Żagiel słoneczny to sposób na napędzanie statku kosmicznego za pomocą ciśnienia światła i gazów o dużej prędkości (zwanych również ciśnieniem światła słonecznego) emitowanych przez gwiazdę. Przyjrzyjmy się bliżej jego urządzeniu.
Korzystanie z żagla oznacza tanie podróże kosmiczne połączone z wydłużoną żywotnością. Ze względu na brak wielu ruchomych części, a także konieczność użycia paliwa, taki statek potencjalnie nadaje się do ponownego wykorzystania do dostarczania ładunków. Czasem używa się również nazw lekki lub fotonowy żagiel.
Opowieść koncepcyjna
Johannes Kepler zauważył kiedyś, że warkocz komety odwraca wzrok od Słońca i zasugerował, że to gwiazda wywołuje ten efekt. W liście do Galileusza w 1610 r. napisał: „Dostarcz okrętowi żagiel przystosowany do wiatru słonecznego, a znajdą się tacy, którzy odważą się zbadać tę pustkę”. Być może tymi słowami odniósł się właśnie do zjawiska „ogonu komety”, choć publikacje na ten temat pojawiły się kilka lat później.
James K. Maxwell w latach 60. XIX wieku opublikował teorię pola elektromagnetycznego ipromieniowanie, w którym wykazał, że światło ma pęd i może wywierać nacisk na obiekty. Równania Maxwella dostarczają teoretycznej podstawy dla lokomocji pod lekkim ciśnieniem. Dlatego już w 1864 roku w środowisku fizyków i poza nim wiedziano, że światło słoneczne niesie impuls, który wywiera nacisk na obiekty.
Najpierw Piotr Lebiediew zademonstrował eksperymentalnie ciśnienie światła w 1899 r., a następnie Ernest Nichols i Gordon Hull przeprowadzili podobny niezależny eksperyment w 1901 r., używając radiometru Nicholsa.
Albert Einstein wprowadził inne sformułowanie, uznając równoważność masy i energii. Teraz możemy po prostu zapisać p=E/c jako stosunek pędu, energii i prędkości światła.
Svante Arrhenius przewidział w 1908 r. możliwość naporu promieniowania słonecznego przenoszącego żywe zarodniki na odległości międzygwiazdowe iw rezultacie koncepcję panspermii. Był pierwszym naukowcem, który twierdził, że światło może przenosić obiekty między gwiazdami.
Friedrich Zander opublikował artykuł zawierający analizę techniczną żagla słonecznego. Pisał o „użyciu ogromnych i bardzo cienkich tafli luster” oraz „nacisku światła słonecznego do osiągania kosmicznych prędkości”.
Pierwsze formalne projekty opracowania tej technologii rozpoczęły się w 1976 r. w Laboratorium Napędów Odrzutowych dla proponowanej misji spotkania z kometą Halleya.
Jak działa żagiel słoneczny
Światło wpływa na wszystkie pojazdy na orbicie planety lub wprzestrzeń międzyplanetarna. Na przykład konwencjonalny statek kosmiczny lecący na Marsa byłby oddalony o ponad 1000 km od Słońca. Efekty te były uwzględniane w planowaniu trajektorii podróży kosmicznych od czasu pierwszego międzyplanetarnego statku kosmicznego w latach 60. XX wieku. Promieniowanie wpływa również na położenie pojazdu i ten czynnik należy uwzględnić przy projektowaniu statku. Siła na żaglu słonecznym wynosi 1 niuton lub mniej.
Zastosowanie tej technologii jest wygodne na orbitach międzygwiezdnych, gdzie każda akcja jest wykonywana w wolnym tempie. Wektor siły lekkiego żagla jest zorientowany wzdłuż linii Słońca, co zwiększa energię orbity i moment pędu, powodując oddalanie się statku od Słońca. Aby zmienić nachylenie orbity, wektor siły jest poza płaszczyzną wektora prędkości.
Kontrola pozycji
System kontroli nastawienia (ACS) statku kosmicznego jest potrzebny do osiągnięcia i zmiany pożądanej pozycji podczas podróży przez Wszechświat. Zadana pozycja aparatu zmienia się bardzo powoli, często mniej niż jeden stopień dziennie w przestrzeni międzyplanetarnej. Proces ten zachodzi znacznie szybciej na orbitach planet. System sterowania pojazdem wykorzystującym żagiel słoneczny musi spełniać wszystkie wymagania dotyczące orientacji.
