni jedro ima 50-100 izravnati žice oko 20 km.

Što je napravljeno?

Materijal razvijen za Drexlerov solarni jedro je tanki aluminijski film 0,1 mikrometara debljine. Kao što se očekivalo, pokazalo se dovoljno snage i pouzdanosti za upotrebu u prostoru, ali ne i za presavijanje, pokretanje i implementaciju.

Najčešći materijal u modernim dizajnom je aluminijski film "Kapton" veličine 2 mikrona. Otporno je na visoke temperature u blizini Sunca i dovoljno je snažan.

Bilo je nekih teoretske pretpostavke o korištenju tehnika molekularne proizvodnih stvoriti napredni, snažni, jedro ultra-light temelju tkiva mreža od nanocijevi, gdje pruća „praznine” manje od pola valne duljine svjetlosti. Takav materijal nastao je samo u laboratorijskim uvjetima, a sredstva za proizvodnju u industrijskoj razini još nisu dostupna.

Svjetlo jedro nudi velike izglede za međuzvjezdane putovanja. Naravno, postoji mnogo pitanja i izazovi koji se suočavaju prije putovanje kroz svemir uz pomoć dizajna svemirska postaje uobičajena za čovječanstvo.