Sončno jadro je način za poganjanje vesoljskega plovila z uporabo tlaka svetlobe in visokohitrostnih plinov (imenovanih tudi tlak sončne svetlobe), ki jih oddaja zvezda. Oglejmo si podrobneje njegovo napravo.
Uporaba jadra pomeni nizkocenovno potovanje v vesolje v kombinaciji s podaljšano življenjsko dobo. Zaradi pomanjkanja številnih gibljivih delov in potrebe po uporabi pogonskega goriva je takšna ladja potencialno ponovno uporabna za dostavo tovora. Včasih se uporabljata tudi imena svetlobno ali fotonsko jadro.
koncept zgodba
Johannes Kepler je nekoč opazil, da rep kometa gleda stran od Sonca, in predlagal, da je zvezda tista, ki povzroča ta učinek. V pismu Galileju leta 1610 je zapisal: "Zagotovite ladji jadro, prilagojeno sončnemu vetru, in našli se bodo tisti, ki si bodo upali raziskati to praznino." Morda se je s temi besedami skliceval ravno na fenomen "repa kometa", čeprav so se publikacije na to temo pojavile nekaj let pozneje.
James K. Maxwell je v 60. letih XIX stoletja objavil teorijo o elektromagnetnem polju insevanja, v katerem je pokazal, da ima svetloba zagon in tako lahko pritiska na predmete. Maxwellove enačbe zagotavljajo teoretično osnovo za gibanje lahkega tlaka. Zato je bilo že leta 1864 znotraj in zunaj fizične skupnosti znano, da sončna svetloba nosi impulz, ki pritiska na predmete.
Najprej je Pyotr Lebedev eksperimentalno pokazal pritisk svetlobe leta 1899, nato pa sta Ernest Nichols in Gordon Hull leta 1901 izvedla podoben neodvisen poskus z uporabo Nicholsovega radiometra.
Albert Einstein je predstavil drugačno formulacijo, ki priznava enakovrednost mase in energije. Zdaj lahko preprosto zapišemo p=E/c kot razmerje med zagonom, energijo in hitrostjo svetlobe.
Svante Arrhenius je leta 1908 napovedal možnost pritiska sončnega sevanja, ki prenaša žive spore na medzvezdne razdalje, in posledično koncept panspermije. Bil je prvi znanstvenik, ki je trdil, da lahko svetloba premika predmete med zvezdami.
Friedrich Zander je objavil dokument, ki vključuje tehnično analizo sončnega jadra. Pisal je o "uporabi ogromnih in zelo tankih zrcal" in "pritisku sončne svetlobe za doseganje kozmičnih hitrosti."
Prvi formalni projekti za razvoj te tehnologije so se začeli leta 1976 v Laboratoriju za reaktivni pogon za predlagano misijo srečanja s Halleyjevim kometom.
Kako deluje solarno jadro
Svetloba vpliva na vsa vozila v orbiti planeta ali v njejmedplanetarni prostor. Na primer, običajno vesoljsko plovilo, namenjeno na Mars, bi bilo od Sonca oddaljeno več kot 1000 km. Ti učinki so bili vključeni v načrtovanje poti vesoljskega potovanja že od prvega medplanetarnega vesoljskega plovila v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Sevanje vpliva tudi na položaj vozila in ta dejavnik je treba upoštevati pri načrtovanju ladje. Sila na solarno jadro je 1 newton ali manj.
Uporaba te tehnologije je priročna v medzvezdnih orbitah, kjer se vsako dejanje izvaja z nizkim tempom. Vektor sile lahkega jadra je usmerjen vzdolž sončne črte, kar poveča energijo orbite in kotni zagon, zaradi česar se ladja oddalji od sonca. Če želite spremeniti naklon orbite, je vektor sile izven ravnine vektorja hitrosti.
Nadzor položaja
Sistem nadzora attitude (ACS) vesoljske ladje je potreben, da dosežemo in spremenimo želeni položaj med potovanjem skozi vesolje. Nastavljeni položaj aparata se spreminja zelo počasi, pogosto manj kot eno stopinjo na dan v medplanetarnem prostoru. Ta proces poteka veliko hitreje v orbitah planetov. Krmilni sistem za vozilo s solarnim jadrom mora izpolnjevati vse zahteve glede orientacije.
