Solární plachta: konfigurace, princip činnosti. Cestování po vesmíru

Solární plachta je způsob, jak přemísťovat kosmickou loď pomocí tlaku světla a vysokorychlostních plynů (nazývaných také sluneční světlo) vyzařovaných hvězdou. Přezkoumejte podrobněji jeho strukturu.

Použití plachty znamená levnou cestu na místo v kombinaci s prodlouženou dobou používání. Vzhledem k nedostatku mnoha pohyblivých částí, stejně jako k potřebě použít pohonné hmoty, je možné opakovaně použít takovou loď k dodání užitečného nákladu. Také se někdy používají názvy světla nebo fotonové plachty.

Historie konceptu

Johannes Kepler jednou si všiml, že ocas komety vypadá ve směru Slunce a navrhl, že je to hvězda, která vyvolává takový efekt. V dopise Galileovi v roce 1610 napsal: "Poskytněte lodi plachtu přizpůsobenou slunečnímu větru a tam budou ti, kteří se odváží prozkoumat tuto prázdnotu." Možná, s těmito slovy, se konkrétně odvolával na fenomén "kometa komety", i když publikace o tomto tématu se objevily o několik let později.

James C. Maxwell v 60. letech XIX století publikoval teorii elektromagnetického pole a záření, který ukázal, že světlo má puls a tak mohou vyvíjet tlak na objektech. Maxwellovy rovnice poskytují teoretický základ pro pohyb pomocí lehkého tlaku. Proto již v roce 1864 bylo v komunitě fyziků i mimo ni známo, že sluneční světlo má impuls, který působí na objekty.

Nejprve Peter Lebedev experimentálně ukázal tlak světla v roce 1899 a poté Ernest Nichols a Gordon Hull provedli podobný nezávislý experiment v roce 1901 pomocí radiometru Nichols.

Albert Einstein představil jinou formulaci, která uznává rovnocennost hmoty a energie. Nyní můžeme jednoduše napsat p = E / c jako vztah mezi hybností, energií a rychlostí světla.

Svante Arrhenius předpovídal v roce 1908 možnost tlaku slunečního záření, který přenáší živé spory na mezihvězdné vzdálenosti a v důsledku toho koncept panspermie. Byl prvním vědcem, který říkal, že světlo může pohybovat předměty mezi hvězdami.

Friedrich Zander publikoval článek obsahující technickou analýzu solární plachty. Psal o "použití obrovských a velmi tenkých plechů zrcadel" a "o tlaku slunečního světla na dosažení kosmických rychlostí."

První oficiální projekty na vývoj této technologie začaly v roce 1976 v laboratoři Jet Propulsion pro navrhovanou "setkání" s kometou Halley.

Jak funguje solární plachta?

Světlo ovlivňuje všechna zařízení na oběžné dráze planety nebo v meziplanetárním prostoru. Například, obyčejná kosmická loď, vedle Marsu, bude přesunuta více než 1000 km od Slunce. Tyto účinky jsou vzaty v úvahu při plánování trajektorie kosmického cestování od první meziplanetární kosmické lodi šedesátých let. Záření také ovlivňuje polohu přístroje a tento faktor by měl být zohledněn při návrhu plavidla. Síla působící na solární plachtu je 1 newton nebo méně.

Použití této technologie je výhodné v mezihvězdných oběžných drahách, kde jsou akce prováděny s nízkými sazbami. Vektor síly lehké plachty je orientován podél sluneční linky, což zvyšuje energii oběžné dráhy a úhlovou hybnost, v důsledku čehož se loď pohybuje dále od Slunce. Pro změnu sklonu oběžné dráhy je vektor síly mimo rovinu vektoru rychlosti.

Ovládání polohy

Systém řízení polohy (ACS) kosmické lodi je nezbytný pro dosažení a změnu požadované polohy při cestování po vesmíru. Nastavená poloha přístroje se mění velmi pomalu, často méně než jeden stupeň na den v meziplanetárním prostoru. Tento proces je mnohem rychlejší na oběžných dráhách planet. Řídící systém přístroje používající solární plachtu musí splňovat všechny požadavky na orientaci.

