Ett solsegel är ett sätt att driva fram en rymdfarkost med hjälp av trycket från lätta och höghastighetsgaser (även kallat solljustryck) som sänds ut av en stjärna. Låt oss ta en närmare titt på dess enhet.
Att använda ett segel innebär billiga rymdresor i kombination med förlängd livslängd. På grund av bristen på många rörliga delar, liksom behovet av att använda drivmedel, är ett sådant fartyg potentiellt återanvändbart för leverans av nyttolaster. Namnen ljus eller foton segel används också ibland.
Konceptberättelse
Johannes Kepler märkte en gång att svansen på en komet tittar bort från solen och föreslog att det är stjärnan som producerar denna effekt. I ett brev till Galileo 1610 skrev han: "Ge skeppet ett segel anpassat till solbrisen, så kommer det att finnas de som vågar utforska detta tomrum." Kanske, med dessa ord, hänvisade han just till fenomenet "kometsvans", även om publikationer om detta ämne dök upp flera år senare.
James K. Maxwell publicerade på 60-talet av XIX-talet teorin om det elektromagnetiska fältet ochstrålning, där han visade att ljus har momentum och därmed kan utöva tryck på föremål. Maxwells ekvationer ger den teoretiska grunden för lätt tryckrörelse. Därför var det redan 1864 känt inom och utanför fysiksamhället att solljus bär en impuls som utövar tryck på föremål.
Först demonstrerade Pyotr Lebedev experimentellt ljusets tryck 1899, och sedan genomförde Ernest Nichols och Gordon Hull ett liknande oberoende experiment 1901 med Nichols radiometer.
Albert Einstein introducerade en annan formulering, som erkände ekvivalensen mellan massa och energi. Nu kan vi helt enkelt skriva p=E/c som förhållandet mellan momentum, energi och ljusets hastighet.
Svante Arrhenius förutspådde 1908 möjligheten av tryck från solstrålning som bär levande sporer över interstellära avstånd, och, som ett resultat, begreppet panspermia. Han var den första vetenskapsmannen som hävdade att ljus kunde flytta objekt mellan stjärnor.
Friedrich Zander publicerade en uppsats med en teknisk analys av solseglet. Han skrev om "användningen av enorma och mycket tunna speglar" och "trycket från solljus för att uppnå kosmiska hastigheter."
De första formella projekten för att utveckla denna teknik började 1976 vid Jet Propulsion Laboratory för ett föreslaget mötesuppdrag med Halley's Comet.
Så fungerar ett solsegel
Ljus påverkar alla fordon i planetens omloppsbana eller iinterplanetariskt utrymme. Till exempel skulle en konventionell rymdfarkost på väg till Mars vara mer än 1 000 km bort från solen. Dessa effekter har inkluderats i planeringen av rymdresor sedan den allra första interplanetära rymdfarkosten på 1960-talet. Strålning påverkar även fordonets position, och denna faktor måste beaktas i fartygets design. Kraften på solseglet är 1 newton eller mindre.
Användningen av denna teknik är bekväm i interstellära banor, där alla åtgärder utförs i låg takt. Det lätta seglets kraftvektor är orienterad längs solens linje, vilket ökar banans energi och rörelsemängd, vilket gör att fartyget rör sig längre bort från solen. För att ändra banans lutning är kraftvektorn utanför hastighetsvektorns plan.
Positionskontroll
En rymdfarkosts attitydkontrollsystem (ACS) behövs för att nå och ändra önskad position medan den färdas genom universum. Apparatens inställda läge ändras mycket långsamt, ofta mindre än en grad per dag i det interplanetära rummet. Denna process sker mycket snabbare i planeternas banor. Styrsystemet för ett fordon som använder ett solsegel måste uppfylla alla orienteringskrav.
Kontroll uppnås genom en relativ förskjutning mellan kärlets tryckcentrum och dess massa. Detta kan uppnås med kontrollvingar, flytta enskilda segel, flytta en kontrollmassa eller byta reflekterandeförmågor.
Stående position kräver att ACS bibehåller nettovridmomentet på noll. Seglets kraftmoment är inte konstant längs banan. Ändrar med avstånd från solen och vinkeln, vilket korrigerar seglets axel och avleder vissa delar av den bärande strukturen, vilket resulterar i förändringar i kraft och vridmoment.
Restrictions
Solseglet kommer inte att kunna arbeta på lägre höjd än 800 km från jorden, eftersom luftmotståndskraften upp till detta avstånd överstiger lätttryckskraften. Det vill säga, påverkan av soltrycket är svagt märkbar, och det kommer helt enkelt inte att fungera. Segelfartygets svänghastighet måste vara kompatibel med omloppsbanan, vilket vanligtvis bara är ett problem för konfigurationer med snurrande skivor.
Driftstemperaturen beror på solavstånd, vinkel, reflektivitet och främre och bakre radiatorer. Seglet kan endast användas där temperaturen hålls inom dess materialgränser. Det kan i allmänhet användas ganska nära solen, runt 0,25 AU, om fartyget är noggrant designat för dessa förhållanden.
Configuration
Eric Drexler gjorde en prototyp av solsegel av ett speciellt material. Det är en ram med en panel av tunn aluminiumfilm med en tjocklek på 30 till 100 nanometer. Seglet roterar och måste vara konstant under tryck. Denna typ av struktur har en hög yta per massenhet och därföracceleration "femtio gånger snabbare" än de baserade på utplacerbara plastfilmer. Det är ett fyrkantigt segel med master och tvillinglinjer på den mörka sidan av seglet. Fyra korsande master och en vinkelrät mot mitten för att hålla ledningarna.
Elektronisk design
Pekka Janhunen uppfann det elektriska seglet. Mekaniskt har det lite gemensamt med traditionell ljusdesign. Seglen ersätts av uträtade ledande kablar (trådar) anordnade radiellt runt fartyget. De skapar ett elektriskt fält. Den sträcker sig flera tiotals meter in i plasman från den omgivande solvinden. Solelektroner reflekteras av det elektriska fältet (som fotoner på ett traditionellt solsegel). Fartyget kan styras genom att reglera den elektriska laddningen av ledningarna. Elseglet har 50-100 uträtade vajrar, cirka 20 km långa.
Vad är den gjord av?
Materialet som utvecklats för Drexlers solsegel är en tunn aluminiumfilm som är 0,1 mikrometer tjock. Som väntat har den visat tillräcklig styrka och tillförlitlighet för användning i rymden, men inte för fällning, uppskjutning och utplacering.
Det vanligaste materialet i modern design är aluminiumfilm "Kapton" 2 mikron i storlek. Den står emot höga temperaturer nära solen och är tillräckligt stark.
Det fanns några teoretiskaspekulationer om att tillämpa molekylära tillverkningstekniker för att skapa ett avancerat, starkt, ultralätt segel baserat på nanorörstyggaller där de vävda "mellanrummen" är mindre än halva ljusets våglängd. Ett sådant material skapades endast i laboratoriet, och medlen för tillverkning i industriell skala är ännu inte tillgängliga.
Det lätta seglet öppnar stora möjligheter för interstellära resor. Naturligtvis finns det fortfarande många frågor och problem som måste ställas inför innan resan genom universum med en sådan rymdfarkostdesign blir en vanlig sak för mänskligheten.