Nadzor se doseže z relativnim premikom med središčem tlaka posode in njenim masnim središčem. To je mogoče doseči s krmilnimi lopaticami, premikanjem posameznih jader, premikanjem kontrolne mase ali spreminjanjem odbojasposobnosti.
Stoječi položaj zahteva, da ACS vzdržuje neto navor na nič. Trenutek sile jadra ni stalen vzdolž trajektorije. Spremembe z oddaljenostjo od sonca in kotom, ki popravi gred jadra in odkloni nekatere elemente nosilne konstrukcije, kar povzroči spremembe v sili in navoru.
Omejitve
Sončno jadro ne bo moglo delovati na višini, nižji od 800 km od Zemlje, saj do te razdalje sila zračnega upora presega silo lahkega pritiska. To pomeni, da je vpliv sončnega tlaka šibko opazen in preprosto ne bo deloval. Hitrost obrata jadrnice mora biti združljiva z orbito, kar je običajno samo težava pri konfiguracijah vrtljivih diskov.
Delovna temperatura je odvisna od sončne razdalje, kota, odbojnosti ter sprednjih in zadnjih radiatorjev. Jadro se lahko uporablja samo, če je temperatura v mejah materiala. Na splošno se lahko uporablja precej blizu sonca, okoli 0,25 AU, če je ladja skrbno zasnovana za te pogoje.
Konfiguracija
Eric Drexler je izdelal prototip sončnega jadra iz posebnega materiala. Je okvir s ploščo iz tanke aluminijaste folije z debelino od 30 do 100 nanometrov. Jadro se vrti in mora biti nenehno pod pritiskom. Ta vrsta strukture ima veliko površino na enoto mase in zatopospeševanje "petdesetkrat hitrejše" od tistih, ki temeljijo na navojnih plastičnih folijah. Je kvadratno jadro z jambori in dvojnimi črtami na temni strani jadra. Štirje križajoči se jambori in en pravokoten na sredino za držanje žic.
elektronsko oblikovanje
Pekka Janhunen je izumil električno jadro. Mehansko ima malo skupnega s tradicionalnim dizajnom svetlobe. Jadra nadomestijo zravnani prevodni kabli (žice), razporejeni radialno okoli ladje. Ustvarjajo električno polje. Razprostira se nekaj deset metrov v plazmo okoliškega sončnega vetra. Sončni elektroni se odbijajo od električnega polja (kot fotoni na tradicionalnem sončnem jadru). Ladjo je mogoče krmiliti z uravnavanjem električnega naboja žic. Električno jadro ima 50-100 izravnanih žic, dolgih približno 20 km.
Iz česa je narejen?
Material, razvit za Drexlerjevo solarno jadro, je tanka aluminijasta folija debeline 0,1 mikrometra. Kot je bilo pričakovano, je pokazal zadostno moč in zanesljivost za uporabo v vesolju, ne pa za zlaganje, izstrelitev in razmestitev.
Najpogostejši material v sodobnih dizajnih je aluminijasta folija "Kapton" velikosti 2 mikrona. Odporen je na visoke temperature blizu sonca in je dovolj močan.
Bilo je nekaj teoretičnihšpekulacije o uporabi tehnik molekularne proizvodnje za ustvarjanje naprednega, močnega, ultra lahkega jadra, ki temelji na mrežah iz tkanine iz nanocevk, kjer so tkane "vrzeli" manjše od polovice valovne dolžine svetlobe. Tak material je nastal le v laboratoriju, sredstva za proizvodnjo v industrijskem obsegu pa še niso na voljo.
Lahko jadro odpira velike možnosti za medzvezdno potovanje. Seveda je še veliko vprašanj in problemov, s katerimi se bo treba soočiti, preden bo potovanje po vesolju s takšno zasnovo vesoljskega plovila postalo običajna stvar za človeštvo.