Řízení je dosaženo relativním posunem mezi středem tlaku nádoby a jeho středem hmotnosti. Toho lze dosáhnout pomocí ovládacích nožů, pohybu jednotlivých plachet, pohybu referenční hmotnosti nebo změn odrazivosti.

Konstantní poloha vyžaduje, aby ACS udržovala čistý točivý moment na nulové hodnotě. Moment síly plachty není konstantní podél trajektorie. Změny se vzdáleností od Slunce a úhlem, který koriguje plachtu a odchyluje některé prvky nosné konstrukce, což vede ke změnám síly a točivého momentu.

Omezení

Solární plachta nebude schopna pracovat ve výšce menší než 800 km od Země, protože až do této vzdálenosti síla odporu vzduchu překračuje sílu lehkého tlaku. To znamená, že vliv slunečního tlaku je slabě vnímatelný a prostě nebude fungovat. Rychlost otočení plachetnice musí být kompatibilní s oběžnou dráhou, což je obvykle problém pouze pro konfiguraci rotujících disků.

Provozní teplota závisí na vzdálenosti, úhlu, odrazivosti, jakož i na předních a zadních radiátorech. Plachta může být použita pouze tam, kde je teplota udržována v rámci svých materiálových limitů. Je pravidlem, že pokud je tato loď pečlivě navržena pro tyto podmínky, může být použita velmi blízko Slunce, asi 0,25 astronomických jednotek.

Konfigurace

Eric Drexler vyrobil prototyp solární plachty ze speciálního materiálu. Jedná se o rám s panelem z tenké hliníkové fólie o tloušťce 30 až 100 nanometrů. Plachta se otáčí a musí být neustále pod tlakem. Konstrukce tohoto typu má vysokou plochu na jednotku hmotnosti, a proto získává zrychlení "padesátkrát vyšší" než u roznětlivých plastových fólií. Jedná se o čtvercový plachta se stěžněmi a dvojicí řádků na temné straně plachty. Čtyři protínající se stožáry a jedna - kolmá ke středu, aby držela dráty.

Elektronická konstrukce

Pekka Yanghunen vynalezl elektrickou plachtu. Mechanicky má málo společného s tradičním designem světla. Plachty jsou nahrazeny rovnoběžnými vodivými kabely (dráty) umístěnými radiálně kolem lodi. Vytváří elektrické pole. Rozkládá se několik desítek metrů do plazmatu okolního slunečního větru. Sluneční elektrony se odrážejí elektrickým polem (jako fotony na tradiční solární plachtě). Loď lze ovládat nastavením elektrického náboje vodičů. Elektrická plachta má 50-100 narovnaných drátů o délce asi 20 km.

Co je vyrobeno?

Materiál vyvinutý pro solární plachtu Drexler je tenký hliníkový film o tloušťce 0,1 mikrometru. Jak bylo očekáváno, prokázalo dostatečnou sílu a spolehlivost pro použití ve vesmíru, ale ne pro skládání, spouštění a nasazení.

Nejběžnějším materiálem v moderních provedeních je hliníkový film "Kapton" o velikosti 2 mikrony. Odolává vysokým teplotám blízko Slunce a je dostatečně silný.

Tam byly některé teoretické předpoklady o použití technik molekulární výrobních vytvořit moderní, výkonný, ultralehký plachtu založený na tkáňových ok nanotrubičky, kde proutěné „mezery“ menší, než polovina vlnové délky světla. Takový materiál byl vytvořen pouze v laboratorních podmínkách a prostředky pro výrobu v průmyslovém měřítku nejsou dosud k dispozici.

Lehká plachta nabízí skvělé vyhlídky na mezihvězdné cestování. Samozřejmě, je ještě mnoho otázek a problémů, které budou muset čelit před cestou vesmírem pomocí takové konstrukce kosmické lodi se stane společnou věcí pro lidstvo.