Kontrolę uzyskuje się poprzez względne przesunięcie między środkiem ciśnienia naczynia a jego środkiem masy. Można to osiągnąć za pomocą łopatek sterujących, przesuwając poszczególne żagle, przesuwając masę kontrolną lub zmieniając odblaskumiejętności.
Pozycja stojąca wymaga, aby ACS utrzymywał zerowy moment obrotowy netto. Moment siły żagla nie jest stały na trajektorii. Zmienia się wraz z odległością od słońca i kątem, który koryguje oś żagla i odchyla niektóre elementy konstrukcji nośnej, powodując zmiany siły i momentu obrotowego.
Ograniczenia
Żagiel słoneczny nie będzie w stanie pracować na wysokości mniejszej niż 800 km od Ziemi, ponieważ do tej odległości siła oporu powietrza przewyższa siłę lekkiego ciśnienia. Oznacza to, że wpływ ciśnienia słonecznego jest słabo zauważalny i po prostu nie zadziała. Szybkość obrotu żaglowca musi być zgodna z orbitą, co zwykle stanowi problem tylko w przypadku konfiguracji z wirującym dyskiem.
Temperatura robocza zależy od odległości słonecznej, kąta, współczynnika odbicia oraz przednich i tylnych grzejników. Żagla można używać tylko wtedy, gdy temperatura jest utrzymywana w granicach materiału. Może być używany dość blisko słońca, około 0,25 AU, jeśli statek jest starannie zaprojektowany do takich warunków.
Konfiguracja
Eric Drexler wykonał prototypowy żagiel słoneczny ze specjalnego materiału. Jest to rama z panelem z cienkiej folii aluminiowej o grubości od 30 do 100 nanometrów. Żagiel obraca się i musi być stale pod ciśnieniem. Ten typ konstrukcji ma dużą powierzchnię na jednostkę masy, a zatemprzyspieszenie „pięćdziesiąt razy szybsze” niż te oparte na rozkładanych foliach z tworzywa sztucznego. Jest to żagiel kwadratowy z masztami i bliźniaczymi linkami po ciemnej stronie żagla. Cztery przecinające się maszty i jeden prostopadły do środka do przytrzymywania przewodów.
Projektowanie elektroniczne
Pekka Janhunen wynalazł żagiel elektryczny. Mechanicznie niewiele ma wspólnego z tradycyjnym lekkim designem. Żagle zostały zastąpione wyprostowanymi przewodzącymi kablami (drutami) ułożonymi promieniowo wokół statku. Tworzą pole elektryczne. Rozciąga się na kilkadziesiąt metrów w plazmę otaczającego wiatru słonecznego. Elektrony słoneczne odbijają się od pola elektrycznego (jak fotony w tradycyjnym żaglu słonecznym). Statkiem można sterować, regulując ładunek elektryczny przewodów. Żagiel elektryczny ma 50-100 wyprostowanych drutów o długości około 20 km.
Z czego jest zrobione?
Materiał opracowany dla żagla słonecznego Drexler to cienka folia aluminiowa o grubości 0,1 mikrometra. Zgodnie z oczekiwaniami, wykazał się wystarczającą wytrzymałością i niezawodnością do użytku w kosmosie, ale nie do składania, uruchamiania i rozmieszczania.
Najpopularniejszym materiałem w nowoczesnych projektach jest folia aluminiowa „Kapton” o rozmiarze 2 mikronów. Jest odporny na wysokie temperatury w pobliżu Słońca i jest wystarczająco mocny.
Było trochę teoriispekulacje na temat zastosowania technik wytwarzania molekularnego do stworzenia zaawansowanego, mocnego, ultralekkiego żagla opartego na siatkach z nanorurek, w których tkane „szczeliny” mają mniej niż połowę długości fali światła. Taki materiał powstał dopiero w laboratorium, a środki do produkcji na skalę przemysłową nie są jeszcze dostępne.
Lekki żagiel otwiera wspaniałe perspektywy podróży międzygwiezdnych. Oczywiście wciąż istnieje wiele pytań i problemów, z którymi trzeba będzie się zmierzyć, zanim podróżowanie przez wszechświat z takim projektem statku kosmicznego stanie się powszechną rzeczą dla ludzkości.
